Herstellung von Einzelkontakten

From Electrical Contacts
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Zu den Einzelkontakten sind vor allem Kontaktniete, -plättchen bzw. -formteile sowie Aufschweißkontakte zu zählen. Kontaktkugeln haben aus wirtschaftlichen Gründen heute kaum noch Bedeutung.

Kontaktniete

Massive Kontaktniete

Massive Kontaktniete stellen die ältesten und gebräuchlichsten Kontaktteile dar. Ihre Herstellung setzt einen ausreichend verformbaren Kontaktwerkstoff voraus und erfolgt überwiegend auf Spezialmaschinen abfallfrei und vollautomatisch. Der Draht aus Kontaktmaterial wird dabei in Abschnitte getrennt und daraus durch Pressen und Hämmern der Nietkopf geformt. Auf diese Weise können Kontaktniete je nach Anwendung mit flacher, kuppiger, runder oder spitzer Kopfform hergestellt werden.

Typische Kontaktformen für massive Kontakte
  • Typische Kontaktformen für massive Kontakte Figure 1
  • Kontaktwerkstoffe
    Au-, AgPd-, PdCu-Alloys, Ag, AgNi 0,15 (ARGODUR-Spezial), AgCu, AgCuNi (ARGODUR 27), Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO2 SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO),Ag/C 97/3*, Cu
    * in der Dimensionierung stark eingeschränkt
  • Abmessungsbereiche Figure 2
    Die jeweiligen Merkmale können nicht unabhängig von einander gewählt werden. Sie hängen vor allem von der Verformbarkeit des gewünschten Kontaktwerkstoffes ab. Vor der Festlegung der Abmessungen empfiehlt sich daher die Rücksprache mit dem Hersteller.
Abmessungsbereiche
  • Qualitätsmerkmale und Toleranzen Figure 3
Qualitaetsmerkmale und Toleranzen

Merkmale

Form A Form B Form C

Rundkopf Trapezkopf bombiert Trapezkopf, flach

Prüfmittelvorschlag

a) Kopfdurchmesser d1 [mm]

d1< 4 + 0,06 Bei optischer Messung ohne

d1> 4 - 0,06 Berücksichtigung Radius

Auflagekante R3

Projektor,

Messmikroskop

b) Kopfhöhe

k [mm]

d1< 4 + 0,03

d1> 4 + 0,08

Mikrometer, Messuhr

c) Schaftdurchmesser d2 [mm]

d2< 2 - 0,06

d2> 2 - 0,08

Mikrometer

d) Schaftlänge [mm]

+ 0,15

Mikrometer,

Messuhr, Projektor,

e) Radius Mitte

Kontaktfläche

R1 [mm]

Form A und B: innerhalb der Kopfhöhentoleranz

Form C: Zulässige Planheitsabweichung: konvex: innerhalb der Kopfhöhentoleranz

konkav: 0.005 d1

Projektor

Projektorschablone, Radiuslehre, Messuhr, Projektor

f) Radius Rand Kontaktfläche R2 [mm]

Form A: gleichmäßiger Übergang auf R1

Form B: 1.5 R2 zulässig

Form C: <0,1d1

Profilschablone, Projektor,

Radiuslehre

g) Radius

R3 und R5 [mm]

leicht gerundet zulässig

Projektor

h) Übergangsradius Auflagefläche Schaft R4 [mm]

d2 < 2 R4 < 0,08 pg.1 d2 > 2 R4 < 0,1

d2 > 3 R4 < 0,2

Projektor im Zweifel: Schliff

i) Zul. Abweichung von

der Zylinderform

max. 7° 30’: or d2 < l, l > 0,7 mm und k < 0,6 d1.

max. 15°: alle übrigen Niete

Projektor

k) Achsabweichung Kopf/Schaft [mm]

d1 < 4 0,15

d1 > 4 0,2

allgem.: ca. 70% der zulässigen Abweichung nach

per DIN 46240

Projektor Rundlaufprüfgerät

Plattierte Kontaktnietes

Plattierte Niete (Bimetall- oder Trimetallniete), bei denen nur ein Teil des Nietkopfes (Bimetallniet) bzw. auch des Schaftes (Trimetallniet) aus Kontaktmaterial besteht (Rest aus Kupfer), ersetzen aus wirtschaftlichen Gründen ab einem bestimmten, von der jeweiligen Edelmetallnotierung abhängigen Volumen, massive Kontakte. Bi- bzw. Trimetallniete werden ebenfalls vollautomatisch und abfalllos aus Draht hergestellt, wobei zwischen zwei Verfahren unterschieden wird.

