DE1458477B2

DE1458477B2 - Verfahren zur herstellung eines durchdringungsverbundmetalls mit schichtweise verschiedener zusammensetzung fuer hochbelastbare elektrische kontakte

Info

Publication number: DE1458477B2
Application number: DE19641458477
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. techn. habil. 8500 Nürnberg Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-05-15
Filing date: 1964-05-15
Publication date: 1973-05-10
Also published as: US3360348A; CH470741A; AT271920B; GB1113794A; DE1458477A1

Description

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im Sintergerüst ein Gradient im Raumerfüllungsgrad mit jeweils niedrigeren Preßdrücken als die vorherdes hochschmelzenden Metalls in Preßrichtung aus- gehende Schicht gepreßt.

bildet und daß das Sintergerüst in einem einzigen Bei Verwendung von Pulvermischungen ver-Tränkvorgang mit einem Metall hoher elektrischer schiedener Zusammensetzung werden die aufLeitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, getränkt wird, 5 einandergefüllten Schichten gemeinsam mit einem so daß nach der Tränkung ein entgegengesetzter Preßdruck beidseitig gepreßt.

Gradient des Tränkmetalls besteht. Bei der Verwendung unterschiedlicher Preßdrücke

Es war überraschend, daß ein derartig hergestelltes für die einzelnen Schichten werden die vorhergehen-

Sintergerüst durch einen einzigen Tränkvorgang den Schichten beim Pressen der nachfolgenden

praktisch porenfrei getränkt werden kann. Bekannt- io Schicht praktisch nicht komprimiert, und der Preß-

lich sind zur vollständigen Tränkung des Poren- druck wird für die Verzahnung der Grenzschichten

volumens eines Sintergerüstes je nach Porengrößen- ausgenutzt. Die mechanische Verzahnung zwischen

verteilung bestimmte Tränkbedingungen (Temperatur den einzelnen Schichten kann noch durch Auflockern

und Zeit) erforderlich. Dabei ist darauf zu achten, der jeweiligen mit der Nachfüllschicht zu versehenden

daß die benetzenden Oberflächen des Gerüstes frei 15 Preßoberfläche, z. B. mittels einer Drahtbürste, ver-

von Oxidschichten sind. Bei einem schichtförmig bessert werden.

aufgebauten Sintergerüst mit unterschiedlichem An sich ist man bei der Herstellung von Verbund-Raumerfüllungsgrad an hochschmelzender Korn- metallen für Kontaktkörper bestrebt, während des ponente ist auch die Porengrößenverteilung der der Sinterung vorausgehenden Preßvorganges eine einzelnen Schichten unterschiedlich. Bei der Wahl 20 möglichst hohe Vorverdichtung zu erzielen, weil der der günstigsten Tränkbedingungen für einen derartig Sinterprozeß Wärme und Zeit erfordert und außerschichtweise aufgebauten Sinterkörper lassen sich dem der Sinterschrumpf um so größer ist, je kleiner diese nur für eine Schicht optimal festlegen, während der Raumerfüllungsgrad des Preßkörpers ist. Diesdiese Bedingungen für die anderen Schichten nicht bezügliche, im Hinblick auf die einseitige Veroptimal sind und zu einer nicht vollständigen 25 dichtung entstehende Bedenken können dadurch Tränkung führen. Es hat sich nun überraschender- überwunden werden, daß die Zusammensetzung des weise gezeigt, daß eine vollständige Tränkung eines Preßkörpers bzw. der zu verpressenden Pulvermehrschichtigen Gerüstes mit schichtweise unter- mischung und die Preß- und Sinterbedingungen so schiedlichem Raumerfüllungsgrad und Porengrößen- gewählt werden, daß das Sinterskelett eine hohe verteilung in einem einzigen Tränkvorgang zu einem 30 Gerüstfestigkeit ohne nennenswerten Sinterschrumpf, porenfreien Durchdringungsverbundmetall bei Ein- vorzugsweise bei guter Benetzbarkeit, aufweist. Hierhaltung der erfindungsgemäßen Bedingungen, näm- bei wird das Durchdringungsverbundmaterial in an lieh einem Zusatz von Tränkmetall und darüber hin- sich bekannter Weise aus einem unter Auftreten aus eines Metallzusatzes, der die Benetzung ver- einer flüssigen Phase gebildeten, einseitig verdichteten bessert, bereits zum Sintergerüst erzielt werden kann. 35 Sintergerüst mit überwiegendem Gehalt an Wolfram ; Dadurch wird erreicht, daß das Tränkmetall nicht und den Restbestandteilen Kupfer und Nickel her- ! die Oberfläche des hochschmelzenden Metalls be- gestellt und als Tränkmetall Kupfer oder Silber oder j netzen muß, sondern einen Überzug aus einer eine Legierung dieser Metalle verwendet.
Legierung des Tränkmetalls und der Benetzungs- Es hat sich gezeigt, daß bei derartig aufgebauten komponente auf der Gerüstoberfläche des hoch- 40 Durchdringungsverbundmetallen an den einen Minschmelzenden Metalls. Würde man die für schicht- destgehalt an Sintergerüstkomponente aufweisenden weise aufgebaute Einlagerungsverbundmetalle be- Stellen unter Umständen bis zu einer solchen minikannten Verfahrensschritte auf Durchdringungs- malen Preßdichte heruntergegangen werden kann, ; verbundmetalle mit schichtweise verschiedener Zu- daß die Kantenfestigkeit des dem Sintervorgang zusammensetzung übertragen, so würden die einzeln 45 zuführenden Preßkörpers gerade noch gewährgepreßten, gesinterten und getränkten Schichten auf- leistet ist.

