制造方法、接触元件和机电保护开关设备与流程

本发明涉及一种用于制造用于机电保护开关设备的接触元件的方法。在此，接触元件具有触头载体，在触头载体上布置有由触头材料制造的接触层。此外，本发明涉及一种借助这种制造方法产生的接触元件以及具有这种接触元件的机电保护开关设备。

背景技术：

1、机电保护开关设备，例如断路器、线路保护开关(也称为ls或者mcb)、故障电流保护开关(也称为fi或者rcd)以及防电弧或者防火保护开关(也称为afdd)，用于监视电路以及为电路提供安全保障，并且特别是作为开关元件和安全元件用于供电网和配电网中。在建筑物的电气设施中，大多数需要大量的保护开关设备，这些保护开关设备被结合在也称为配电箱或者简称分配器的所谓的电气安装分配器中，并且并排地布置。因此，在低压技术领域，为此使用的保护开关设备也称为串联安装设备。

2、除了已经提到的开关设备类型之外，还存在组合式的设备结构形式，其中，一种设备、例如故障电流保护开关的功能由另一种设备、例如线路保护开关的功能加以补充：这种组合式的保护开关设备在德语中称为fi/ls，或者在英语世界中称为rcbo(residualcurrent operated circuit-breaker with overcurrent protection，具有过流保护的残余电流操作断路器)。此外，目前的发展方向是将越来越多的功能集成到一个保护开关设备中，以便将多个单独设备的功能范围映射到一个设备中，并且以这种方式节省分配器中的构造空间。例如在诸如mcb或者rcd的单独设备中，以及在诸如rcbo或者fils的组合式的保护开关设备中，都集成了防火保护开关的功能。

3、为了监视电路并且为电路提供安全保障，将保护开关设备通过两个或者更多个连接端子与待监视的电路的电气线路导电地连接，以便在需要时将相应的被监视的线路中的电流断开。为此，保护开关设备具有至少一个开关触头，在出现预先定义的状态时，例如在检测到短路或者故障电流时，能够使开关触头断开，以便将被监视的电路与电气线路网络分离。

4、在此，开关触头具有两个接触元件，即布置在保护开关设备的壳体中的位置固定的固定接触元件，以及相对于固定接触元件能够移动的移动接触元件，移动接触元件同样布置在壳体中。在结构构造方面，两个接触元件分别具有触头载体，在触头载体上布置有接触层。触头载体大多由铜或者钢制成，并且用于确保相应的接触元件的机械稳定性，而接触层的任务在于确保电流通过闭合的开关触头安全地流动，因此对于接触层，大多使用基于银的材料。

5、由于需要银部分，因此在市场上可以获得的接触层的价格相对昂贵，因此尽可能仅使用强制性地需要的数量。此外，对于一些材料、例如银钨或者银碳化钨材料，存在与制造相关的最小尺寸，例如对于压力烧结浸渍，约1mm的最小高度。如果低于这个最小尺寸，则经济效益无从谈起。

6、由于在现今可使用的接触层中，约三分之二的触头材料在机电保护开关设备的使用寿命结束时仍然存在、即尚未烧掉，因此在研发中致力于将接触层的尺寸相应地设计得更薄。然而，大多数传统的制造方法无法实现或者无法经济地制造这种减小的厚度，因此为此需要采用替换的制造方法。例如可以借助冷气体喷涂来实现这样减小的约0.5mm的构造高度。在此涉及如下的涂层工艺，在这种涂层工艺中，将涂层材料以粉末的形式以非常高的速度施加到载体材料上。然而，由于对所使用的粉末的要求很高，因此这种方法的成本非常高。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于制造用于机电保护开关设备的接触元件的替换的方法、以这种方式制造的接触元件以及具有这种接触元件的机电保护开关设备，其至少部分克服前面提到的缺点。

2、按照本发明，上述技术问题通过按照本发明的用于制造接触元件的方法、接触元件本身以及机电保护开关设备来解决。按照本发明的制造方法以及接触元件和机电保护开关设备的有利的设计方案是下面的描述的主题。

3、接触元件由触头载体和布置在触头载体上的接触层构成，接触层由触头材料制成，按照本发明的用于制造用于机电保护开关设备的接触元件的方法具有以下步骤：

4、a)借助在印刷基底上进行浆料印刷由膏糊状的触头材料产生基体；

5、b)通过热作用对印刷的基体进行预烧结，直到其剩余孔隙率降低至小于50％的值、特别是降低至15％和35％之间的值；

6、c)将基体定位在导电的触头载体上；

7、d)对基体进行电阻烧结，同时在触头载体上进行电阻焊接，直至基体的剩余孔隙率在压力和温度的作用下降低至小于15％的值。

8、膏糊状的触头材料基于粉末，借助有机的或者水基的液体将该粉末加工成膏糊。随后，借助浆料印刷工艺，例如通过模板印刷或者丝网印刷，将由此产生的膏糊状的触头材料施加到印刷基底上。在此，在丝网印刷工艺中，能够制造直至150μm的高度(的基体)，对于大于150μm的高度，则可以使用模板印刷工艺。为了将溶剂从膏糊中驱除，可以首先对以这种方式制造的基体进行干燥。

9、预烧结主要涉及对基体的温度处理，该温度处理通常在无压力、即不施加机械压力的情况下进行。预烧结一方面用于去除膏糊状的触头材料的有机粘合剂。另一方面，通过预烧结，界面结构发生改变，由此使基体在机械上稳定，通过烧结由基体形成接触层。

10、烧结是用于制造金属部件或者陶瓷部件的工艺，其中，通过压力和温度使粉末状的原始材料形成最终形状。在电阻烧结中使用导电的粉末，该粉末在电流的作用下被加热到相应的温度。

