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WO2013030123A1 - Verfahren zur herstellung eines halbzeugs für elektrische kontakte sowie kontaktstück - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines halbzeugs für elektrische kontakte sowie kontaktstück Download PDF

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WO2013030123A1
WO2013030123A1 PCT/EP2012/066534 EP2012066534W WO2013030123A1 WO 2013030123 A1 WO2013030123 A1 WO 2013030123A1 EP 2012066534 W EP2012066534 W EP 2012066534W WO 2013030123 A1 WO2013030123 A1 WO 2013030123A1
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WO
WIPO (PCT)
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silver
block
contact material
powder
carrier layer
Prior art date
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PCT/EP2012/066534
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Schmidt
Werner Roth
Alexander Schade
Peter Seipel
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Umicore AG and Co KG
Original Assignee
Umicore AG and Co KG
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Filing date
Publication date
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Priority to JP2014526514A priority patent/JP2014531700A/ja
Priority to CN201280041325.3A priority patent/CN103764319A/zh
Priority to EP12751331.5A priority patent/EP2747917A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12896—Ag-base component

Definitions

  • Adhesive strength in this method does not always meet the requirements. It is also known a method for the production of
  • the object of the invention is to provide a way, such as
  • a strand-shaped semifinished product for electrical contacts can be produced at low cost, which has a top intended for the electrical contact of a contact material based on silver and a bottom of a carrier material, in particular silver or a silver alloy.
  • a process for producing a strand-shaped, in particular band-shaped, semi-finished product for electrical contacts wherein the semifinished product has a specific for the electrical contact top of a contact material based on silver, in which one or more metal oxides or carbon are embedded, and one
  • the carrier layer consists of silver, copper, nickel, aluminum, iron and their base alloys.
  • Contact material is a metallic powder mixture or sheets or films of silver, copper, nickel, aluminum, iron or their base alloys is used.
  • Silver based contact material Silver powder or silver based alloy powder is used. 8. Method according to one of the preceding points, characterized
  • the extrusion is carried out at temperatures of 600 ° C to 950 ° C, in particular 700 ° C to 850 ° C.
  • Compressing the metal powder to obtain a composite block can be performed simultaneously.
  • Composite block of contact material 201 which is partially enclosed by a carrier material 202, wherein the wrap angle in Figure 2a is 270 °, in 2b 180 ° and in Figure 2c 90 °.
  • a block is made of a silver-based contact material, the manufactured block is partially encased with silver powder or silver-based alloy powder and pressed to compact the powder clad.
  • a contact material which is a silver-metal oxide composite may be used.
  • Tin oxides, zinc oxide, indium oxide, tellurium oxide, copper oxide, cadmium oxide, bismuth oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide or combinations thereof may, in particular, be used as metal oxides. It is possible that the contact material used contains several metal oxides. Likewise it is possible that the contact material only a single metal oxide contains.
  • the metal oxide component of the contact material preferably consists predominantly of tin oxide.
  • the silver-based contact material used may also contain carbon, for example in the form of graphite or tungsten carbide. Other contact materials may, for example, be silver with tungsten carbide, silver with tungsten carbide and carbon, silver with tungsten.
  • contact materials can be used in combination with a material as a carrier layer.
  • Suitable materials for the carrier layer are silver, copper, nickel, aluminum, iron and their base alloys. Also suitable are silver-based alloys, such as silver-nickel alloys or silver-nickel alloys with 20%
  • Nickel content (AgNi20), but also alloys of copper with nickel, copper with silver or copper with tin, bronzes or brass. If base metals are used as the material of the carrier layer or if base metals are present, as for example in silver-nickel alloys, then further processing may take place under
  • Oxygen exclusion take place, which is e.g. can be achieved by working in a nitrogen atmosphere or powder metallurgical processing by using an organic coating of the powder particles as a sintering aid.
  • the block of contact material can be produced by powder metallurgy.
  • these steps of manufacturing the contact material block and the step of partially cladding with silver powder or silver base alloy powder and pressing may be both sequential and simultaneous.
  • the block of contact material can be made, for example, by silver powder mixed with metal oxide powder, such as metal oxide powders of tellurium, indium, tin, zinc, copper, cadmium, bismuth, molybdenum, tungsten or combinations thereof, pressed and then sintered.
  • metal oxide powder such as metal oxide powders of tellurium, indium, tin, zinc, copper, cadmium, bismuth, molybdenum, tungsten or combinations thereof, pressed and then sintered.
  • silver powder is mixed with a base metal powder such as tellurium, indium, tin, zinc, copper, cadmium, bismuth, molybdenum, tungsten or combinations thereof, pressed and then oxidized
  • a base metal powder such as tellurium, indium, tin, zinc, copper, cadmium, bismuth, molybdenum, tungsten or combinations thereof, pressed and then oxidized
  • Metal particles Metal oxide particles are formed.
  • an alloy of silver with one or more base metals in particular tellurium, indium, tin, zinc, copper, cadmium, bismuth, molybdenum, tungsten or combinations thereof, is obtained by fusion metallurgy and subsequently heat-treated in an oxidizing atmosphere. so that metal oxide particles are formed by oxidation of the base metal particles.
  • the block of contact material may optionally be subjected to a heat treatment to increase the ductility which causes coarsening of the oxides by Ostwald ripening and thereby
  • the block of contact material with the material of the carrier layer is partially encased.
  • the block may be partially encased with a copper or silver powder, or powder of a silver-based alloy, and then pressed to compact the powder cladding.
  • the pressing can be done isostatically, namely cold or hot isostatic.