; einandergepreßt und in einer weiteren Wärme- Hierbei macht die Erfindung von der an sich be-

behandlung oberhalb der Schmelztemperatur des kannten Erkenntnis Gebrauch, daß das Sinterskelett

Tränkmetalls unterzogen. Bei einer derartigen Ver- eines Durchdringungsverbundmetalls mit einer hohen

fahrensweise wird der Übergang von einer Schicht 50 Gerüstfestigkeit unter Vermeidung einer Dicht-

zur anderen durch eine Tränkmetallschicht gebildet. Sinterung sowie mit einer guten Benetzbarkeit ver-

Solche Zwischenschichten würden den Kontaktkörper sehen werden kann, wenn ein unter Auftreten einer

für hohe Belastungen unbrauchbar machen, weil, flüssigen Phase gebildetes Wolfram-Sintergerüst mit

wegen der durch den Lichtbogen verursachten hohen einem Gehalt von 1 bis 5 % Kupfer und 0,5 bis 2 %

Temperaturen, diese Zwischenschichten aufschmelzen 55 Nickel verwendet wird. Die Benetzbarkeit läßt sich

würden. bekanntlich dadurch noch steigern, daß dem Tränk-

Um im Sintergerüst bereits einen Gradienten im metall kleine Metallzusätze, z. B. Zink oder Zinn,

Raumerfüllungsgrad des hochschmelzenden Metalls beigefügt werden. Ein solches Durchdringungs-

in Preßrichtung zu erzielen, kann z. B. von einer verbundmetall kann in der Weise hergestellt werden,

Pulvermischung einheitlicher Zusammensetzung oder 60 daß eine Pulvermischung aus 98,5 bis 93 % Wolfram,

von Pulvermischungen verschiedener Zusammen- 1 bis 5 % Kupfer, Rest 0,5 bis 2 % Nickel zu einem

Setzung ausgegangen werden. Skelett gepreßt, bei einer Temperatur vorzugsweise Bei Verwendung einer Pulvermischung einheit- zwischen 1150 und 1350⁰C gesintert und an-

licher Zusammensetzung wird eine erste Pulver- schließend als Skelett mit Tränkmetall versehen wird,

schicht mit dem höchsten Preßdruck gepreßt. Hier- 65 Die Sinterung des Skeletts wird in reduzierender oder

auf wird eine auf die erste Schicht aufgefüllte zweite inerter Atmosphäre oder im Vakuum durchgeführt.

Pulverschicht mit einem kleineren Preßdruck ge- Die Tränkung kann als Unterlage-, Auflage- oder

preßt. Die jeweils folgenden Pulverschichten werden Tauchtränkung, gegebenenfalls im Überschuß zur

Bildung leicht lötbarer Schichten, durchgeführt werden.

An Hand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläuert.

