Bandförmiges Halbzeug

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.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein bandförmiges Halbzeug nach Anspruch 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 12.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] In der Technik sind eine Vielzahl von Metallen bzw. Metalllegierungen bekannt, welche zur Herstellung des Trägers bzw. der Kontaktschicht geeignet sind.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] Diese Aufgabe wird mit einem bandförmigen Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] Gemäß Anspruch 12 wird das erfindungsgemäße bandförmige Halbzeug durch Warmwalzplattieren in Gegenwart eines reduzierenden Gases, vorzugsweise eines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisches, hergestellt.

[0018] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus dem nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiel.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] Auf den Träger ist die Kontaktschicht 20 aufplattiert, die in diesem Ausführungsbeispiel aus pulvermetallurgisch hergestelltem AgSnO₂ mit 2 Gew.-% Zinnoxid, Rest Silber besteht.

[0022] Die Dicke des Trägers 10 beträgt einschließlich Schweißwarzen ca. 0,5 mm, die Dicke der Kontaktschicht 0,3 mm.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] Das Halbzeug verlässt den Bearbeitungsraum über eine weitere Schleuse 31.

[0026] In der Regel wird das Halbzeug abschließend noch einem Diffusionsgüh-Vorgang unterworfen.

Ansprüche

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.

Zeichnung