  • Suitable as the material of the carrier layer are silver, copper, nickel, aluminum, iron and their base alloys as described above. If an alloy is used as the material of
  • Carrier layer used so alloy powder or mixtures of element powders can be used and are equally suitable.
  • the following step of partially enclosing may also be carried out so that a part of the surface of the block is removed from a contact material to the desired depth and then replenished with the material of the carrier layer.
  • the powder of the material of the carrier layer (such as silver, copper, nickel, aluminum, iron) can also be mixed with other metal powder so as to powder metallurgical way a coat of a base alloy, ie an existing predominantly of this metal alloy produce.
  • a silver powder mixed with a base metal powder such as e.g. Nickel can be used as a
  • Material of the support layer for example, to obtain a silver-based alloy such as AgNi20.
  • the material of the carrier layer can be applied in the form of one or more correspondingly shaped sheets, which fill up the removed part again.
  • Such sheets can be prepared by conventional methods such as sintering, optionally with powder backing, Welding, isostatic pressing, screws or the like are attached.
  • the above embodiments describe a sequential procedure. If the production of the block of contact material and partial sheathing and pressing carried out simultaneously, so may be a powder of a contact material or a mixture of
  • Silver powder can be used with metal oxide powder, such as mixtures with metal oxide powders of tellurium, indium, tin, zinc, copper, cadmium, bismuth, tungsten, molybdenum or their
  • Combinations and be filled in a form provided with dividing plates. At the same time or in a subsequent step, the
  • Powder bed or the mixture of contact material or
  • Silver powder and metal oxide powder partially with a powder of the material of the support layer (such as silver powder or powder of a
  • Silver-based alloy is partially encapsulated by filling the powder of the material of the carrier layer in the region separated by baffles from the powder for producing the contact material, removing the baffles, and then compacting the
  • Powder mantle is pressed to obtain a (pressed) composite block.
  • the material of the carrier layer in the form of one or more appropriately shaped sheets or foils can be inserted into the mold and the powder for
  • the composite block 100 consists of a part
  • Carrier material 102 Connecting the center 103 of the
  • Wrap angle ⁇ When wrapping (ie a complete enclosure) of a block of contact material with the carrier material of the wrap angle is always 360 °, with a partial sheathing, it is therefore less than 360 °.
  • the wrap angle between 90 ° and 270 °, in a further embodiment of the invention between 120 ° and 180 ° and in another embodiment of the invention between 100 ° and 130 °.
  • Figure 2 are different angles of wrap of 270 °, 180 ° and 90 ° at one
  • the pressing of the powder can be at all above
  • isostatic pressing can be performed at room temperature (cold isostatic) or at elevated temperatures (hot isostatic). In this way, a composite block is obtained.
  • the (advantageously cold isostatically pressed) composite block is sintered in a further production step and then by
  • the sintering should be done in an atmosphere in which the base metal does not oxidize and the
  • Metal oxides can not be decomposed, such as in a vacuum or under
  • the contact material and the carrier material have different shrinkages during sintering or pressing, warping and cracking during sintering can easily occur.
  • the sintered composite block obtained by sintering is low-distortion and crack-free. This can be done by the pressed composite block is pressed high density, which can be done for example by hydraulic pressing at pressures of 1000 to 10000 bar, or 500 bar to 2000 bar and temperatures from room temperature, ie about 20 ° C, to 500 ° C.
  • the shrinkage behavior during pressing and sintering by tuning the materials
  • the vote can often be made only on the substrate.
  • the vote may be about the stoichiometry of the
  • Carrier material controls and, for example, a
  • Silver-based alloy can be used.
  • silver-nickel alloys such as silver-nickel alloys containing 20% nickel (AgNi20) are suitable. These can either be melted and atomized used as a powder, but can also be obtained via a metallic powder mixture of elemental powders of silver and nickel.
  • silver with oxide additives for example tin oxide. The oxide can be obtained via a powder mixture of the oxide with silver, wherein the oxide should be added in smaller amounts than in the contact material to the welding or Solderability does not deteriorate significantly.
  • the possibility of controlling the shrinkage behavior is the selection of the powder particle size.
  • Carrier material having a particle size larger than the particle size of the metal powder for the production of the contact material can be achieved.
  • Alloy powder for the preparation of the carrier material has a mean particle size D50 of> 50 ⁇ and the metal powder for the
  • Production of the contact material have a mean particle size D50 of 1 - 20 ⁇ have.
  • the material of the carrier layer (silver or silver-based alloy) generally already adheres sufficiently strongly to the block, so that it is shaped and thus processed
  • Composite block with rectangular cross-section produced and further processed. This procedure facilitates the Alignment of the part of the composite block with the material of the carrier layer with respect to the die of the extruder and has certain advantages when using composite blocks with weights up to about 10 kg.
  • the (sintered) composite block is in another
  • the composite block is usually heated to temperatures of 600 ° C to 900 ° C or 700 ° C to 800 ° C and in one at 300 ° C to 600 ° C, usually 450 ° C to 550 ° C, such as about 500 ° C, preheated
  • Extruded container inserted. It can be used both direct and indirect composite extrusion, which can be achieved with the indirect composite extrusion presses good results, as by indirect composite extrusion in the
  • Aluminum, iron and their base alloys such as silver-nickel alloys or silver-nickel alloys with 20% nickel content (AgNi20), alloys of copper with nickel, copper with silver or copper with tin, bronze or brass.
  • the extrusion is preferably carried out at temperatures of 600 ° C to 950 ° C, in particular 700 ° C to 850 ° C.
  • extrusion can advantageously be achieved high compression, so that the strand has a relative density of 99.9% of the theoretically possible density.