Die Figur zeigt im Schnitt eine Preßvorrichtung, bestehend aus der Matrize 1, dem Unterstempel 2 und dem Oberstempel 3. In dieser Preßvorrichtung ist ein fünfschichtiger Preßkörper 10 durch fünfmaliges Pressen der einzelnen Schichten 10 a, IO b, 10 c, 10 d, 10 e entstanden. Die unterste Schicht 10 α ίο wird mit dem höchsten Preßdruck, die folgenden Schichten werden mit abfallendem Preßdruck und die oberste Schicht 1Oe wird mit dem niedrigsten Preßdruck verdichtet. Zur guten Verzahnung der einzelnen Schichten wird die jeweilige Preßoberfläche mit einer Drahtbürste aufgelockert und darauf die nächste Pulverschicht gefüllt. Der mehrschichtige Preßkörper wird anschließend gesintert und dieses Sintergerüst mit einem Metall getränkt. Die unterste Schicht 10 α hat den höchsten Gehalt z. B. an Wolfram und den kleinsten Gehalt an Tränkmetall, z. B. Kupfer. Die oberste Schicht 10 e, die mit dem niedrigsten Druck gepreßt wurde, hat den niedrigsten Gehalt an Wolfram und den höchsten Gehalt an Tränkmetall. Der Einsatz des so hergestellten Durchdringungsverbundmetalls als hochbelastbarer Kontakt erfolgt mit der abbrandfesteren, wolframreicheren Seite 10 α als Kontaktoberfläche. Die kupferreichere Gegenseite 10 e besitzt Löteigenschaften und kann mit Hartlot auf die üblichen Trägermetalle gelötet werden.

In der gleichen Weise können Durchdringungsverbundmetalle der Systeme Me₁-Me₂ und Me₁-Me₂-Me₃ hergestellt werden (Me₁: W, Re, Mo od. dgl., Me₂ : Cu, AG oder deren Legierungen und Me₃: Ni, Cu oder Cr).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 W-Ag 90/10, 80/20, 70/30 und 60/40 hergestellt Patentansprüche: werden. Bei der Herstellung werden Teilstücke aus Pulvermischungen entsprechender Zusammensetzung

1. Verfahren zur Herstellung eines Durch- gepreßt und vorgesintert, dann zu einem Gesamtdringungsverbundmetalls mit schichtweise ver- 5 körper zusammengesetzt, nachgepreßt und nachschiedener Zusammensetzung für hochbelastbare gesintert. Die Sinterkörper sind nicht getränkt. Nachelektrische Kontakte, dadurch gekenn- teilig hierbei ist, daß der erforderliche hohe Preßzeich η e I, daß eine Pulvermischung aus über- und Nachpreßdruck einen starken Verschleiß der wiegend hochschmelzendem Metall aus Wolfram, Preßwerkzeuge zur Folge hat.

Rhenium oder Molybdän, einem Metall hoher io Trotz des so hohen Nachpreßdruckes haben die

elektrischer Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, Einlagerungsverbundmetalle noch eine Restporosität

und einem Metallzusatz zur Verbesserung der von einigen Prozent. Sie besitzen daher nicht die

Benetzung, wie Nickel, Kobalt oder Chrom, höchstmögliche Abbrandfestigkeit.

schichtweise zu einem Gerüst gepreßt und ge- Es ist auch bekannt (»Berg- und Hüttenmännische

sintert wird, derart, daß sich im Sintergerüst ein 15 Monatshefte«, 94 [1949], Seiten 284 bis 294), daß

Gradient im Raumerfüllungsgrad des hoch- bei der Herstellung von Tränklegierungen für den

schmelzenden Metalls in Preßrichtung ausbildet Tränkvorgang und die Eigenschaften der Tränk-

und daß das Sintergerüst in einem einzigen legierung der Porositätsgrad des Skelettkörpers ent-

Tränkvorgang mit einem Metall hoher elek- scheidend ist, der von der Höhe des Preßdruckes,

trischer Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, ge- 20 von der Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung

tränkt wird, so daß nach der Tränkung ein ent- sowie von der Teilchenform des Ausgangspulvers ab-

gegengesetzter Gradient des Tränkmetalls besteht. hängt. Weiterhin ist es bekannt, daß die Tränkung

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- dadurch zu erleichtern und zu verbessern ist, daß kennzeichnet, daß bei Verwendung einer Pulver- die Netzbarkeit verbessert wird, indem dem Skelettmischung einheitlicher Zusammensetzung eine 25 körper Metalle zulegiert werden, die auch mit dem erste Pulverschicht mit dem höchsten Preßdruck Tränkmetall legieren.

