DE102011009441A1

DE102011009441A1 - Elektrischer Leiter und Verfahren zu dessen Korrosionsschutz

Info

Publication number: DE102011009441A1
Application number: DE201110009441
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Donath Daniel; Dipl.-Ing. Kopf Andreas; Mario Schön
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2011-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrosionsschutz einer elektrischen Kontaktfläche (18) eines elektrischen Leiters (10), insbesondere einer mehrteiligen Elektrode (16) zum Induktionsschweißen, bei welchem ein aus Kupfer bestehender Grundkörper (12, 14, 16) des elektrischen Leiters (10) im Bereich der Kontaktfläche (18) mit einer Silberlegierung (20) beschichtet wird, wobei das Beschichten durch Kaltgasspritzen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrosionsschutz einer elektrischen Kontaktfläche nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen elektrischen Leiter nach dem Oberbegriff von Patentspruch 4.
Aus Kupfer gefertigte elektrische Leiter, wie beispielsweise mehrteilige Induktorelektroden zum Induktionsschweißen, müssen über Kontaktstellen mit weiteren elektrischen Komponenten, wie beispielsweise Energiequelle oder dergleichen verbunden werden. Durch die Erwärmung im Betrieb und den Kontakt mit Luftsauerstoff kann es dabei relativ rasch zur Korrosion an diesen Kontaktstellen kommen, was deren Leitfähigkeit beeinträchtigt.
Die beeinträchtigte Leitfähigkeit an den Kontaktstellen führt in der Folge zu einer noch stärkeren Erwärmung, welche die Korrosion weiter beschleunigt. Bei Induktorelektroden kann es letztendlich dazu kommen das der Schwingkreis, in welchem die Induktoren integriert sind, nicht mehr anschwingt, so dass die Elektroden aufwendig gereinigt oder gar vollständig ausgetauscht werden müssen.
Zum Korrosionsschutz von elektrischen Leitern ist es bekannt, die Kontaktflächen eines aus Kupfer gefertigten Grundkörpers mit weniger reaktiven Metallen, insbesondere mit Silberlegierungen zu beschichten. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 153 482 A1 bekannt.
Zum Beschichten werden üblicherweise thermische Spritzverfahren verwendet. Diese können jedoch zu einer Beschädigung des Kupfersubstrats führen und selbst Oxidbildung hervorrufen. Übliche Auftragsverfahren führen zudem oftmals zu einer porösen Silberschicht, die nicht vollständig vor Korrosion schützen kann. Alternativ ist es bekannt, mittels physikalischer oder chemischer Gasphasenabscheidung Beschichtungen aufzubringen. Auch hier werden hohe Beschichtungstemperaturen eingesetzt, so dass die genannten Probleme wiederum auftreten können. Eine partielle Beschichtung ist mit diesen Verfahren nicht möglich, es können nur komplette Bauteile im Beschichtungsofen behandelt werden. Auch hier kann es also zum Verlust der Festigkeit des Kupfergrundkörpers führen sodass sich die Lötverbindungen oder dergleichen wieder lösen können.
Die alternativ verwendeten galvanischen Beschichtungen weisen ebenfalls Nachteile auf. Um eine ausreichende Schichtdicke zu erreichen, sind hier besonders lange Beschichtungszeiten notwendig, so dass ein derartiges Verfahrens zum Korrosionsschutz ökonomisch ungünstig ist. Auch hier können nur komplette Bauteile bzw. Baugruppen beschichtet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches einen besonders guten Korrosionsschutz von Kontaktstellen elektrischer Leiter ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 4 bereitzustellen, welcher besonders gut vor Korrosion geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen elektrischen Leiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Korrosionsschutz einer elektrischen Kontaktfläche eines elektrischen Leiters, insbesondere einer mehrteiligen Elektrode zum Induktionsschweißen, wird ein aus Kupfer bestehender Grundkörper des elektrischen Leiters im Bereich der Kontaktfläche mit einer Silberlegierung beschichtet. Erfindungsgemäß erfolgt hierbei das Beschichten durch Kaltgasspritzen.