  • the extrusion molding process can be achieved by further adjustments such as the die design (adjustment of lead-in angle and guide length) as well as the pressing parameters during extrusion (adjusting the die design).
  • Block diameter to block length to the specific ones
  • the two flanks of the strand which extend from the contact-making upper side to the well-solderable and weldable underside of the strand, are trimmed,
  • the thickness of the strand produced by extrusion can optionally be reduced by rolling, in particular by cold rolling.
  • a reduction in thickness of at most 50% of the original thickness is recommended for cold rolling in order to avoid an excessive change in the mechanical properties of the semifinished product, such as an increase in hardness.
  • the cold rolling is performed in multiple stages with less thickness reduction and heat treatments.
  • the thickness of the strand in the Rolls reduced by 30 to 50% of its original thickness.
  • the thickness of the strand is reduced to less than half by hot rolling and brought to final gauge by cold rolling. From the strip-shaped or band-shaped semifinished product obtained in this way, electrical contact pieces can be produced by methods known per se, such as by cutting or punching of the semifinished product, and optionally forming the section.
  • cylindrical block made of a contact material based on silver.
  • this block may become 8 through 14
  • the isostatically pressed block is then sintered under air at 800 ° C to 900 ° C, for example for 2 to 5 hours.
  • the sintered block is then turned off if necessary, so that it can be accurately used in an extruder.
  • Process design is a twisting not necessary.
  • the block is then extruded at a temperature of 750 ° C to 800 ° C from its cylindrical shape into a rectangular shape
  • the flanks of the strand thus produced are cut off.
  • the band-shaped semi-finished product produced in this way has a carrier layer whose thickness accounts for about 10% to 30% of the thickness of the contact material layer and can be used for producing electrical contact pieces by rolling to the required final thickness, cut from the semifinished sections and according to the
  • clamped cavity is filled simultaneously a silver powder.
  • Contact material block is coated with silver powder.
  • the block is then extruded at a temperature of 750 ° C to 800 ° C from its cylindrical shape into a rectangular shape
  • the band-shaped semi-finished product produced in this way has a carrier layer whose thickness is about 10% to 30% of the thickness of
  • Contact material layer makes up and can for the production
  • Semi-finished sections are cut off and reshaped according to the requirements of a specific application.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von metallischen Halbzeugen durch Strangpressen, die so erhältlichen Halbzeuge und daraus herstellbare Kontaktstücke.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs für elektrische Kontakte sowie Kontaktstück
Gebiet der Erfindung
Verbundwerkstoffe auf der Basis von Silber mit eingelagerten Oxidoder Kohlenstoffpartikeln (so genannte Kontaktwerkstoffe) lassen sich oft schlecht verschweißen und verlöten. Bei der Herstellung von
Halbzeugen für elektrische Kontakte wird daher die Unterseite, d.h. die dem gegenüberliegenden Kontakt abgewandte Seite, des
Kontaktwerkstoffs mit einer gut löt- oder schweißbaren Trägerschicht versehen, die oft aus Silber oder einer Silberlegierung besteht. Solche Trägerschichten werden oft durch Aufplattieren eines Silberbandes auf Kontaktwerkstoffe aufgebracht. Nachteilig ist hierbei, dass die
Haftfestigkeit bei diesem Verfahren nicht immer den Anforderungen genügt. Bekannt ist es auch eine Verfahren zur Herstellung von
Einzelkontakten, wobei auf eine Schicht aus Silberpulver eine Schicht aus Kontaktwerkstoffpulver aufgebracht, beide Pulverschichten gemeinsam verpresst und gesintert und so ein Halbzeug mit einer Vorderseite aus Kontaktwerkstoff und einer Rückseite aus löt- bzw. schweißbarem Silber bzw. Silberbasis erzeugt wird. Bandförmiges Halbzeug ist so jedoch nicht erhältlich .
Es ist weiter bekannt, einen Kontaktwerkstoff block mit einem
Silberrohr zu ummanteln und durch Verbundstrangpressen
umzuformen. Durch Längsteilen eines auf diese Weise hergestellten Verbundstrangs ist ein Halbzeug mit einer Oberseite aus
Kontaktwerkstoff und einer Unterseite aus Silber erhältlich. Herstellung eines geeigneten Silberrohres und Einpassen oder Herstellen eines Kontaktwerkstoffblocks in dem Silberrohr sind jedoch aufwändig. Es ist weiter bekannt, einen Block aus Kontaktwerkstoff mit
Silberpulver zu ummanteln, zu pressen, zu sintern und
strangzupressen, wobei der Strang geteilt wird. Nachteilig ist hierbei, daß eine Matrize mit mehreren Öffnungen verwendet werden muss, was zu kürzeren Halbzeuglängen führt oder ein anschließendes einseitiges Entfernen der Silberschicht auf der späteren Kontaktseite erforderlich ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie
kostengünstig ein strangförmiges Halbzeug für elektrische Kontakte hergestellt werden kann, das eine für die elektrische Kontaktgabe bestimmte Oberseite aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis und eine Unterseite aus einem Trägermaterial, insbesondere Silber oder einer Silberlegierung, aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß derfolgenden Punkte:
1. Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen, insbesondere bandförmigen, Halbzeugs für elektrische Kontakte, wobei das Halbzeug eine für die elektrische Kontaktgabe bestimmte Oberseite aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis hat, in welchem eines oder mehrere Metalloxide oder Kohlenstoff eingelagert sind, und einer den
Kontaktwerkstoff tragenden gut löt- oder schweißbaren Trägerschicht mit den folgenden Schritten: - Herstellen eines Blocks aus dem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis,
- Teilweises Ummanteln des Blocks aus dem Kontaktwerkstoff mit dem Material der Trägerschicht,
- Pressen des ummantelten Blocks zum Verdichten des Metallpulvers, um einen Verbundblock zu erhalten,
