DE2813087A1 - Kontaktelement aus feinwanderungsbestaendigem kontaktmaterial und herstellungsverfahren hierzu - Google Patents
Kontaktelement aus feinwanderungsbestaendigem kontaktmaterial und herstellungsverfahren hierzuInfo
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Description
A 795 - 4 -
Anmelder: G. Rau, Pforzheim
Kontaktelement aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial
und Herstellungsverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft ein Kontaktmaterial aus feinwanderungsbeständigem
Kontaktmaterial, welches als Verbundwerkstoff in überwiegendem Gewichtsanteil mindestens zwei ineinander
lösliche metallene Komponenten enthält, von denen wenigstens die eine aus einem Edelmetall besteht.
Bei elektrischen Schaltkontakten tritt insbesondere bei Gleichstrombelastung eine Feinwanderung an den Kontaktflächen
ein, welche bei bewährten Kontaktwerkstoffen eine starke Spitzen- und Kraterbildung verursacht, die zu einer
vorzeitigen Zerstörung des Kontaktelementes führen kann. Diese Materialwanderung, die meist in der Richtung von
Anode zur Kathode erfolgt, ist eine von der Struktur des Kontaktwerkstoffes abhängige Eigenschaft, die von der Art
der Einlagerung der metallenen Komponenten abhängt.
Als feinwanderungsbeständige Kontaktwerkstoffe sind Legierungen
AuCo und PdCu bekannt. Nachteilig ist hierbei der relativ hohe Edelmetallbedarf, da der für die gewünschten
Eigenschaften erforderliche Gefügeaufbau nach dem Zustandsdiagramm der entsprechenden Legierungen nur mit einem bestimmten
Edelmetallanteil erreicht werden kann. Diese feinwanderungsbeständigen Legierungen, in denen die metallenen
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Komponenten in einem durch das Zustandsdiagramm vorgegebenen thermodynamisch stabilen Ordnungs- bzw. heterogenen
Zustand vorliegen, zeigen zusätzlich eine schlechte Verarbeitbarkeit, die beispielsweise bei der herkömmlichen
Herstellung plattierter Kontaktniete mit einer Kontaktauflage aus der Legierung PdCu 60/40 aufwendige Plattierverfahren
erfordert.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Kontaktelement
aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial
zu schaffen, welches bei relativ geringem Edelmetallgehalt eine gute Verarbeitbarkeit, insbesondere eine gute Verschweißung
mit Kontaktträgern, ermöglicht. Zur lösung dieser Aufgabenstellung ist vorgesehen, daß die ineinader vollständig
löslichen metallenen Komponenten in dem Verbundwerkstoff heterogen als reine Metallkomponenten eingelagert sind« Überraschend
hat es sich gezeigt, daß solche VerbundwerkstoffeP
die somit in einem thermodynamisch instabilen Zustand vor« liegen, eine geringe Materialwanderung im Vergleich mit
den entsprechenden homogenen Legierungen (Mischkristalle gleicher Zusammensetzung) aufweisen,. Der Verbundwerkstoffp
welcher als mehrphasiger Werkstoff die beteiligten Komponenten in metallen reiner Form enthält, besitzt gegenüber
dem homogenen Mischkristall zusätzliche Vorteile höherer
elektrischer und Wärmeleitfähigkeit,,
Die heterogene Einlagerung der N'Hallkomponente kann zweckmäßig in der Weise erfolgen^ daß der Verbundwerkstoff
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ein die ineinander löslichen Komponenten als Matrix und Fasern enthaltender Faserverbundwerkstoff ist. Dabei erscheint
es gegebenenfalls zweckmäßig, eine Vielzahl von Fasern einzubetten, deren Faserdurchmesser in der Größenordnung
von 0,001 bis 0,1 mm liegt. Es sind sowohl gleichmäßige Faserdurchmesser aller Fasern als auch in bestimmten
Anwendungsfällen Fasern unterschiedlichen Faserdurchmessers vorteilhaft verwendbar.
