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EP1387370A1 - Bandförmiges Halbzeug - Google Patents

Bandförmiges Halbzeug Download PDF

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Publication number
EP1387370A1
EP1387370A1 EP03017226A EP03017226A EP1387370A1 EP 1387370 A1 EP1387370 A1 EP 1387370A1 EP 03017226 A EP03017226 A EP 03017226A EP 03017226 A EP03017226 A EP 03017226A EP 1387370 A1 EP1387370 A1 EP 1387370A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
band
finished product
carrier
product according
contact layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03017226A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Weik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente
Original Assignee
Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente filed Critical Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente
Publication of EP1387370A1 publication Critical patent/EP1387370A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
    • H01H11/041—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts by bonding of a contact marking face to a contact body portion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
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    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/023—Composite material having a noble metal as the basic material
    • H01H1/0237—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides
    • H01H1/02372—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides containing as major components one or more oxides of the following elements only: Cd, Sn, Zn, In, Bi, Sb or Te
    • H01H1/02376—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides containing as major components one or more oxides of the following elements only: Cd, Sn, Zn, In, Bi, Sb or Te containing as major component SnO2
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/025—Composite material having copper as the basic material

Definitions

  • the invention relates to a band-shaped semi-finished product according to claim 1 and Process for its manufacture according to claim 12.
  • Multilayer semi-finished products also referred to as contact profiles, are known in technology known, which are used to produce contacts for switches.
  • Such Semi-finished products consist of at least two layers, namely a carrier and a contact layer connected to the carrier.
  • the contact layer is used for safe switching, that is Opening, closing and conducting electrical contact with a Counter contact and must therefore have special switching properties.
  • a high erosion resistance is necessary so that the contact layer also the required number of switching operations for given current / voltage conditions survives. It should also be ensured that the contact layer is resistant to welding to the mating contact and a low, constant contact resistance over the service life having.
  • the composition of the contact layer must be frequent should be selected so that material migration is as low as possible even with DC operation occurs.
  • the carrier is primarily needed for the semi-finished product with a contact carrier, for example a spring, connect, usually weld to be able to. Accordingly, a material must be selected that has a has low conductivity and good weldability.
  • a contact carrier for example a spring
  • the materials for Carrier and contact layer are chosen so that they are metallurgical and also connect well with one another with regard to the electrical properties leave, the connection done for example by roll cladding can. It is also known in the art between the contact layer and carrier to provide another layer, the connectivity of the two layers improved when using oxide-containing contact layers.
  • a large number of metals or metal alloys are known in the art, which are suitable for producing the carrier or the contact layer are.
  • the carrier (there as Core area) made of an alloy of 2% by weight of tin, 9% by weight Nickel, rest copper.
  • a gold alloy serves as the contact layer or a silver-palladium alloy.
  • the semifinished product described an additional welding layer made of silver. It is especially for welding on copper, but not suitable for welding onto steel.
  • DE 41 26 219 C2 discloses a contact layer made of a silver-tin oxide alloy to use with a contact plate.
  • the back of the contact plate here consists of silver, which makes both a good Connectivity, as well as good weldability on a contact carrier results.
  • the precious metal portion in the contact layer accounts for a substantial part of the total cost of the semi-finished product, it is of course desirable that To reduce precious metal content in the contact layer as much as possible, or that Make the contact layer as thin as possible, and especially on expensive ones To avoid precious metals such as gold or palladium. In doing so, of course the mechanical and electrical properties are retained, in particular it is necessary that the contact layer and the carrier are covered by common Manufacturing process, especially by roll cladding, an intimate Connect with each other.
  • such a semi-finished product for the production of AC and DC switches with nominal currents up to approx. 35 A may be suitable, whereby a main area of application for applications with rated currents between 2 and 16 A is.
  • contact layers made of a silver-tin oxide alloy have very good burning properties and therefore the layer accordingly can be made thin and material-saving. It has now found that for a contact layer made of silver-tin oxide a carrier made of a copper alloy can be used, if this copper alloy contains tin. The reason for this seems to be there lie that tin oxide and tin dissolve into each other, so that in the Transition layer between the contact layer and the carrier a kind of alloy trains, which enables optimal heat transport and thereby a detachment of the contact layer from the carrier even under high loads prevented.
  • a carrier consisting of such an alloy is without an additional one Solder or weld layer for later welding to a contact carrier suitable, so that the entire semi-finished product is built up in two layers can what compared to a corresponding production simplification leads to three and multi-layer semi-finished products.
  • a carrier is made of an alloy specified here for direct welding on a contact carrier, for example made of Steel, suitable, so that the contact layer on its underside according to claim 7 preferably has weld nipples, their preferred geometry is specified in claims 8 and 9. It turned out here that Weld nipples with essentially flat contact areas to be defined Welded connections than the previously tapered or semicircular ones Lead sweat warts.
  • the band-shaped semi-finished product according to the invention by hot roll plating in the presence of a reducing gas, preferably of a hydrogen-nitrogen mixture.
  • Figure 1 shows a cross section through a band-shaped semifinished product that two layers, namely the carrier 10 and the contact layer 20.
  • the carrier preferably consists of an alloy with 9% nickel, 2% tin, Balance copper (CuNi9Sn2).
  • CuNi9Sn2 Balance copper
  • At the bottom of the carrier are in the longitudinal direction extending weld nipples 11 are formed, which essentially one have a rectangular cross section.
  • This has a rectangular cross section the advantage that when the semi-finished product is welded to a Contact carrier a mechanically stable and very defined connection can be generated.
  • constant welding parameters are achieved, which are rounded or tapered Welding nipples cannot be achieved, since these are during the welding process deform and therefore do not allow constant welding.
  • the contact layer 20, which in this exemplary embodiment consists of powder-metallurgically produced AgSnO 2 with 2% by weight tin oxide, the rest silver, is plated onto the carrier.
  • the thickness of the carrier 10 including welding nipples is approximately 0.5 mm, the thickness of the contact layer 0.3 mm.
  • the production takes place as shown schematically in FIG. 2.
  • the two Bands 15 and 25 are fed to the processing space 32 via locks 31, by warming each other by means of the two rollers 13 and 23 be plated.
  • There is a reducing hydrogen atmosphere in the work area a reduction in the tin oxide in the boundary layer of the contact layer to effect tin. This increases the solubility of the two alloys into each other further increases what the cohesion of the two layers further improved.
  • the two pre-strips can the final shaping can be fed directly to the rolls without any preforming of the semi-finished product, especially the shape of the weld nipples 11 takes place simultaneously with the plating process, for which the lower roller has a corresponding profile, see FIG. 3a.
  • the semifinished product leaves the processing space via a further lock 31.
  • the semifinished product is then subjected to a diffusion annealing process subjected.