Bei der Herstellung durch Kaltpressschweißen entsteht die Verbindung ohne äußere Wärmezufuhr durch hohe plastische Verformung der stirnseitig gegeneinander gepressten Drahtabschnitte aus dem duktilen Kontaktwerkstoff und

dem Trägerwerkstoff Kupfer (Figure 4.
Kaltpressschweißen von Bimetallnieten (schematisch)
). Die Presskraft muss so hoch sein, dass

sich die Gitterbausteine der beiden Metalle auf Abstände von wenigen Atomradien annähern und so die anziehenden Kräfte zwischen den Atomen wirksam werden. Daher ist bei diesem Herstellungsverfahren auf die Einhaltung eines Kopf-Schaftverhältnisses von 2:1 zu achten.

Beim Warmpressschweißen wird die erforderliche Wärme durch kurzzeitigen

Stromfluss erzeugt (Figure 5 .
Warmpressschweißen von Bimetallnieten (schematisch)
). In der Stromenge zwischen Kontaktwerkstoff und

Trägerwerkstoff entsteht dabei im Falle der Kombination Ag mit Cu eine schmelzflüssige eutektische Silber-Kupfer-Legierung. Bei Verwendung metalloxidhaltiger Kontaktwerkstoffe haben die in der Schmelze unlöslichen Oxidpartikel die Neigung flächenhaft zu koagulieren, wodurch die mechanische Festigkeit der Verbindung stark herabgesetzt wird. Daher erfolgt für diese Werkstoffgruppe die Herstellung der Niete durch Kaltpressschweißen. Die beim Kaltpressschweißen erforderliche hohe Oberflächenvergrößerung kann beim Warmpressschweißen verringert werden bzw. entfallen, so dass das Kopf-/Schaft-Verhältnis von 2:1 unterschritten werden kann.

Bimetallniete mit Kontaktauflagen aus AgPd sowie Legierungen auf Au-, Pdund Pt-Basis können aufgrund ihres gegenüber dem Sockelwerkstoff Kupfer stark unterschiedlichen Verfestigungsverhaltens und den meist kleinen Abmessungen nicht von Draht ausgehend hergestellt werden. Ausgangsmaterial für die Herstellung solcher Kontaktniete ist Kontaktbimetallband, aus dem die Niete in mehreren Stufen geformt und schließlich ausgestanzt werden. Ähnliche Fertigungsabläufe werden auch bei Kontaktnieten mit Kopfdurchmesser > 8 mm und silberhaltigen Kontaktauflagen angewandt.

  • Typische Kontaktformen für Bimetallniete Figure 6
Typische Kontaktformen für Bimetallniete
  • Kontaktwerkstoffe
    Ag, AgNi 0,15 (ARGODUR), AgCu, AgCuNi (ARGODUR 27), Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CDO), Ag/SnO2 (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZNO)
  • Trägerwerkstoffe
    Cu
  • Abmessungsbereiche Figure 7
    Die jeweiligen Merkmale können nicht unabhängig von einander gewählt werden.

Sie hängen vor allem von der Verformbarkeit des gewünschten Kontaktwerkstoffes ab. Vor der Festlegung der Abmessungen empfiehlt sich daher die Rücksprache mit dem Hersteller.

Abmessungsbereiche
  • Qualitätsmerkmale und Toleranzen Figure 8
Qualitätsmerkmale und Toleranzen

Criteria

Form B Form C

Trapezoidal head, Trapezoidal head radiused flat

Suggested test

equipment

a) Head diameter

d1 [mm]

During optical measurement disregard corner radius R3 + 0.1

Comparator, measu-

ring microscpope

b) Head thickness

k [mm]

+ 0.1

Micrometer,

Dial indicator

c) Shank diameter

d2 [mm]

Deviation from roundness and conical shape of

shank only within allowed diameter tolerance d2 < 1.5 - 0.08

d2 > 1.5 - 0.1

Micrometer

d) Shank length l

[mm]

+ 0.15

Micrometer, Dial indicator, Comparator

e) Radius at center

of contact surface

R1 [mm]

Form B: + 10%, but not below

+ 0.5 mm

Form C: Allowable deviation from flatness: convex: within head thickness tolerance concave: 0.005 d1