Der Edelmetallgehalt kann dabei je nach den gegebenen Voraussetzungen zwischen 8 Gew.# und 70 Gew.# liegen.
Anstelle eines Faserverbundwerkstoffes erscheinen auch andere Verbundwerkstoffe mit heterogener Verteilung der ineinander
löslichen Komponenten zweckmäßig, bei denen insbesondere in die Matrixkomponente metallene Einschlüsse
der anderen Komponente, beispielsweise in Kugel- bzw. Kornform, eingelagert sind.
Bei einem Faserverbundwerkstoff erscheint eine solche Ausbildung zweckmäßig, bei der in Längsrichtung im wesentlichen
parallel liegende, gleichmäßig durchgehende Fasern vorhanden sind.
Zusätzlich zu den beiden ineinander löslichen metallenen Komponenten, von denen wenigstens die eine aus einem Edelmetall
besteht, können noch gegebenenfalls vorteilhaft ande-
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■ 7·
re metallene und/oder nichtmetallene Komponenten in geringerem Anteil eingelagert sein. Beispielsweise erscheint
für bestimmte Anwendungsfälle die Einlagerung von im Verbundwerkstoff
in Längsrichtung liegenden Strängen aus Metallverbindungen, beispielsweise aus SnCL oder aus Graphit zweckmäßig.
Die ineinander löslichen Komponenten des feinwanderungsbeständigen
Kontaktmaterials sind in verschiedenen Kombinationen, beispielsweise Kupfer/Palladium und Palladium/Silber
zweckmäßig wählbar.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes
aus Faserverbundwerkstoff kann dadurch erreicht werden, daß Manteldrähte aus den ineinander löslichen
Komponenten gebündelt und durch spanlose Verformung zu einem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden
werden. In einer Weiterbildung der Erfindung können gemeinsam mit den Manteldrähten Massivdrähte spanlos verformt
werden, welche aus den bereits vorhandenen, ineinander löslichen Komponenten und/oder aus Zusatzkomponenten bestehen.
Eine alternative Ausbildung des Herstellungsverfahrens kann gegebenenfalls zweckmäßig vorsehen,daß die ineinander löslichen
Komponenten als Massivdrähte gemeinsam spanlos verformt und beispielsweise durch Zieh- oder Walzvorgänge miteinander
metallisch verbunden werden.
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Beim Herstellungsvorgang ist darauf zu achten, daß die gegenseitige Diffusion der in heterogener Verteilung vorliegenden
Komponenten, insbeondere die Diffusion von Fasern und Matrix in erforderlichen Grenzen gehalten wird. Eine
Diffusion bewirkt die Bildung von Mischkristallen und wirkt der angestrebten, rein heterogenen Verteilung entgegen. Hierzu
können gegebenenfalls diffusionshemmende Zwischenschichten zur Umkleidung der einen in die Matrix eingelagerten Metallkomponente
verwendet werden«
Neben Faserverbundwerkstoffen mit Kupfermatrix und Palladiumfasern
erscheinen auch solche mit Silbermatrix oder Matrizen aus Kupfer- bzw. Silberlegierungen verwendbar. Bei
einem geringen Edelmetallgehalt von etwa 8 bis 50 Gew.^ Pd
ist die gute Verarbeitbarkeit der damit erzielten Faserverbundwerkstoffe anzumerken. Diese Werkstoffe können ohne
Änderung der Prozeßparamenter auf den üblichen Warm- und Kaltschweißautomaten einfach und kostengünstig zu Bimetallnieten
verarbeitet werden.
Die Erfindung beschreibt den Aufbau eines Kontaktelementes aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial, welches
bei geringem Edelmetallanteil günstige elektrische Eigenschaften sowie hohe Wärmeleitung mit gutber Verarbeitbarkeit
kombiniert.