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  • Materials Engineering (AREA)
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Abstract

Es wird ein Halbzeug zur Herstellung von Wechselstrom- und Gleichstromschaltern vorgeschlagen, das einen geringen Edelmetallanteil aufweist, und cadmiumfrei hergestellt werden kann. Das Halbzeug kann zur Herstellung von Schaltern mit hoher Strombelastung eingesetzt werden. Das bandförmiges Halbzeug besteht aus einem bandförmigen Träger (10) aus einer Kupfer-Zinn-Legierung und einer auf den Träger aufplattierten Kontaktschicht (20). Die Kontaktschicht (20) besteht aus einer Silber-Zinnoxid-Legierung. Die Herstellung des Halbzeugs kann durch Plattieren in einer Atmosphäre, die ein reduzierendes Gas enthält, erfolgen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 12.
In der Technik sind mehrschichtige Halbzeuge, auch als Kontaktprofile bezeichnet, bekannt, die zur Herstellung von Kontakten für Schalter dienen. Solche Halbzeuge bestehen aus wenigstens zwei Schichten, nämlich einem Träger und einer mit dem Träger verbundenen Kontaktschicht. Nach Fertigstellung des Schalters dient die Kontaktschicht zum sicheren Schalten, das heißt Öffnen, Schließen und Stromführen des elektrischen Kontaktes mit einem Gegenkontakt und muss deshalb besondere Schalteigenschaften aufweisen. Zum einen ist eine hohe Abbrandfestigkeit notwendig, damit die Kontaktschicht auch die geforderte Zahl von Schaltspielen bei gegebenen Strom/Spannungsverhältnissen übersteht. Weiterhin sollte gewährleistet sein, dass die Kontaktschicht resistent gegen Verschweißen mit dem Gegenkontakt ist und über die Lebensdauer einen niedrigen, konstanten Kontaktwiderstand aufweist. Schließlich muss die Zusammensetzung der Kontaktschicht häufig so gewählt werden, dass auch bei Gleichstrombetrieb möglichst geringe Materialwanderung auftritt.
Der Träger wird in erster Linie dafür benötigt, das Halbzeug mit einem Kontaktträger, beispielsweise einer Feder, verbinden, in der Regel verschweißen zu können. Dementsprechend muss ein Material ausgewählt werden, das eine geringe Leitfähigkeit und eine gute Schweißbarkeit aufweist. Für die Verbindung des Trägers mit dem Kontaktträger ist es hier auch bekannt, eine weitere Lot- oder Schweißschicht vorzusehen.
Zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen müssen die Materialien für Träger und Kontaktschicht so gewählt werden, dass sie sich metallurgisch und auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften gut miteinander verbinden lassen, wobei das Verbinden beispielsweise durch Walzplattieren erfolgen kann. Es ist in der Technik auch bekannt, zwischen Kontaktschicht und Träger eine weitere Schicht vorzusehen, die die Verbindbarkeit der beiden Schichten bei Verwendung oxidhaltiger Kontaktschichten verbessert.
In der Technik sind eine Vielzahl von Metallen bzw. Metalllegierungen bekannt, welche zur Herstellung des Trägers bzw. der Kontaktschicht geeignet sind.
Beispielsweise aus der EP 0 726 613 A2 ist es bekannt, den Träger (dort als Kernbereich bezeichnet) aus einer Legierung von 2 Gew.-% Zinn, 9 Gew.-% Nickel, Rest Kupfer herzustellen. Als Kontaktschicht dient hier eine Goldlegierung oder eine Silber-Palladium-Legierung. Das beschriebene Halbzeug weist eine zusätzliche Schweißschicht aus Silber auf. Es ist insbesondere zur Aufschweißung auf Kupfer, nicht jedoch zur Aufschweißung auf Stahl geeignet.
