способ изготовления полуфабриката детали для электрических контактов, полуфабрикат детали и деталь электрического контакта

Формула изобретения

1. Способ изготовления полуфабриката детали для электрических контактов в форме полосы, в частности в форме ленты, причем полуфабрикат имеет верхнюю сторону, предназначенную для осуществления электрического контакта, содержащую композиционный материал на основе серебра, содержащий один или более оксидов металлов или углерод, и слой-носитель композиционного материала, содержащий легко поддающийся пайке или сварке базовый металл, включающий следующие стадии:

- получение блока из композиционного материала на основе серебра способом порошковой металлургии;

- нанесение на блок из композиционного материала покрытия из порошка, который состоит из легко поддающегося пайке или сварке базового металла;

- прессование блока с покрытием из порошка металла для уплотнения порошка металла;

- спекание спрессованного блока в восстанавливающей атмосфере, или инертной атмосфере, или в вакууме, предотвращающее образование эвтектического расплава из серебра композиционного материала и базового металла, которым покрыт блок из композиционного материала на основе серебра;

- обработка спеченного блока посредством экструзионного формования;

-получение разделенной полосы, имеющей верхнюю сторону, содержащую композиционный материал, и нижнюю сторону, содержащую базовый металл.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают две разделенные полосы путем разделения полосы, полученной посредством экструзионного формования, в продольном направлении.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал является композиционным материалом из серебра и оксида металла.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал на основе серебра содержит по меньшей мере один из оксидов, выбранных из оксида олова, оксида цинка, оксида индия и оксида кадмия.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что спекание осуществляют в восстанавливающей атмосфере при температуре менее 700°С.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что спекание осуществляют сначала в восстанавливающей атмосфере при температуре менее 700°С, затем в инертной атмосфере или в вакууме при более высокой температуре.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения покрытия на блок из композиционного материала используют порошок, содержащий никель, железо, медь или сплавы на основе меди.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе меди используют сплав меди с серебром, или сплав меди с оловом, или сплав меди с никелем.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы металлического порошка защищают от окисления путем нанесения органического покрытия.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что условия нанесения органического покрытия и спекания выбирают таким образом, что органическое покрытие улетучивается без остатка в процессе спекания.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что блок с покрытием прессуют изостатическим способом.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что изостатическое прессование осуществляют при температуре, при которой базовый металл окисляется в наименьшей степени в присутствии атмосферного кислорода.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание осуществляют при температуре, при которой не образуется эвтектический сплав из серебра и базового металла.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что экструзионное формование осуществляют при температурах по меньшей мере 600°C.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину полосы, полученной посредством экструзионного формования, или разделенной полосы уменьшают посредством прокатки.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что посредством прокатки толщину уменьшают не более чем на 50%.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что обе боковые стороны полосы, идущие от верхней стороны, предназначенной для осуществления электрического контакта, до легко поддающейся пайке или сварке нижней стороны полосы, образующей слой-носитель, выравнивают.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают, по существу, цилиндрический спеченный блок, боковую поверхность которого перед экструзионным формованием стачивают.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что посредством экструзионного формования форму блока изменяют от цилиндрической формы до формы с прямоугольным поперечным сечением.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что между композиционным материалом блока и покрытием, образованным из порошка базового металла, создают промежуточный слой, действующий как диффузионный барьер.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что промежуточный слой создают путем обмотки блока из композиционного материала фольгой из материала, образующего диффузионный барьер.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что промежуточный слой, действующий как диффузионный барьер, получают путем нанесения покрытия из металла в форме порошка вокруг блока из композиционного материала и связывания его путем изостатического прессования.

23. Способ по п.20, отличающийся тем, что промежуточный слой, действующий как диффузионный барьер, получают из железа, никеля и/или кобальта, причем никель является особенно предпочтительным.

24. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что промежуточный слой, действующий как диффузионный барьер, имеет такие размеры, что он имеет толщину в готовом полуфабрикате по меньшей мере 3 мкм.

25. Полуфабрикат, изготовленный способом по любому из пп.1-24, в частности полуфабрикат в форме ленты.