Ein Kontaktelement aus dem Kontaktmaterial CuPd 33 als
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Faserverbundwerkstoff wurde durch Bündeln und gemeinsame Verformung durch Ziehen von Manteldrähten mit ca. 2mm 0
mit Palladiumkern und Kupfermantel entsprechender Zusammensetzung (67 Gew.^ Cu, 33 Gew.$ Pd) in mehreren, z.B.
in 10 Ziehvorgängen, hergestellt. Durch übliche Verfahren der Kaltumformung wurden Kontaktniete aus diesem feinwanderungsbeständigen
Kontaktmaterial hergestellt.
Die Prüfung erfolgte in handelsüblichen Relais bei 14 V Gleichstrom und Schaltkreisinduktivitäten von 1 bis 150 mH.
Unter den üblichen Veränderungen der Schaltbedingungen ergab sich ein geringer und völlig flächenhafter Abbrand der
Kontaktteile ohne Spitzen- und Kraterbildung bei gleichbleibend niedrigem Kontaktwiderstand. Werkstoffe gleicher
Zusammensetzung in dem nach dem Zustandsdiagramm thermodynamisch stabilen, homogenen Zustand (einphasige Legierungen)
zeigten dagegen bei gleicher Belastung ein stark zerklüftetes Aussehen mit erhöhten Abbrandverlusten.
Ein Kontaktelement nach dem Ausführungsbeispiel I wurde durch ein übliches automatisches Warmschweißverfahren zu
plattierten Kontaktnieten mit Kupferschaft verarbeitet. Homogene Werkstoffe gleicher Zusammensetzung ließen sich
nicht hinreichend mit dem Kupferschaft verbinden,, Die
Prüfung unter elektrischer Schaltbelastung ergab die gleichen Ergebnisse wie im Ausführungsbeispiel I0
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26 13087
- ίο -
Die beigefügte Zeichnung stellt vergrößert einen Kontaktniet dar, welcher eine Kontaktauflage aus einem Faserverbundwerkstoff
aufweist, bei dem in Längsrichtung parallel liegende Palladiumfasern in ein Kupfermatrixmaterial im
wesentlichen senkrecht zur Kontaktfläche eingelagert und mit dem Matrixmaterial metallisch verbunden sind.
Claims (13)
1.,Kontaktelement aus feinwanderungsbeständigem Kontaktmaterial,
welches als Verbundwerkstoff in überwiegendem Gewichtsanteil mindestens zwei ineinander lösliche
metallene Komponenten enthält, von denen wenigstens die eine aus einem Edelmetall besteht, dadurch
gekennzeichnet , daß die ineinander löslichen metallenen Komponenten in dem Verbundwerkstoff
heterogen als reine Metallkomponenten eingelagert sind.
2. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff
ein die ineinander löslichen Komponenten als Matrix und Fasern enthaltender Faserverbundwerkstoff ist.
3. Kontaktelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von
Fasern eingebettet ist, deren Faserdurchmesser in der Größenordnung von 0,001 bis 0,1 mm liegt.
4. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff
die ineinander löslichen Komponenten als Matrix und metallene Einschlüsse enthält.
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2613Ö87
5. Kontaktelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch
gekennzei chnet, daß die ineinander löslichen Komponenten Kupfer und Palladium sind.
6. Kontaktelement nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinander löslichen
Komponenten Palladium und Silber sind.
7. Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche
der Fasern eine Diffusionshemmschicht vorgesehen ist.
8. Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Faserverbundwerkstoff
in Längsrichtung im wesentlichen parallel liegende, gleichmäßig durchgehende Fasern aufweist.
9. Kontaktelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebetteten
Fasern gruppenweise unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
10. Kontaktelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in Längsrichtung
parallel liegende, durchgehende Stränge aus Metallverbindungen oder Graphit eingebettet sind.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 bis 10, dadurch
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gekennzeichnet, daß Manteldrähte aus den ineinander löslichen Komponenten gebündelt und durch
spanlose Verformung zu einem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß gemeinsam mit den Mantel·= drähten Massivdrähte spanlos verformt werden, welche aue
den ineinander löslichen Komponenten und/oder Zusätzkomponenten bestehen.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die ineinander löslichen Komponenten als Massivdrähte gemeinsam spanlos
verformt und zu einem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden werden.
09840/019?
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