Aus der DE 41 26 219 C2 ist es bekannt, eine Kontaktschicht aus einer Silber-Zinnoxid-Legierungen bei einem Kontaktplättchen zu verwenden. Der Rücken des Kontaktplättchens besteht hier aus Silber, wodurch sich sowohl eine gute Verbindbarkeit, als auch eine gute Verschweißbarkeit auf einen Kontaktträger ergibt.
Für die Kontaktschicht werden bis heute auch relativ häufig cadmiumhaltige Legierungen verwendet, die zwar hinsichtlich ihrer Abbrandfestigkeit erhebliche Vorteile aufweisen, aus Umweltschutzgründen jedoch sehr bedenklich sind. Eine solche Kontaktschicht ist beispielsweise in der CH 650 876 A5 beschrieben.
Da der Edelmetallanteil in der Kontaktschicht einen wesentlichen Teil der Gesamtkosten des Halbzeuges ausmacht, ist es natürlich wünschenswert, den Edelmetallanteil in der Kontaktschicht so weit wie möglich zu senken, oder die Kontaktschicht so dünn wie möglich herzustellen, und insbesondere auf teure Edelmetalle wie Gold oder Palladium zu verzichten. Dabei müssen natürlich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften erhalten bleiben, insbesondere ist es notwendig, dass die Kontaktschicht und der Träger durch gängige Herstellungsverfahren, insbesondere durch Walzplattieren, eine innige Verbindung miteinander eingehen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Halbzeug derartig weiterzubilden, dass Edelmetall eingespart wird und Cadmium vollständig vermieden werden kann. Weiterhin sollte ein solches Halbzeug auch zur Herstellung von Schaltern mit hoher Strombelastung eingesetzt werden können.
Insbesondere soll ein solches Halbzeug zur Herstellung von Wechselstromund Gleichstromschaltern mit Nennströmen bis ca. 35 A geeignet sein, wobei ein Hauptanwendungsbereich bei Anwendungen mit Nennströmen zwischen 2 und 16 A liegt.
Diese Aufgabe wird mit einem bandförmigen Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Es ist bekannt, dass Kontaktschichten aus einer Silber-Zinnoxid-Legierung sehr gute Abbrandeigenschaften haben und die Schicht deswegen entsprechend dünn und materialsparend ausgeführt werden kann. Es hat sich nun herausgestellt, dass für eine aus Silber-Zinnoxid bestehende Kontaktschicht ein aus einer Kupferlegierung bestehender Träger verwendet werden kann, wenn diese Kupferlegierung Zinn enthält. Der Grund hierfür scheint darin zu liegen, dass sich Zinnoxid und Zinn ineinander lösen, so dass sich in der Übergangsschicht zwischen der Kontaktschicht und dem Träger eine Art Legierung ausbildet, die einen optimalen Wärmetransport ermöglicht und dadurch ein Ablösen der Kontaktschicht vom Träger auch bei hoher Belastung verhindert.
Ein aus einer solchen Legierung bestehender Träger ist ohne eine zusätzliche Lot- oder Schweißschicht zur späteren Verschweißung auf einen Kontaktträger geeignet, so dass das gesamte Halbzeug zweischichtig aufgebaut sein kann, was zu einer entsprechenden Produktionsvereinfachung im Vergleich zu drei- und mehrschichtigen Halbzeugen führt.
Bevorzugte Legierungsverhältnisse sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben. Nach Anspruch 5 ist es insbesondere zu bevorzugen, dass der Zinnanteil im Träger und der Zinnoxid-Anteil in der Kontaktschicht im wesentlichen gleich groß sind, dies scheint die innige Verbindung der beiden Schichten miteinander zu begünstigen.