- Sintern des gepressten Verbundblocks, um einen gesinterten Verbundblock zu erhalten;
- Umformen des gesinterten Verbundblocks durch Strangpressen. 2. Verfahren nach Punkt 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Block aus dem Kontaktwerkstoff mit einem Metallpulver, welches aus dem Material der Trägerschicht besteht, ummantelt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht aus Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen sowie deren Basislegierungen besteht.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff ein Silber-Metalloxid Verbundwerkstoff ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff auf Silberbasis Zinnoxid und/oder Zinkoxid und/oder Indiumoxid und/oder Kadmiumoxid enthält.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem
Kontaktwerkstoff eine metallische Pulvermischung oder Bleche bzw. Folien aus Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen oder deren Basislegierungen verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem
Kontaktwerkstoff auf Silberbasis Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung verwendet wird. 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch
gekennzeichnet, dass der ummantelte Block isostatisch, vorzugsweise kaltisostatisch, gepresst wird. 9. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch
gekennzeichnet, dass das Strangpressen bei Temperaturen von 600°C bis 950°C, insbesondere 700°C bis 850°C, durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des durch Strangpressen erzeugten Strangs oder eines Teilstrangs durch Walzen reduziert wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flanken des Stranges, welche sich von der Kontakt gebenden Oberseite bis zur von der Trägerschicht gebildeten gut löt- und schweißbaren Unterseite des Stranges erstrecken, getrimmt werden.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Trimmen der Flanken des Stranges durch Schneiden oder Fräsen durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass ein annährend zylindrischer gesinterter Block hergestellt wird, dessen Mantelfläche vor dem Strangpressen abgedreht wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der Block durch das Strangpressen von einer rechteckigen oder zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem Querschnitt umgeformt wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff pulvermetallurgisch erhalten wird.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Schritte
- Herstellen eines Blocks aus dem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis,
- Teilweises Ummanteln des Blocks aus dem Kontaktwerkstoff mit dem Material der Trägerschicht, und
- Pressen des mit dem Metallpulver ummantelten Blocks zum
Verdichten des Metallpulvers, um einen Verbundblock zu erhalten, simultan durchgeführt werden.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerschicht Metalloxide, insbesondere die gleichen Metalloxide wie der verwendete
Kontaktwerkstoff, enthält
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerschicht und der
Kontaktwerkstoff voneinander verschieden sind.
19. Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschlingungswinkel kleiner als 360° oder 90° bis 270° oder 120° bis 180° oder 100° bis 130° beträgt. 20. Halbzeug, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Punkte, insbesondere bandförmiges Halbzeug.
21. Elektrisches Kontaktstück, hergestellt durch Abschneiden vom dem Halbzeug gemäß Punkt 20 und optionalem Umformen des Abschnitts. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt einen zylinderförmigen (=kreisförmiger Querschnitt) Verbundblock 100, der aus einem Kontaktwerkstoff 101 besteht, welcher teilweise von einem Trägermaterial 102 ummantelt ist, wobei der Umschlingungswinkel α den ummantelten Umfang angibt, der durch zwei Linien 104 aufgespannt wird, die mit dem Mittelpunkt des Querschnitts 103 verbunden sind.
Figur 2 zeigt einen quaderförmigen (=rechteckiger Querschnitt)
Verbundblock aus Kontaktmaterial 201, der von einem Trägermaterial 202 teilweise umschlossen ist, wobei der Umschlingungswinkel in Figur 2a 270°, in 2b 180° und in Figur 2c 90° beträgt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei dem Verfahren wird ein Block aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis hergestellt, der hergestellte Block mit Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung teilweise ummantelt und zum Verdichten des Pulvermantels gepresst.
Bei dem Verfahren kann ein Kontakt Werkstoff verwendet werden, der ein Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoff ist. Als Metalloxide können insbesondere Zinnoxid, Zinkoxid, Indiumoxid, Telluroxid, Kupferoxid, Kadmiumoxid, Wismutoxid, Wolframoxid, Molybdänoxid oder deren Kombinationen verwendet werden. Dabei ist es möglich, dass der verwendete Kontakt Werkstoff mehrere Metalloxide enthält. Ebenso ist es möglich, dass der Kontakt Werkstoff nur ein einziges Metalloxid enthält. Bevorzugt besteht die Metalloxidkomponente des Kontaktwerkstoffs überwiegend aus Zinnoxid. Als Alternative oder zusätzlich zu Metalloxiden kann der verwendete Kontaktwerkstoff auf Silberbasis auch Kohlenstoff enthalten, beispielsweise in Form von Grafit oder Wolframcarbid. Andere Kontaktwerkstoffe können zum Beispiel Silber mit Wolframcarbid, Silber mit Wolframcarbid und Kohlenstoff, Silber mit Wolfram sein.
Diese Kontaktwerkstoffe können in Kombination mit einem Material als Trägerschicht eingesetzt werden. Als Material der Trägerschicht geeignet sind Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen sowie deren Basislegierungen. Geeignet sind weiter Silberbasislegierungen, wie Silber-Nickellegierungen oder Silber-Nickellegierungen mit 20%
Nickelanteil (AgNi20), aber auch Legierungen von Kupfer mit Nickel, Kupfer mit Silber oder Kupfer mit Zinn, Bronzen oder auch Messing. Werden unedle Metalle als Material der Trägerschicht verwendet oder sind unedle Metalle enthalten, wie zum Beispiel in Silber- Nickellegierungen, so kann die weitere Verarbeitung unter
Sauerstoffausschluß statt finden, was z.B. durch Arbeiten in einer Stickstoffatmosphäre oder bei pulvermetallurgischer Verarbeitung durch Verwendung eines organischen Überzugs der Pulverpartikel als Sinterhilfsmittel erreicht werden kann.