26. Деталь для электрических контактов, полученная из полуфабриката по п.25 путем отрезания от него куска и придания ему формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления полуфабриката детали для электрических контактов, имеющей верхнюю сторону, предназначенную для осуществления электрического контакта, содержащую композиционный материал на основе серебра, один или более оксидов металлов или углерод, включенные в этот композиционный материал, и легко поддающийся пайке или сварке слой-носитель, содержащий серебро или сплав на основе серебра, на котором находится композиционный материал.

Композиционные материалы на основе серебра с включенными в них частицами оксидов металлов или углерода невозможно или очень сложно сваривать или спаивать. Поэтому при изготовлении полуфабрикатов деталей для электрических контактов нижняя сторона материала для электрических контактов снабжена легко поддающимся пайке или сварке слоем-носителем, содержащим металл. Хотя серебряные слои-носители относительно легко наносить на материалы для электрических контактов посредством плакирования серебряной ленты, нанесение плавкого слоя-носителя, содержащего значительно меньше дорогостоящей меди или других базовых металлов, вызывает большие проблемы. В отличие от серебра медь очень быстро окислятся на воздухе, поэтому медные ленты либо вообще не прилипают, либо плохо прилипают к материалам контакта из-за наличия окисленного слоя даже при воздействии давления и высоких температур.

Из ЕР 0299099 В1 известно, что можно получить малые контактные пластины, изготовленные из композиционного материала на основе серебра, в который включены частицы оксидов металлов, содержащие легко поддающийся пайке или сварке слой-носитель, путем спрессовывания этих контактных пластин с металлической фольгой или слоем металлического порошка при повышенных температурах в атмосфере инертного газа или восстанавливающей атмосфере. Изготовление полуфабриката с использованием способа однократного прессования известно из DE 3212005 С2, где описано получение двухслойной детали путем спрессовывания нижнего слоя, выполненного из медного порошка, и верхнего слоя из композиционного материала, содержащего серебро или оксид серебра, и последующего спекания в инертной атмосфере.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы найти способ экономически эффективного изготовления полуфабриката детали для электрических контактов в форме полосы (ленты), который имел бы верхнюю сторону, предназначенную для осуществления электрического контакта, из композиционного материала на основе серебра и нижнюю сторону из серебра или сплава на основе серебра.

Эта задача решена благодаря разработке способа с признаками, указанными в пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения являются предметами зависимых пунктов формулы изобретения.

В способе согласно настоящему изобретению вначале способом порошковой металлургии изготавливают блок из композиционного материала на основе серебра, например - посредством смешивания порошка серебра с порошком оксида металла, прессования и последующего спекания. Также можно, например, смешать порошок серебра с порошком неблагородного металла, спрессовать и затем спечь в окисляющей атмосфере, чтобы в результате окисления частиц неблагородного металла были получены частицы оксида металла.

На второй стадии блок, изготовленный способом порошковой металлургии, покрывают порошком базового металла, который легко поддается пайке или сварке, предназначенным для образования слоя-носителя в готовом полуфабрикате, затем изостатически прессуют для уплотнения порошка, предпочтительно - с использованием давления в диапазоне от 500 бар до 2500 бар. Этот базовый металл, используемый для образования слоя-носителя, может представлять собой никель, железо или медь, и сплавы этих металлов с медью и медными сплавами, в частности, предпочтительно латунь.

Предпочтительно изостатически спрессованный блок на следующей стадии производства спекают в неокисляющих условиях. Таким образом, спрессованный блок спекают, например, в восстанавливающей атмосфере, инертной атмосфере или в вакууме. Процесс спекания предотвращает образование эвтектического расплава из серебра композиционного материала и базового металла, которым покрыт блок из композиционного материала на основе серебра.

Образование эвтектического расплава можно предотвратить путем спекания при температуре, которая ниже температуры образования эвтектического расплава, которая, вообще говоря, составляет менее 779°С, если в качестве базового металла используется медь, указанная температура является температурой образования эвтектического расплава серебро-медь. Однако образование эвтектического расплава можно также предотвратить путем создания промежуточного слоя, действующего как диффузионный барьер между композиционным материалом блока и покрытием, образованным из порошка базового металла. Такой промежуточный слой можно получить, например, путем обмотки блока из композиционного материала фольгой из материала, образующего диффузионный барьер. После обмотки блока из композиционного материала на обернутый блок можно нанести порошок базового металла и связать его путем изостатического прессования. Предпочтительно промежуточные слои из железа, никеля или кобальта и сплавов этих металлов подходят в качестве диффузионного барьера, причем никель и никелевые сплавы являются особенно предпочтительными. Предпочтительно промежуточные слои, действующие как диффузионный барьер, имеют такие размеры, что имеют толщину в готовом полуфабрикате по меньшей мере 3 мкм, предпочтительно по меньшей мере 5 мкм, более предпочтительно 10-50 мкм.