Comparator, Comparator template, Radius gage, Profile template

f) Radius at edge

of contact surface

R2 [mm]

per DIN 46240: Form B and C max. 0.5 without DIN:max. 1

Profile template,

Comparator, Radius gage

g) Radii

R3 and R5 [mm]

Sligth rounding allowed

Comparator

h) Transition radius

head underside to shank R4 [mm]

d2 < 2 R4 < 0.08 d2 > 2 R4 < 0.1 d2 > 3 R4 < 0.2

Comparator, if in doubt: micro-section

i) Allowed deviation from cylindrical shape

d1 < 4 up to 7°30’ + 2°30’

d1 > 4 up to 10° + 5°

Comparator, Measu- ring microscope, if in doubt: microsection

k) Concentricity bet-

ween head and shank center line [mm]

5% of d1

Comparator,

Measuring microscope, Special turn fixture

l) Contact layer

thickness [mm]

In center area of 0.5 d1 s> nominal thickness

Remaining head area must be covered

Measuring micros- cope, Microsection

  • Typische Kontaktformen für Trimetallniete Figure 9
Typische Kontaktformen für Trimetallniete
  • Kontaktwerkstoffe
    Ag, AgNi 0,15 (ARGODUR), AgCu, AgCuNi (ARGODUR 27), Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CDO), Ag/SnO (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZNO)
  • Trägerwerkstoffe
    Cu
  • Abmessungsbereiche Figure 10
Abmessungsbereiche
  • Standardwerte für Nietabmessungen
d1

k

1

d2

α

r1

s1

s2

3.0

0.8

2.0

1.5

7.5°

4.0

0.4

1.0

4.0

1.0

2.5

2.0

7.5°

8.0

0.5

1.2

5.0

1.2

3.0

2.5

10°

12.0

0.6

1.4

Lotplattierte Kontaktniete

In Sonderfällen, bei hohen Umgebungstemperaturen und starker thermischer und mechanischer Beanspruchung im Schaltbetrieb, ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kontaktniet und Trägerwerkstoff erforderlich, um eine Lockerung der Verbindung und dadurch einen frühzeitigen Ausfall des Schaltgerätes zu vermeiden. Dabei werden die Unterseite des Nietkopfes und der Nietschaft mit einer dünnen Lotschicht plattiert. In den Fertigungsablauf wird dann nach dem Einnieten noch eine Wärmebehandlung integriert.

Kontaktniete mit gelöteter Kontaktauflage

Für bestimmte Anwendungen werden Kontaktniete mit Kontaktauflagen vor allem aus Wolfram, aber auch Silber-Wolfram sowie Silber-Grafit und ähnlichen spröden, nicht ausreichend verformbaren Werkstoffen benötigt. Solche Kontaktniete sind nur in gelöteter Ausführung herstellbar. Dabei werden die Kontaktauflagen in Rondenform mit speziellem Hartlot unter Schutzgas auf vorgefertigte Sockel aus Kupfer oder Eisen aufgelötet.

Kontaktplättchen und -formteile

In Schaltgeräten der Energietechnik werden häufig Kontaktplättchen oder -formteile eingesetzt, die meist durch Löten oder Schweißen auf Kontaktträger aufgebracht werden. Die Plättchen und Formteile werden je nach Kontaktwerkstoff nach unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Die am häufigsten verwendeten Fertigungsverfahren sind:

  • Stanzen aus Bändern, Streifen und Profilen
  • Trennen aus stranggepressten Stangen
  • Pressen, Sintern und Tränken
  • Pressen, Sintern und Nachpressen
  • Pressen und Sintern

Das Stanzen von Kontaktplättchen setzt ausreichend duktiles Kontakthalbzeug voraus, z.B. Silber, Silber-Legierungen, Silber-Nickel, Silber-Metalloxid und Silber-Grafit (mit Grafit-Fasern parallel zur Schaltfläche). Plättchen aus Silber- Metalloxid und Silber-Grafit benötigen für das Aufbringen auf Trägerteile zusätzlich eine gut löt-und schweißbare Silber-Unterschicht, die bei der Halbzeugfertigung nach unterschiedlichen Verfahren erzeugt wird. Um den Fügevorgang möglichst rationell zu gestalten, werden Bänder und Profile auf der Rückseite häufig mit einer geeigneten Lotschicht, z.B. L-Ag15P beschichtet. Bei Silber-Grafit mit Grafit-Fasern senkrecht zur Schaltfläche werden die Plättchen aus stranggepressten Stangen scheibenförmig getrennt und durch einen nachfolgenden Entkohlungsvorgang die löt- und schweißbare Ag- Unterseite erzeugt.