Der Block aus Kontaktwerkstoff kann pulvermetallurgisch hergestellt werden. Hierbei können diese Schritte des Herstellens des Blocks aus Kontaktwerkstoff und der Schritt des teilweisen Ummanteins mit einem Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung und Pressen sowohl sequentiell als auch simultan erfolgen.
Werden Herstellung des Blocks aus Kontaktwerkstoff und teilweises Ummanteln und Pressen sequentiell durchgeführt, so kann das Herstellen des Blocks aus Kontaktwerkstoff beispielsweise geschehen, indem Silberpulver mit Metalloxidpulver vermischt, wie beispielsweise Metalloxidpulvern von Tellur, Indium, Zinn, Zink, Kupfer, Cadmium, Wismut, Molybdän, Wolfram oder deren Kombinationen, verpresst und anschließend gesintert wird.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird Silberpulver mit einem unedlen Metallpulver wie Tellur, Indium, Zinn, Zink, Kupfer, Cadmium, Wismut, Molybdän, Wolfram oder deren Kombinationen, vermischt, gepresst und anschließend in einer oxidierenden
Atmosphäre gesintert, so dass durch Oxidation der unedlen
Metallpartikel Metalloxidpartikel entstehen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Legierung von Silber mit einem oder mehreren unedlen Metallen, insbesondere Tellur, Indium, Zinn, Zink, Kupfer, Cadmium, Wismut, Molybdän, Wolfram oder deren Kombinationen, schmelzmetallurgisch erhalten und anschließend in einer oxidierenden Atmosphäre wärmebehandelt, so dass durch Oxidation der unedlen Metallpartikel Metalloxidpartikel entstehen. Der Block aus Kontaktmaterial kann optional zur Erhöhung der Duktilität einer Wärmebehandlung unterworfen werden, die eine Vergröberung der Oxide durch Ostwald-Reifung und hierdurch
Verbesserung der Duktilität bewirkt (s. Sakairi et al., Holm Conference on Electrical Contacts - 1982, S. 77-85).
Nachdem auf eine der obigen Weisen ein Block aus einem
Kontaktmaterial erhalten wurde, wird in einem zweiten Schritt der Block aus Kontaktwerkstoff mit dem Material der Trägerschicht teilweise ummantelt. Der Block kann beispielsweise mit einem Kupferoder Silberpulver, oder Pulver aus einer Silberbasislegierung, teilweise ummantelt und anschliessend zum Verdichten des Pulvermantels gepresst werden. Das Pressen kann isostatisch erfolgen, und zwar kalt- oder heißisostatisch. Als Material der Trägerschicht geeignet sind Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen sowie deren Basislegierungen wie oben beschrieben. Wird eine Legierung als Material der
Trägerschicht eingesetzt, so können Legierungspulver oder Mischungen aus Elementpulvern eingesetzt werden und sind gleichermaßen geeignet.
Der folgende Schritt des teilweisen Ummanteins kann aber auch so ausgeführt werden, daß ein Teil der Oberfläche des Blocks aus einem Kontaktmaterial bis zur gewünschten Tiefe entfernt und anschließend mit dem Material der Trägerschicht wieder aufgefüllt wird.
Dies kann durch Pulver aus dem Material der Trägerschicht, also aus Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen sowie deren Basislegierungen geschehen, welches entweder durch thermisches Spritzen wie
Flammspritzen oder Kaltgasspritzen aufgebracht wird oder durch Auffüllen mit einem Pulver aus dem Material der Trägerschicht mit anschließendem Pressen und Sintern. Dem Pulver aus dem Material der Trägerschicht (wie zum Beispiel Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen) kann dabei auch anderes Metallpulver beigemischt sein, um so auf pulvermetallurgischem Weg einen Mantel aus einer Basislegierung, also einer überwiegend aus diesem Metall bestehenden Legierung, zu erzeugen. Beispielsweise kann ein Silberpulver in Mischung mit einem unedlen Metallpulver wie z.B. Nickel eingesetzt werden, um als
Material der Trägerschicht beispielsweise eine Silberbasislegierung wie AgNi20 zu erhalten.
Ebenso kann das Material der Trägerschicht in Form eines oder mehrerer entsprechend geformter Bleche aufgebracht werden, welche den entfernten Teil wieder auffüllen. Derartige Bleche können durch gängige Verfahren wie Sintern, gegebenenfalls mit Pulverunterlage, Schweißen, isostatisches Pressen, Schrauben oder Ähnlichem befestigt werden.