Beim Kaltgasspritzen oder Kaltgaskompaktieren werden Partikel des Beschichtungsmaterial, hier also der Silberlegierung, in einem Gasstrom durch eine Lavaldüse unter hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert. Die hohe kinetische Energie der Partikel verursacht beim Aufpressen auf das Substrat eine formschlüssige Verbindung. Hierdurch werden nahezu porenfreie Schichten erzeugt, wobei aufgrund der relativ niedrigen Beschichtungstemperatur während des Beschichtens keine nennenswerten chemischen Reaktionen stattfinden. Eine kritische Oxidbildung wird dadurch vermieden. Hierdurch kann eine Beschädigung des Kupfersubstrates ausgeschlossen werden, so dass hochqualitative Beschichtungen erzielt werden, die unter den Betriebsbelastungen des elektrischen Leiters, praktisch keine Korrosion erfahren. Ein derart korrosionsgeschützter Leiter ist daher besonders gut haltbar.
Vorzugsweise wird zum Beschichten der Kontaktfläche eine Silber-Nickel-Legierung verwendet. Dies führt zu einer besonders guten Haltbarkeit des Beschichtungsmaterials bei gleichzeitig besonders guter Diffusionsdichte.
Zum Kantenschutz des elektrischen Leiters wird vorzugsweise nach dem Beschichten noch ein Kantenbereich des Grundkörpers im Bereich der Kontaktfläche spanend abgeschrägt. Aufgrund der hohen Beschichtungsqualität ist eine derartige mechanische Nachbehandlung möglich, ohne dass die Beschichtung beeinträchtigt wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen elektrischen Leiter, insbesondere eine mehrteilige Elektrode zum Induktionsschweißen, die einen Grundkörper aus Kupfer sowie wenigstens eine elektrische Kontaktfläche zum elektrischen Kontaktieren eines weiteren Leiters aufweist. Die Kontaktfläche ist hierbei mit einer Silberlegierung beschichtet. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Silberlegierung durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens geschildert, führt dies zu einer besonders guten, porenfreien und diffusionssicheren Beschichtung, die zuverlässig eine Korrosion des elektrischen Leiters in dessen Betrieb zu verhindern vermag.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält die Silberlegierung einen Nickelanteil. Zum Kantenschutz des Grundkörpers ist es zudem zweckmäßig, einen Kantenbereich im Bereich der Kontaktfläche abzuschrägen. Auch hierzu wurden die Vorteile bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Induktorschleife zum Induktionsschweißen;
2 eine schematische Darstellung der Kontaktflächen zweier Teile einer Induktorschleife gemäß 1;
3 eine Ausschnittsvergrößerung eines Schliffes durch die Kontaktfläche der Induktorschleife gemäß 1;
4a eine Kontaktfläche des elektrischen Leiters nach dem Stand der Technik; und
4b eine Kontaktfläche eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektrischen Leiters.
Zum Induktionsschweißen finden Induktorspulen 10 Anwendung, mittels welchem beispielsweise Achsbrücken oder ähnliche Kraftwagenbauteile elektrisch verschweißt werden können. Durch den Stromfluss in der Induktorspule 10 werden Ströme im Schweißgut erzeugt, die dieses hinreichend erhitzen, um eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Um bei komplexen Bauteilgeometrien die Induktorschleife 10 anbringen zu können, ist diese mehrteilig ausgeführt und umfasst insgesamt drei Einzelteile 12, 14, 16. Um die Teile 12, 14, 16 elektrisch mit den bogenförmigen Teil 16 verbinden zu können, weisen die Teile jeweilige Kontaktflächen 18 auf, über die ein elektrischer Kontakt zwischen den Teilen 12, 14, 16 hergestellt wird. Die Teile 12, 14, 16 sind aufgrund der hohen Leitfähigkeit aus Kupfer hergestellt. Da an Kupfer an Luftsauerstoff oxidieren kann, werden erfindungsgemäß die Kontaktflächen 18 mit einer Silber-Nickel-Beschichtung 20 versehen, um so die Korrosion zu mindern. Die Silber-Nickel-Legierung wird dabei erfindungsgemäß durch Kaltgasspritzen aufgebracht, da sich so besonders haltbare und porenfreie Beschichtungen 20 ergeben. Eine detaillierte Darstellung der Kontaktbereiche 22 zwischen den Teilen 12, 16 ist in 2 dargestellt.