В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения спекание сначала проводят в восстанавливающей атмосфере, предпочтительно в атмосфере водорода, при температуре менее 700°C, затем в инертной атмосфере, предпочтительно в атмосфере азота, или в вакууме при более высокой температуре, предпочтительно по меньшей мере 750°C. Таким образом, в процессе первой стадии спекания в восстанавливающей атмосфере возможно присутствующие оксидные слои зерен порошка базового металла, например, меди, могут быть восстановлены без восстановления других оксидов металлов, например, оксида олова или цинка, которые содержатся в композиционном материале. В процессе второй стадии спекания в инертной атмосфере или в вакууме температура спекании может быть выше, так что частицы металлического порошка прочно связываются друг с другом и с блоком из композиционного материала.

После спекания блок обрабатывают посредством экструзионного формования, предпочтительно - посредством горячего формования. Затем получают по меньшей мере одну разделенную полосу с верхней стороной из композиционного материала и нижней стороной из базового металла, который легко подвергается пайке или сварке. Предпочтительно получают две такие разделенные полосы путем разделения полосы, полученной посредством экструзионного формования, в продольном направлении. При этом, само собой разумеется, можно перпендикулярно к плоскости разделения произвести дополнительные разделения. Поэтому задачу предпочтительного получения двух разделенных полос можно понять как получение по меньшей мере двух полос. Однако можно также получить всего одну разделенную полосу, при этом с одной стороны полосы, полученной посредством экструзионного формования, удаляют базовый металл, например - посредством фрезерования, и таким образом открывают поверхность, содержащую композиционный материал.

После спекания базовый металл, как правило, уже достаточно связан с блоком, так что блоку можно придать форму для точного размещения в пресс-форме. Например, посредством изостатического прессования и последующего спекания можно изготовить по существу цилиндрический блок, боковую поверхность которого перед экструзионным формованием стачивают, чтобы обеспечить соответствие по размеру пресс-форме для экструзионного формования. Предпочтительно блок посредством экструзионного формования из цилиндрической формы преобразуют в блок с прямоугольным поперечным сечением.

Экструзионное формование предпочтительно проводят при температуре по меньшей мере 600°С, в частности - в диапазоне от 700°С до 950°С. Эта операция обладает преимуществом, состоящим в том, что посредством экструзионного формования обеспечивается достаточно высокое уплотнение. В частности, удается обеспечить относительную плотность полосы, составляющую 99,9% от теоретически возможной плотности.

За счет разделения полосы, полученной посредством экструзионного формования, в продольном направлении получают полуфабрикат детали, содержащий слой композиционного материала на основе серебра, который образует верхнюю сторону полуфабриката детали, предназначенную для осуществления электрического контакта, и слой-носитель, содержащий легко поддающийся пайке и сварке базовый металл.

Предпочтительно обе боковых поверхности полосы, идущие от верхней стороны, предназначенной для осуществления электрических контактов, до нижней стороны полосы, легко поддающейся пайке или сварке, выравнивают, в частности - посредством обрезания или фрезерования. Таким образом можно обеспечить, чтобы при дальнейшей обработке полуфабриката детали или при последующем применении детали электрического контакта, изготовленной из полуфабриката, материал слоя-носителя не попадал на поверхность контакта и не оказывал неблагоприятного влияния на его функцию. Обработку боковых поверхностей полосы, полученной посредством экструзионного формования, можно по выбору осуществить до или после продольного разделения полосы.