Wie oben bereits erwähnt, ist ein Träger aus einer hier angegebenen Legierung zur direkten Verschweißung auf einem Kontaktträger, beispielsweise aus Stahl, geeignet, so dass die Kontaktschicht an ihrer Unterseite gemäß Anspruch 7 vorzugsweise Schweißwarzen aufweist, deren bevorzugte Geometrie in Anspruch 8 und 9 angegeben ist. Es hat sich hier herausgestellt, dass Schweißwarzen mit im wesentlichen ebenen Aufstandsflächen zu definierteren Schweißverbindungen als die bisher üblichen spitz zulaufenden oder halbrunden Schweißwarzen führen.
Gemäß Anspruch 12 wird das erfindungsgemäße bandförmige Halbzeug durch Warmwalzplattieren in Gegenwart eines reduzierenden Gases, vorzugsweise eines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches, hergestellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus dem nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigen:
Figur 1:
Einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes bandförmiges Halbzeug,
Figur 2:
eine Prinzipdarstellung der Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeuges,
Figur 3a:
einen Schnitt entlang der Linie A-A aus Figur 2,
Figur 3b:
einen Schnitt entlang der Linie B-B aus Figur 2, und
Figur 3c:
einen Schnitt entlang der Linie C-C aus Figur 2.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein bandförmiges Halbzeug, das aus zwei Schichten, nämlich dem Träger 10 und der Kontaktschicht 20 besteht. Der Träger besteht bevorzugt aus einer Legierung mit 9% Nickel, 2% Zinn, Rest Kupfer (CuNi9Sn2). An der Unterseite des Trägers sind sich in Längsrichtung erstreckende Schweißwarzen 11 angeformt, die einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dieser rechteckige Querschnitt hat den Vorteil, dass bei einem späteren Verschweißen des Halbzeuges mit einem Kontaktträger eine mechanisch stabile und sehr definierte Verbindung erzeugt werden kann. Durch die ebenen Kontaktflächen der Schweißwarzen werden konstante Schweißparameter erzielt, die mit runden oder spitz zulaufenden Schweißwarzen nicht zu erzielen sind, da sich diese beim Schweißvorgang deformieren und somit keine konstante Schweißung ermöglichen.
Auf den Träger ist die Kontaktschicht 20 aufplattiert, die in diesem Ausführungsbeispiel aus pulvermetallurgisch hergestelltem AgSnO2 mit 2 Gew.-% Zinnoxid, Rest Silber besteht.
Die Dicke des Trägers 10 beträgt einschließlich Schweißwarzen ca. 0,5 mm, die Dicke der Kontaktschicht 0,3 mm.
Die Herstellung erfolgt wie schematisch in Figur 2 dargestellt. Die beiden Bänder 15 und 25 werden über Schleusen 31 dem Bearbeitungsraum 32 zugeführt, in dem sie mittels der beiden Rollen 13 und 23 warm aufeinander plattiert werden. Im Arbeitsraum herrscht eine reduzierende Wasserstoffatmosphäre, um eine Reduktion des Zinnoxides in der Grenzschicht der Kontaktschicht zu Zinn zu bewirken. Dadurch wird die Löslichkeit der beiden Legierungen ineinander weiter erhöht, was den Zusammenhalt der beiden Schichten weiter verbessert.
Wie anhand der Figuren 3b und 3c zu erkennen ist, können die beiden Vorbänder ohne eine Vorformung direkt den Walzen zugeführt werden, die Endformung des Halbzeuges, insbesondere auch die Formung der Schweißwarzen 11 erfolgt gleichzeitig mit dem Plattiervorgang, wofür die untere Walze eine entsprechende Profilierung aufweist, siehe Figur 3a. In manchen Anwendungsfällen kann es auch notwendig sein, dass nach dem Plattiervorgang ein Walzprozess notwendig ist, um dem Halbzeug seine endgültige Form zu geben.
Das Halbzeug verlässt den Bearbeitungsraum über eine weitere Schleuse 31.
In der Regel wird das Halbzeug abschließend noch einem Diffusionsgüh-Vorgang unterworfen.