3 zeigt einen Dünnschliff durch den Auftragsbereich der Beschichtung 20 auf dem Grundkörper 12 aus Kupfer. Wie zu erkennen ist, die Silber-Nickel-Schicht praktisch porenfrei und vollflächig mit dem Kupfersubstrat verbunden. Eine Ablösung der Silberschicht droht daher nicht. Auch bei dauerhaften Einsatz der Induktorspule 10 kann somit Korrosion an den Kontaktflächen 18 vermieden werden.
Dies ist nochmals in den 4a und 4b veranschaulicht. 4a zeigt eine Draufsicht auf die Kontaktfläche 18 einer Induktorspule 10 nach dem Stand der Technik. Diese besteht aus Kupfer und weist keine Silber bzw. Silber-Nickel-Beschichtung auf. Es ist zu erkennen, dass die Kontaktfläche 18 kraterartige Strukturen 24 aufweist, die durch das Rausreißen von Kupferfragmenten nach Korrosion der Kontaktfläche 18 entstehen.
Die in 4b dargestellte, erfindungsgemäß mit Silber-Nickel mittels des Kaltgasspritzens beschichtete Kontaktfläche 18 zeigt dagegen lediglich eine leichte Anlauffärbung 26, die jedoch die Leitfähigkeit der Kontaktfläche 18 nicht weiter beeinträchtigt. Nach einem anfänglichen Anlaufen der Kontaktfläche 18 findet auch kein weiterer Verschleiß statt, so dass ein derart ausgeführter Induktor 10 langfristig ohne Korrosionsschäden verwendbar ist.
Selbstverständlich eignet sich die Erfindung nicht nur zum Einsatz an Induktorspulen 10, sondern kann vielmehr für alle elektrischen Kontaktflächen, die besonders korrosionsgefährdet sind Anwendung finden. Dies ist besonders zweckmäßig, wenn hohe Ströme über die Kontaktflächen geleitet werden sollen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind dabei beispielsweise Schweißzangen oder dergleichen.
Bezugszeichenliste

10: Induktorspule
12: Grundkörper
14: Grundkörper
16: Grundkörper
18: Kontaktfläche
20: Beschichtung
22: Kontaktbereich
24: Struktur
26: Anlauffärbung
28: Kantenbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10153482 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Korrosionsschutz einer elektrischen Kontaktfläche (18) eines elektrischen Leiters (10), insbesondere einer mehrteiligen Elektrode (16) zum Induktionsschweißen, bei welchem ein aus Kupfer bestehender Grundkörper (12, 14, 16) des elektrischen Leiters (10) im Bereich der Kontaktfläche (18) mit einer Silberlegierung (20) beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten durch Kaltgasspritzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beschichten eine Silber-Nickel-Legierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichten ein Kantenbereich (28) des Grundkörpers (12, 14, 16) im Bereich der Kontaktfläche (18) spanend abgeschrägt wird.
Elektrischer Leiter (10), insbesondere mehrteilige Elektrode (10) zum Induktionsschweißen, mit einem Grundkörper (12, 14, 16) aus Kupfer sowie wenigstens einer elektrischen Kontaktfläche (18) zum elektrischen Kontaktieren eines weiteren Leiters, welche mit einer Silberlegierung (20) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberlegierung (20) durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist.
Elektrischer Leiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberlegierung Nickel enthält.
Elektrischer Leiter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kantenbereich (28) des Grundkörpers (12, 14, 16) im Bereich der Kontaktfläche (18) abgeschrägt ist.