Предпочтительно толщину полосы, полученной посредством экструзионного формования, уменьшают посредством прокатки, в частности - посредством холодной прокатки. Таким образом особенно удобно можно получить полуфабрикат в форме ленты. При этом особо предпочтительно, чтобы прокатка производилась после продольного разделения полосы. Кроме того, предпочтительно, чтобы толщина полосы после прокатки уменьшалась не более чем до 50% ее первоначальной толщины во избежание неблагоприятного влияния на механические свойства полуфабриката детали. В частности, при снижении толщины более чем на 50% возникает опасность того, что материал станет слишком твердым. Особо предпочтительно, чтобы толщина полосы при прокатке снижалась на 30-50% от ее первоначальной толщины.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения для покрытия блока из композиционного материала используют порошок металла с защитой от окисления, а именно, частицы порошка, содержащего базовый металл, которым покрыт блок из композиционного материала, защищают от окисления органическим покрытием. За счет этого образование оксидных слоев, которые препятствуют процессу спекания, может быть нейтрализовано. Органическое покрытие выбирают таким образом, чтобы оно улетучивалось без остатка в процессе спекания, например, за счет испарения.

В способе согласно настоящему изобретению предпочтительно используют композиционный материал, который является композиционным материалом на основе серебра и оксида металла. В качестве оксидов металлов могут быть использованы, в частности, оксид олова, и/или оксид цинка, и/или оксид индия, и/или оксид кадмия. Также возможно использование, например, оксида висмута или оксида вольфрама. Композиционный материал, используемый согласно настоящему изобретению, может содержать несколько оксидов металлов. Также возможно, чтобы композиционный материал содержал только один оксид металла. Предпочтительно компонент композиционного материала, представляющий собой оксид металла, содержит оксид олова. В качестве альтернативы или дополнительно к оксидам металлов используемый материал для электрических контактов на основе серебра может также содержать углерод, например - в форме графита.

Блок композиционного материала с покрытием из порошка неблагородного металла предпочтительно прессуют холодным изостатическим способом. Холодное изостатическое прессование легко может быть проведено при комнатной температуре. Принципиально можно провести холодное изостатическое прессование и при повышенных температурах, однако в любом случае предпочтительно, чтобы холодное изостатическое прессование было проведено при температуре, при которой неблагородный металл в присутствии кислорода воздуха окисляется незначительно.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Посредством смешивания порошкообразного серебра и порошкообразного оксида олова, холодного изостатического прессования и последующего спекания получают цилиндрический блок из материала для электрических контактов на основе серебра. Например, этот блок может содержать 8-14 масс.% оксида металла, а остальную его часть образует серебро.

Блок из композиционного материала оборачивают фольгой, изготовленной из никеля или никелевого сплава. Обернутый блок затем покрывают защищенным от окисления порошком меди или латуни, затем подвергают его холодному изостатическому прессованию.

Изостатически спрессованный блок затем спекают в восстанавливающей атмосфере, например в атмосфере водорода, при температуре 700°С, например - в течение от 30 минут до 1 часа, затем спекают в атмосфере азота при температуре в диапазоне от 800°С до 900°С, например - в течение 2-5 часов. Затем спеченный блок обтачивают, чтобы его можно было точно разместить в экструзионном прессе. После этого блок посредством экструзионного формования при температуре в диапазоне от 750°С до 775°С преобразуют из блока цилиндрической формы в блок с прямоугольным поперечным сечением.

Боковые стороны полосы, полученной таким способом, обрезают, и затем полосу разделяют в продольном направлении. Полученные таким способом разделенные полосы затем подвергают холодной прокатке, в результате чего их толщину уменьшают на 30-50%, например - на 45%. Полученный таким образом полуфабрикат в форме ленты содержит слой-носитель, толщина которого составляет примерно 10-20% от толщины слоя композиционного материала, и может быть использован для изготовления электрических контактов, в ходе которого из полуфабриката вырезают элементы и придают им форму в соответствии с требованиями конкретного применения.

Посредством смешивания порошкообразного серебра и порошкообразного графита, холодного изостатического прессования и последующего спекания получают цилиндрический блок из материала для электрических контактов на основе серебра. Например, этот блок может содержать 2-5 масс.% углерода, а остальную его часть образует серебро. Блок композиционного материала покрывают порошком серебра или сплава на основе серебра и в течение нескольких часов спекают его при температурах в диапазоне от 750°С до 775°С. Дальнейшую обработку спеченного блока можно произвести так, как описано в предыдущем примере осуществления настоящего изобретения.