Die vorstehenden Ausführungsformen beschreiben eine sequentielle Vorgehensweise. Werden Herstellung des Blocks aus Kontaktwerkstoff und teilweises Ummanteln und Pressen simultan durchgeführt, so kann ein Pulver aus einem Kontaktwerkstoff oder eine Mischung von
Silberpulver mit Metalloxidpulver eingesetzt werden, wie beispielsweise Mischungen mit Metalloxidpulvern von Tellur, Indium, Zinn, Zink, Kupfer, Cadmium, Wismut, Wolfram, Molybdän oder deren
Kombinationen, und in eine mit Trennblechen versehen Form gefüllt werden. Gleichzeitig oder in einem folgenden Schritt wird die
Pulverschüttung bzw. das Gemisch aus Kontaktwerkstoff oder
Silberpulver und Metalloxidpulver teilweise mit einem Pulver aus dem Material der Trägerschicht (wie Silberpulver oder Pulver einer
Silberbasislegierung) teilweise ummantelt, indem das Pulver des Materials der Trägerschicht in den mit Trennblechen von dem Pulver zur Herstellung des Kontaktwerkstoffes abgetrennten Bereich gefüllt, die Trennbleche entfernt und anschliessend zum Verdichten des
Pulvermantels gepresst wird, um einen (gepressten) Verbundblock zu erhalten.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Material der Trägerschicht in Form eines oder mehrerer entsprechend geformter Bleche oder Folien in die Form eingelegt und das Pulver zur
Herstellung des Kontaktwerkstoffes eingefüllt werden. Das Pressen kann dann isostatisch erfolgen, und zwar kalt- oder heißisostatisch. „Teilweises Ummanteln" ist im Gegensatz zum Ummanteln so zu verstehen, daß ein Teil des Blocks aus Kontaktwerkstoff an der
Oberfläche nicht mit dem Material der Trägerschicht wie beispielsweise dem Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung ummantelt wird, so daß im Verlauf des Verfahrens stets ein Teil des
Kontaktwerkstoffes von Trägermaterial unbedeckt bleibt und freiliegt. Der Grad der Abdeckung des Blockes aus Kontaktwerkstoff wird durch den Umschlingungswinkel angegeben. Dieser ist in Figur 1 näher erläutert. Der Verbundblock 100 besteht zu einem Teil aus
Kontaktwerkstoff 101 und einer teilweisen Ummantelung aus
Trägermaterial 102. Verbindet man den Mittelpunkt 103 des
Querschnitts des Verbundblocks und die äußersten Enden der
Ummantelung durch Geraden, so spannen beide Geraden den
Umschlingungswinkel α auf. Bei der Ummantelung (also einer vollständigen Umschließung) eines Blocks aus Kontaktmaterial mit dem Trägermaterial beträgt der Umschlingungswinkel immer 360°, bei einer teilweisen Ummantelung beträgt er folglich weniger als 360°. In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Umschlingungswinkel zwischen 90° und 270°, in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwischen 120° und 180° und in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwischen 100° und 130°. In Figur 2 sind verschiedene Umschlingungswinkel von 270°, 180° und 90° an einem
Kontaktwerkstoffblock mit rechteckigem Querschnitt dargestellt, wobei der Querschnitt natürlich auch rund sein kann.
Das Pressen der Pulver kann bei allen vorstehenden
Ausführungsformen bei Drücken von 500 bar bis 10000 bar, oder von 500 bar bis 2000 bar, oder 800 bar bis 1200 bar geschehen. Als Pressv erfahren kann isostatisches Pressen Verwendung finden. Das isostatische Pressen kann bei Raumtemperatur (kaltisostatisch) oder bei erhöhten Temperaturen (heißisostatisch) durchgeführt werden. Auf diese Weise wird ein Verbundblock erhalten. Der (vorteilhaft kaltisostatisch gepresste) Verbundblock wird in einem weiteren Herstellungsschritt gesintert und anschliessend durch
Strangpressen umgeformt. Das Sintern sollte in einer Atmosphäre erfolgen, bei welcher das unedle Metall nicht oxidiert und die
Metalloxide nicht zersetzt werden, wie im Vakuum oder unter
Stickstoffatmosphäre. Da das Kontaktmaterial und das Trägermaterial beim Sintern oder Pressen unterschiedliche Schwindungen aufweisen, kann es leicht zu Verzug und Rissbildung beim Sintern kommen. Für das Verfahren kann es jedoch von Vorteil sein, wenn der durch Sintern erhaltene gesinterte Verbundblock verzugsarm und rissfrei ist. Dies kann geschehen, indem der gepresste Verbundblock hochdicht gepresst wird, was beispielsweise durch hydraulisches Pressen bei Drücken von 1000 bis 10000 Bar, oder 500 bar bis 2000 bar und Temperaturen von Raumtemperatur, also etwa 20°C, bis 500 °C geschehen kann. Alternativ dazu kann auch das Schwindungsverhalten beim Pressen und Sintern durch Abstimmen der Materialien
aufeinander kontrolliert werden. Da das Kontaktmaterial meist vorgegeben ist, kann die Abstimmung oft nur über das Trägermaterial erfolgen. Die Abstimmung kann über die Stöchiometrie des
Trägermaterials kontrolliert und beispielsweise eine
Silberbasislegierung eingesetzt werden. Geeignet sind hierbei beispielsweise Silber-Nickellegierungen, wie Silber-Nickellegierungen mit 20% Nickelanteil (AgNi20). Diese können entweder erschmolzen und verdüst als Pulver eingesetzt, aber auch über eine metallische Pulvermischung aus Elementpulvern von Silber und Nickel erhalten werden. Ebenfalls geeignet ist Silber mit Oxidzusätzen, beispielsweise Zinnoxid. Das Oxid kann über eine Pulvermischung des Oxids mit Silber erhalten werden, wobei das Oxid in geringeren Mengen als im Kontaktwerkstoff zugesetzt werden sollte um die Verschweiß- bzw. Verlötbarkeit nicht signifikant zu verschlechtern. Eine weitere
Möglichkeit der Kontrolle des Schwindungsverhaltens ist die Auswahl der Pulverteilchengröße. Hierbei kann ein guter Effekt durch Auswahl eines Metall- oder Legierungspulvers zur Herstellung des
Trägermaterials mit einer höheren Teilchengröße als der Teilchengröße des Metallpulvers für die Herstellung des Kontaktwerkstoffs erzielt werden. Im Allgemeinen kann in diesem Fall das Metall- oder
Legierungspulver zur Herstellung des Trägermaterials eine mittlere Partikelgröße D50 von > 50 μιτι und das Metallpulver für die
Herstellung des Kontaktwerkstoffs eine mittlere Partikelgröße D50 von 1 - 20 μιτι aufweisen.