gepreßt, hierauf eine auf die erste Schicht auf- Durch die USA.-Patentschrift 1 395 269 ist begefüllte zweite Pulverschicht mit einem kleineren kannt, Sinter-Tränkkörper für elektrische Kontakte Preßdruck und jeweils die folgenden Pulver- herzustellen, wobei ein Sinterskelett aus hochwärmeschichten mit jeweils niedrigerem Preßdruck als 30 beständigem Material, wie Wolfram, mit einem die vorhergehende Schicht gepreßt wird. niedriger schmelzenden Material getränkt wird. Nach

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- dem Tränkvorgäng ist der Kontaktkörper derart aufkennzeichnet, daß bei Verwendung von Pulver- gebaut, daß die Kontaktoberfläche, d. h. die Arbeitsmischungen verschiedener Zusammensetzung die fläche, vollständig aus dem niedriger schmelzenden aufeinandergefüllten Schichten gemeinsam ' riiit 35 Material besteht und daß unterhalb dieser Fläche bis einem Preßdruck beidseitig gepreßt werden. ^: ■ zu einer geringen Tiefe die Poren des Skelettkörpers

mit dem niedriger schmelzenden Material voll getränkt sind. Bei entsprechend langer Dauer des

Tränkvorganges kann erreicht werden, daß der

40 Skelettkörper auch durchtränkt wird. Jedoch ist hierbei noch eine erhebliche Restporosität vorhanden. In

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur - allen Fällen ist die Tränkung in der Nähe der Kon-Herstellung eines Durchdringungsverbundmetalls mit taktoberfläche vollständiger als weiter im Inneren schichtweise verschiedener Zusammensetzung für des Kontaktkörpers. Die Zusammensetzung des Konhochbelastbare elektrische Kontakte. 45 taktes variiert stufenweise von der Oberfläche nach

Von elektrischen Kontakten für hohe elektrische innen. Ein derartig hergestelltes Kontaktmaterial ist Belastungen verlangt man eine hohe Abbrandfestig- jedoch nicht für hochbelastbare Kontakte geeignet, keit gegen beim Schalten entstehende Lichtbogen Bei sehr hohen Schaltströmen verdampft die aus und eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Diese Eigen- reinem Tränkmetall bestehende Arbeitsfläche wegen Schaftskombination wurde mit Hilfe von Verbund- 50 der durch den Lichtbogen hervorgerufenen erhebstoffen (z. B. W-Cu oder W-Ag) zu erreichen ver- liehen Temperatur.

sucht. Frühzeitig wurde auf zusammengesetzte Kon- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

takte übergegangen, bei denen die abbrandgefährde- Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, ein ten Stellen durch ein abbrandfestes Material armiert Durchdringungsverbundmetall mit schichtweise versind; davon getrennt führt im geschlossenen Zustand 55 schiedener Zusammensetzung für hochbelastbare der Kontakte ein gut leitendes Material den Dauer- elektrische Kontakte herzustellen, welches eine strom. höchstmögliche Abbrandfestigkeit aufweist und bei

Auch sind für hochbelastete elektrische Kontakte einer hohen Belastung die dabei auftretenden hohen bereits mehrschichtige Einlagerungs-Verbundmetalle Temperaturen ohne Aufschmelzerscheinungen ausaus W-Ag bekannt (»Elektrotechnik«, Bd. 6, 1952, 60 hält.

S. 552), bei denen der Metallgehalt einer Korn- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

ponente ansteigt. Diese Kontaktstücke sind als Preß- löst, daß eine Pulvermischung aus überwiegend Sinterkörper hergestellt. Von Schicht zu Schicht hochschmelzendem Metall aus Wolfram, Rhenium ändern sich die Eigenschaften mit zunehmendem oder Molybdän, einem Metall hoher elektrischer Wolframgehalt (Anstieg der Härte, Anstieg der 65 Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, und einem Dichte und Abbrandfestigkeit bei gleichzeitiger Ab- Metallzusatz zur Verbesserung der Benetzung, wie nähme der elektrischen und Wärmeleitfähigkeit). Nickel, Kobalt oder Chrom, schichtweise zu einem Es kann so z. B. ein Mehrschichtenkontakt aus Gerüst gepreßt und gesintert wird, derart, daß sich