Claims (14)

  1. Bandförmiges Halbzeug zur Herstellung elektrischer Kontakte mit:
    einem bandförmigen Träger (10) aus einer Kupfer-Zinn-Legierung und
    einem auf einer ersten Bandseite des Trägers aufplattierten Kontaktschicht (20),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (20) aus einer Silber-Zinnoxid-Legierung besteht.
  2. Bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Zinnlegierung des Trägers weiterhin Nickel, vorzugsweise zwischen 7 und 11 Gew-%, aufweist.
  3. Bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinnanteil in der Kupfer-Zinnlegierung des Trägers etwa 1 - 6, vorzugsweise 2 - 4 Gew.-% beträgt.
  4. Bandförmiges Halbzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinnoxid-Anteil in der Silber-Zinnoxid-Legierung der Kontaktschicht etwa 1 - 6, vorzugsweise 2 - 4 Gew.-% beträgt.
  5. Bandförmiges Halbzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zinnanteil in der Kupfer-Zinnlegierung des Trägers und der Zinnoxid-Anteil in der Silber-Zinnoxid-Legierung der Kontaktschicht im Wesentlichen gleich groß sind.
  6. Bandförmiges Halbzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Kontaktschicht verwendete Silber-Zinnoxid-Legierung pulvermetallurgisch hergestellt ist.
  7. Bandförmiges Halbzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Schweißwarzen (11) aufweist.
  8. Bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißwarzen sich in Längsrichtung erstreckende Stege mit einer flächigen Unterseite sind.
  9. Bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt haben.
  10. Bandförmiges Halbzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es keine weiteren Schichten aufweist.
  11. Bandförmiges Halbzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht zwischen 0,025 und 0,4 mm dick ist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines bandförmigen Halbzeuges nach einem der Ansprüche 1 - 11, wobei die Kontaktschicht auf den Träger aufplattiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattieren in einer Atmosphäre geschieht, in der ein reduzierendes Gas vorhanden ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierende Gas Wasserstoff ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, soweit sie sich auf die Ansprüche 7 bis 9 beziehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißwarzen während des Plattiervorgangs aus dem Träger ausgeformt werden.
EP03017226A 2002-08-03 2003-07-30 Bandförmiges Halbzeug Withdrawn EP1387370A1 (de)

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DE10235723 2002-08-03

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