Nach dem Sintern haftet das Material der Trägerschicht (Silber bzw. Silberbasislegierung) in der Regel bereits ausreichend stark an dem Block, so dass dieser formgebend bearbeitet und damit ein
passgenaues Einsetzen in ein Strangpresswerkzeug erfolgen kann. Beispielsweise kann durch isostatisches Pressen und anschließendes Sintern wie oben beschrieben ein annährend zylindrischer
Verbundblock hergestellt werden, dessen Mantelfläche vor dem
Strangpressen abgedreht werden kann, um eine Reinigung der
Oberfläche zu erzielen oder falls erforderlich eine Anpassung an die Innenabmessungen eines Strangpresswerkzeugs zu bewirken. Dann kann der Verbundblock durch das Strangpressen von einer
zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem Querschnitt, das gewünschte Halbzeug, umgeformt werden. Diese Vorgehensweise besitzt gewisse Vorteile beim Einsatz von Verbundblöcken mit
Gewichten bis etwa 60 kg.
Alternativ dazu kann in einem analogen Verfahren auch ein
Verbundblock mit rechteckigem Querschnitt hergestellt und ebenso weiterverarbeitet werden. Diese Vorgehensweise erleichtert die Ausrichtung des mit dem Material der Trägerschicht belegten Teils des Verbundblocks in Bezug auf die Matrize der Strangpresse und besitzt gewisse Vorteile beim Einsatz von Verbundblöcken mit Gewichten bis etwa 10kg.
Der (gesinterte) Verbundblock wird in einem weiteren
Verfahrensschritt durch Strangpressen umgeformt. Dazu wird der Verbundblock üblicherweise auf Temperaturen von 600°C bis 900 °C oder von 700°C bis 800 °C erhitzt und in einen auf 300°C bis 600 °C, meist 450°C bis 550°C, wie etwa 500°C, vorgeheizten
Strangpresscontainer eingelegt. Es können sowohl direktes als auch indirektes Verbundstrangpressen zur Anwendung kommen, wobei sich mit dem indirekten Verbundstrang pressen gute Ergebnisse erzielen lassen, da durch indirektes Verbundstrangpressen bei der
Warmumformung ein über die Länge gleichmäßigerer Werkstofffluss und Schichtdickenverhältnis erreicht werden. Dabei wird der
Verbundblock in das Werkzeug einer Strangpresse eingelegt und der mit dem Material der Trägerschicht belegte Teil des Verbundblocks in Bezug auf die Matrize der Strangpresse so ausgerichtet, daß die Belegung mit der Trägerschicht auf der gewünschten Seite des
Stranges erzielt wird. Anschließend wird durch das Strangpressen ein Strang mit einer Oberseite aus Kontaktwerkstoff und einer Unterseite aus dem Material der Trägerschicht, wie Silber, Kupfer, Nickel,
Aluminium, Eisen sowie deren Basislegierungen, wie Silber- Nickellegierungen oder Silber-Nickellegierungen mit 20% Nickelanteil (AgNi20), Legierungen von Kupfer mit Nickel, Kupfer mit Silber oder Kupfer mit Zinn, Bronzen oder Messing.
Das Strangpressen wird bevorzugt bei Temperaturen von 600°C bis 950°C, insbesondere 700°C bis 850°C, durchgeführt. Durch das Strangpressen kann vorteilhaft hohe Verdichtung erreicht werden, so daß der Strang eine relative Dichte von 99,9 % der theoretisch möglichen Dichte hat.
Das Strang preßverfahren kann durch weitere Anpassungen wie dem Matrizendesign (Anpassen von Einlaufwinkel und Führungslänge) sowie der Preßparameter beim Strangpressen (Anpassen der
Preßgeschwindigkeit, Blocktemperatur, Verhältnis von
Blockdurchmesser zu Blocklänge) an die jeweiligen spezifischen
Gegebenheiten und die gewünschten Produkte angepasst werden. In einer Ausführungsform werden die beiden Flanken des Strangs, welche sich von der kontaktgebenden Oberseite bis zur gut löt- und schweißbaren Unterseite des Strangs erstrecken, besäumt,
insbesondere durch Schneiden oder Fräsen. Die gleiche Wirkung kann durch Teilen des Strangs erreicht werden, indem der Strang zweimal einige Millimeter von den Seitenkanten des Strangs entfernt geteilt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass bei der weiteren Verarbeitung des Halbzeugs oder beim späteren Gebrauch eines mit dem Halbzeug hergestellten elektrischen Kontakts kein Material der Trägerschicht auf die Kontaktfläche gelangt und deren Funktion beeinträchtigt.
Anschließend kann die Dicke des durch Strangpressen erzeugten Strangs optional durch Walzen, insbesondere durch Kaltwalzen, reduziert werden. Eine Dickenreduktion von höchstens 50% der ursprünglichen Dicke ist beim Kaltwalzen empfehlenswert, um eine zu starke Veränderung der mechanische Eigenschaften des Halbzeugs zu vermeiden, wie zum Beispiel einer Erhöhung der Härte.