Das Press-Sinter-Tränkverfahren wird bei der Herstellung von Formteilen z.B. aus Silber-Wolfram und Kupfer-Wolfram angewandt, wenn der Wolframanteil > 50 Massen-% beträgt. Der Silber- bzw. Kupferüberschuss auf der Unterseite der Formteile erleichtert das nachfolgende Löten oder Schweißen.

Die Press-Sinter-Nachpresstechnik ermöglicht die Herstellung von Formteilen mit Silber- oder Kupferanteilen > 70 Massen-%. Nach diesem Verfahren können auch Teile aus zwei Schichten hergestellt werden, wobei die obere Schicht zur Kontaktgabe dient und die untere Schicht den Fügevorgang unterstützt.

Die Press-Sintertechnik ist auf die Herstellung von Silber-Wolfram-Teilen mit kleinen Abmessungen und einem Ag-Anteil von ca. 65 Massen-% begrenzt.

  • Kontaktwerkstoffe
    Ag, AgNi 0,15 (ARGODUR Spezial), AgCu, AgCuNi (ARGODUR 27), Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO2 (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO), Ag/C (GRAPHOR), Ag/W (SIWODUR), Ag/WC (SIWODUR C), Ag/WC/C (SIWODUR C/C), Ag/Mo (SILMODUR), Cu/W (CUWODUR)
  • Typische Kontaktformen für Plättchen und Formteile Figure 11
Typische Kontaktformen für Plättchen und Formteile
  • Abmessungsbereiche
    Attachment Method: Welding
    Bonding Area: approx. 5 – 25 mm2
    Attachment Method: Brazing
    Bonding Area: > 25 mm2

Aufgrund der großen Vielfalt von Ausführungsformen von Kontaktplättchen und -formteilen werden hinsichtlich der Qualitätsmerkmale und Maßtoleranzen meist gesonderte Vereinbarungen zwischen Hersteller und Anwender getroffen.

Aufschweißkontakte

Bei Kontaktstellen, die erhöhten Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, z.B. in Reglern für Kochplatten, ist die Verwendung von Kontaktnieten oder das direkte Aufschweißen von silberhaltigem Kontaktmaterial auf Träger aus Eisen oder Thermobimetall aus verbindungstechnischen Gründen nicht möglich. Für derartige Anwendungsfälle eignen sich Aufschweißkontakte.

Aufschweißkontakte sind runde oder viereckige Plättchen aus Kontaktbimetall oder für spezielle Anwendungsfälle aus -trimetall, wobei die Oberseite aus dem gewünschten edelmetallhaltigen Kontaktwerkstoff, die Unterseite aus einem gut schweißbaren Werkstoff mit hohem spezifischem elektrischen Widerstand, z.B. Eisen, Nickel, Kupfer-Nickel-Legierungen u.a. besteht. Zur Verbesserung des Schweißvorgangs sind auf der Unterseite der Aufschweißkontakte üblicherweise eine oder mehrere Schweißwarzen angeprägt.

Die Herstellung der Aufschweißkontakte aus Kontaktbimetall setzt einen ausreichend duktilen Kontaktwerkstoff voraus. Aufschweißkontakte mit Wolfram- Auflage werden daher durch Löten der Wolfram-Plättchen auf die schweißbare Unterseite hergestellt.

  • Typische Kontaktformen für Aufschweißkontakte Figure 12
Typische Kontaktformen für Aufschweißkontakte
  • Kontaktwerkstoffe
    Ag, AgNi 0,15 (ARGODUR-Spezial), AgCu, AgCuNi (ARGODUR 27), Ag/Ni (SINIDUR), Ag/CdO (DODURIT CdO), Ag/SnO2 (SISTADOX), Ag/ZnO (DODURIT ZnO)
  • Basiswerkstoffe
    Ni, Fe, CuNi, CuNiZn u.a
  • Abmessungsbereiche Figure 13
Abmessungsbereiche
  • Qualitätsmerkmale für Aufschweißkontakte in Standardausführung Figure 14
Qualitätsmerkmale für Aufschweißkontakte in Standardausführung

Referenzen

Referenzen