11、通过组合的、同时进行的电阻焊接和电阻烧结，由基体形成接触层。电阻烧结用于在压力和温度的作用下使基体形成相应的形状并且凝固，直至剩余孔隙率降低至小于15％的值，而电阻焊接用于将基体或者由基体形成的接触层接合到触头载体上，即在机械上牢固地与触头载体连接。不仅电阻焊接、而且电阻烧结通常使用电极对来进行，电极对在待成型的工件的两侧与工件接触，以便将电流引导通过工件。

12、借助按照本发明的制造方法，能够将接触元件设计得薄得多，而不会由此造成大量的材料废物。此外，这种制造方法在所使用的粉末材料的选择和组成上实现了更大的自由度，因此接触元件的制造成本比借助冷气体喷涂制造的情况明显更低。

13、在所述方法的一个有利的扩展设计中，浆料印刷以具有多个丝网印刷步骤的丝网印刷工艺进行，其中，在每个丝网印刷步骤之后对基体进行干燥。通过使用具有多个丝网印刷步骤的多阶段的丝网印刷工艺，还能够通过丝网印刷工艺制造高度/厚度大于150μm的接触元件。

14、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，触头材料基于具有30％至80％的钨份额的粉末。

15、钨由于其熔化温度高达3400摄氏度以上并且与此相关联地具有很高的耐烧损性，因此非常适合用作电触头的材料。已知的合金为钨-银(wag，也称为：银钨agw)、钨-铜(wcu，也称为：铜钨cuw)或者钨-锡氧化物。在钨烧结体的制造过程中，通过适当地改变工艺参数，可以改变孔隙数量和孔隙尺寸，由此调节钨或者合金成分的份额。因此，可以根据需要来改变导电性和硬度，其中，钨含量越高，结构(gefüge)越规整，并且组成部分分布越均匀。

16、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，在印刷的基体上施加由纯银构成的层。在需要时，例如为了提高导电性，可以在浆料印刷结束时进一步在基体上施加由纯银构成的薄层。由于其是非常薄的层，因此该制造步骤同样可以通过丝网印刷工艺来实现。以这种方式，能够针对性地影响接触层的技术上的和物理上的特性。

17、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，印刷基底被设计为呈管状，从而基体具有凸形的形状。通过使用管状的印刷基底，能够在浆料印刷之后实现基体的凸形的形状，由此实现稍后由此形成的接触层的凸形的形状。

18、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，在500至1000摄氏度之间、特别是600至950摄氏度之间的温度下，对印刷的基体进行预烧结。

19、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，在10分钟和120分钟之间的时间段内对印刷的基体进行预烧结。

20、在此，预烧结可以在没有压力的情况下进行，并且用于去除基体中的剩余液体和有机粘合剂，以便以这种方式使基体在机械上稳定。在此，工艺参数温度和持续时间根据相应的工件的几何形状和尺寸而变化。业已证实，500摄氏度和1000摄氏度之间的温度以及10分钟和120分钟之间的作用持续时间对制造接触层是有利的。

21、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，预烧结在保护环境中进行。

22、根据用于基体的材料的类型，可能有利的是，在保护环境中进行预烧结过程。在使用具有较高的钨份额的触头材料时，例如在保护环境、例如氢气环境中进行预烧结是有利的，以防止钨氧化。

23、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，印刷基底由陶瓷材料、例如由氮化硼、碳化硅或者氧化铝制成。

24、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，在预烧结之后，将基体从陶瓷的印刷基底上剥离。

25、所提到的材料具有如下优点，即，它们由于具有较高的耐热性，因此也可以作为印刷基底用于预烧结的过程步骤，从而在浆料印刷工艺中制造的基体不必被转移到另外的基底上，以进行预烧结。因此，制造工艺的操作性、即可执行性由此得到了显著提高。

26、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，印刷基底由触头载体形成。

27、通过直接在触头载体上印刷基体，预烧结的基体也不再需要被转移，从而进一步改善了操作性。因此，“将基体定位在导电的触头载体上”这一过程步骤在制造方法刚开始时，通过在浆料印刷过程中定位触头载体来实现。

28、在所述方法的另一个有利的扩展设计中，使用电极对来执行步骤d)，电极对具有至少一个成型电极，以用于使接触层成型。

29、在电阻焊接中，使用电极对来传导电流是常见的做法。然而，在进行电阻焊接并且同时进行电阻烧结的这种组合的过程步骤中，得到如下特点，即，电极对具有至少一个成型电极，该成型电极与待接合的接触元件的几何形状适配，并且与至少一个接合对象的形状适配。

30、按照本发明的接触元件具有触头载体，该触头载体具有布置在其上的接触层，并且该接触元件被设置为用于装配在机电保护开关设备的壳体中。该接触元件的特征在于，该接触元件借助前面描述的制造方法制造。

31、在一个有利的扩展设计中，接触元件形成机电保护开关设备的开关触头的固定接触元件或者移动接触元件。

32、接触层由膏糊状的、基于粉末的触头材料制成，并且固定在导电的触头载体上。触头载体与固定在其上的接触层一起形成接触元件。该接触元件作为机械开关触头的一部分，被设置为用于安装在机电保护开关设备的壳体中。因此，该接触元件既可以作为固定接触元件，也可以作为相对于固定接触元件能够移动的移动接触元件，安装在机电保护开关设备的壳体中。关于借助上面描述的制造方法制造的按照本发明的接触元件的主要优点，相关地参考前面描述的按照本发明的用于制造这种接触元件的方法的优点。

33、按照本发明的机电保护开关设备具有前面描述的类型的接触元件。关于按照本发明的机电保护开关设备的优点，参考前面描述的按照本发明的接触元件以及按照本发明的用于制造这种接触元件的方法的优点。