Gegebenenfalls wird das Kaltwalzen in mehreren Stufen mit geringerer Dickenreduktion und Wärmebehandlungen durchgeführt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Dicke des Strangs beim Walzen um 30 bis 50% seiner ursprünglichen Dicke reduziert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Dicke des Stranges durch Warmwalzen auf weniger als die Hälfte reduziert und durch Kaltwalzen auf Endmaß gebracht. Aus dem so erhaltenen sträng- bzw. bandförmigen Halbzeug können elektrische Kontaktstücke durch an sich bekannte Verfahren hergestellt werden, wie durch Abschneiden oder Ausstanzen von dem Halbzeug, und gegebenenfalls Umformen des Abschnitts.
Ausführungsbeispiele:
1. Durch Mischen von Silberpulver und Zinnoxidpulver,
kaltisostatisches Pressen und anschließendes Sintern wird ein
zylindrischer Block aus einem Kontakt Werkstoff auf Silberbasis hergestellt. Dieser Block kann beispielsweise zu 8 bis 14
Gewichtsprozent aus Metalloxid und im Übrigen aus Silber bestehen. Ein Drittel der Mantelfläche des Kontaktwerkstoffblocks wird mit
Silberpulver ummantelt und dann kaltisostatisch verpresst. Der isostatisch gepresste Block wird dann unter Luft bei 800°C bis 900°C gesintert, beispielsweise für 2 bis 5 Stunden. Der gesinterte Block wird wenn notwendig anschliessend abgedreht, damit er maßgenau in eine Strangpresse eingesetzt werden kann. Bei entsprechender
Prozessauslegung ist ein Abdrehen nicht notwendig. Der Block wird dann durch Strangpressen bei einer Temperatur von 750°C bis 800° C von seiner zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem
Querschnitt umgeformt.
Die Flanken des so erzeugten Strangs werden abgeschnitten. Das aus diese Weise hergestellte bandförmige Halbzeug hat eine Trägerschicht, deren Dicke etwa 10% bis 30% der Dicke der Kontaktwerkstoffschicht ausmacht und kann zur Herstellung elektrischer Kontaktstücke verwendet werden, indem auf die erforderliche Enddicke abgewalzt, von dem Halbzeug Abschnitte abgeschnitten und gemäß den
Anforderungen einer spezifischen Anwendung umgeformt werden.
2. Durch Mischen von Silberpulver und mit 8 bis 14 Gewichtsprozent Zinnoxidpulver wird eine Pulvermischung erhalten. Diese wird in eine mit Trennblechen versehene, zylindrische Form für kaltisostatisches Pressen gefüllt, wobei die Trennbleche ein Oberflächensegment abtrennen, welches ca. ein Drittel der Oberfläche des zu erhaltenden Verbundblocks ausmacht. In diesen durch die Trennbleche
aufgespannten Hohlraum wird gleichzeitig ein Silberpulver gefüllt. Sobald die Form gefüllt ist, werden die Trennbleche durch
Herausziehen entfernt, kaltisostatisch gepresst und gesintert. Der isostatisch gepresste Block wird dann unter Luft bei 800°C bis 900°C gesintert, beispielsweise für 2 bis 5 Stunden. Ein Drittel des
Kontaktwerkstoffblocks ist mit Silberpulver ummantelt. Der Block wird dann durch Strangpressen bei einer Temperatur von 750°C bis 800° C von seiner zylindrischen Form in eine Form mit rechteckigem
Querschnitt umgeformt und die Flanken des Strangs abgeschnitten. Das aus diese Weise hergestellte bandförmige Halbzeug hat eine Trägerschicht, deren Dicke etwa 10% bis 30% der Dicke der
Kontaktwerkstoffschicht ausmacht und kann zur Herstellung
elektrischer Kontaktstücke verwendet werden, indem von dem
Halbzeug Abschnitte abgeschnitten und gemäß den Anforderungen einer spezifischen Anwendung umgeformt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen, insbesondere bandförmigen, Halbzeugs für elektrische Kontakte, wobei das Halbzeug eine für die elektrische Kontaktgabe bestimmte Oberseite aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis hat, in welchem eines oder mehrere Metalloxide oder Kohlenstoff eingelagert sind, und einer den
Kontaktwerkstoff tragenden gut löt- oder schweißbaren Trägerschicht mit den folgenden Schritten: - Herstellen eines Blocks aus dem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis,
- Teilweises Ummanteln des Blocks aus dem Kontaktwerkstoff mit dem Material der Trägerschicht,
- Pressen des ummantelten Blocks zum Verdichten des Metallpulvers, um einen Verbundblock zu erhalten,
- Sintern des gepressten Verbundblocks, um einen gesinterten
Verbundblock zu erhalten;
- Umformen des gesinterten Verbundblocks durch Strangpressen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem Kontaktwerkstoff ein Metallpulver, welches aus dem Material der Trägerschicht besteht, verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen und deren Basislegierungen.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff auf Silberbasis Zinnox und/oder Zinkoxid und/oder Indiumoxid und/oder Kadmiumoxid enthält.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem
Kontaktwerkstoff eine metallische Pulvermischung oder Bleche bzw. Folien aus Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Eisen oder deren
Basislegierungen verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ummanteln des Blocks aus dem
Kontaktwerkstoff auf Silberbasis Silberpulver oder Pulver aus einer Silberbasislegierung verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ummantelte Block isostatisch gepresst wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangpressen bei Temperaturen von 600°C bis 950°C durchgeführt wird.
9. Halbzeug, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere bandförmiges Halbzeug.
10. Elektrisches Kontaktstück, hergestellt durch Abschneiden vom dem Halbzeug gemäß Anspruch 14 und Umformen des Abschnitts.
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