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Verbundmetall hoher Dichte für hochbelastbare elektrische
Kontakte
Silber ist dank seiner physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften für die Verwen- dung als Kontaktwerkstoff gut geeignet. Bei hohen elektrischen Belastungen reicht jedoch die Abbrand- festigkeit und die Schweisssicherheit des reinen Silbers nicht mehr aus. Es ist bekannt, die Abbrandfestig- keit und die Schweisssicherheit durch Zusätze, z. B. von Wolfram, Molybdän oder Nickel, zu steigern. Da diese Metalle in Silber sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand keine Löslichkeit aufweisen, müs- sen die betreffenden"Verbundmetalle"nach dem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt werden.
Die Abbrandfestigkeit eines Kontaktwerkstoffes ist weitgehend von seiner relativen Dichte (Raumerftlllungs- grad) abhängig : man ist daher bestrebt, eine möglichst vollständige Dichtsintenmg zu erzielen. Dies ist jedoch schwierig, wenn die Komponenten des Verbundmetalles einen wesentlich verschiedenen Schmelzpunkt aufweisen, wie es z. B. bei Wolfram, Molybdän und Nickel mit einem Schmelzpunkt von 3200 C bzw. 25000 C bzw. 1452 C gegenüber Silber mit einem Schmelzpunkt von 9500 C der Fall ist. Sintert man nämlich oberhalb des Schmelzpunktes des Silbers, so tritt dieses zum Teil aus, und es wird trotz flüssiger Phase praktisch kein Dichteanstieg erreicht.
Verbundmetalle mit verhältnismässig hoher Dichte sind unter der Bezeichnung Schwermetallegienin- gen bekannt geworden. Sie bestehen aus 85% - 95So Wolfram, 3%-10% Nickel und 2%-5% Kupfer. Die Ausgangspulvergemische dieser Stoffe lassen sich bei einstündigem Sinterung zwischen 14000C und 15000C bis fast zur theoretischen Dichte sintern. Es sind schon ähnliche dreikomponentige Werkstoffe beschrieben worden aus den Komponenten Wolfram oder Molybdän, Kupfer oder Silber und Nickel. Andere Veröffentlichungen betreffen dreikomponentige Kontaktstoffe, bei denen das Grundmetall ebenfalls aus zwei Metallen, beispielsweise aus Kupfer und Nickel oder aus Silber und Nickel besteht.
Die Ursache des bei der Sinterung erzielten grossen Dichteanstieges liegt in dem Auftreten einer flüssigen Phase, in der das Wolfram löslich ist. Bei dem vorher erwähnten System Wolfram-Silber tritt dagegen kein Dichteanstieg auf, weil Wolfram, wie gesagt, auch in flüssigem Silber nicht löslich ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein vierkomponentiges Verbundmetall für hochbelastbare elektrische Kontakte. Es ist aus mindestens 90 Gew.-% Silber und Wolfram-wovon der Wolframanteil auf 30-60 Volumenprozent bemessen ist-und aus zwei weiteren Komponenten zu je 0, lao - 5go aus den Metallen Kupfer, Nickel, Kobaltoder Eisen hergestellt. Die Prozent-Angabenbeziehen sich hier und-soweit nicht anders angegeben-im folgenden auf Gewichtsprozente. Die Verbundmetalle nach der Erfindunglassen sich bei niedrigerer Sintertempetatur als beiden erwähnten dreikomponentigen Kontaktwerkstoffen dicht sintem.Das Verbundmetall gemäss der Erfindung besitzt eine Dichte, die mindestens 95% der theoretischenDichtebe' trägt ; hierauf beruht seine besondere Belastbarkeit als elektrischer Kontakt.
Die hohe Dichte wird erreicht durch die sich bei der Sinterung ausbildende flüssige Nickel-Kupfer-Phase, in der Wolfram bis zu einem Anteil von mehr als 20% löslich ist. Beim Abkühlen nimmt die Löslichkeit des Wolframs stark ab, und es
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Wolfram in Form ttmderTeilchen eingebettet. Der so entstandene Kontaktwerkstoff ist praktisch porenfrei.
Die elektrische Leitfähigkeit setzt sich im wesentlichen additiv aus den Volumenanteilen des Wolframs und der Bindemetallegierung zusammen. Besonders vorteilhaft ist sein sehr niedriger Konuktabergangs-
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Der Wol & amgehalt vlolmmanteil zwischen 30 und 60 Vol.-%.
Die Herstellung des Verbundmetalles gemäss der Erfindung erfolgt nach dem bekannten pulvermetallurgischen Verfahren. Die Sinterung wird im allgemeinen in an sich bekannter Weise in inener oderSchutzgasatmosphäre durchgeführt. Für Kontakte von Vakuumschaltern erfolgt die Sinterung im Hochvakuum, vorzugsweise bei einem Druck kleiner 10-3 Torr. Dabei ist darauf zu achten, dass die Sintertemperatur bereits vor dem Auftreten der flüssigen Phase so langsam gesteigert wird, dass die Poren des Presskörpers für die Entgasung geöffnet bleiben. Ein restlicher Gasausbruch tritt bei der flüssigen Phase auf.
Nachstehend werden Beispiele mit Daten über die Zusammensetzung und das Herstellungsverfahren angegeben :
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l : Es wird von einem Wolfram-Silber-Kupfer-Nickel-Gemisch mitdenAnteilen50/40/5/5Wolfram teilweise löslich ist. Durch die Sinterung steigt die Pressdichte von 7,55 g/cm3 auf 12,95 gl cm 3.
Bei einer theoretischen Dichte von 13, 28g/cm3 entspricht dies einem Raum erfüllungsgrad von 0, 975. Das Verbundmetall ist inderkältenoch plastisch verformbar und lässt sich bis zurpraktisch theoretischen Dich-
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von 8,02 g/cm3 auf 13, 4 g/cm3 ; dies entspricht einem Raumerfüllungsgrad von 0,968. Die Leitfähigkeit beträgt 32 m/ss mm2. Bei einer entsprechenden Vakuumsinterung mit einem Druck kleiner 10-3 Torr erreicht man praktisch die theoretische Dichte.
Das so hergestellte Verbundmetall zeichnet sich durch einen günstigen Übergangswiderstand aus ; erbeträgt bei einer Kontaktlast von 1, 5 kg 0,21 m und liegt damit nur etwa doppelt so hoch wie der unter glelcnen Bedingungen bei Reinsilber gemessene Übergangswiderstand. Hiemit ist der Kontaktwerkstoff durch seine gute Abbrandfestigkeit und Schweisssicherheit auch für Luftschütze geeignet.
Das Gefüge dieses Kontaktstoffes ist in einer etwa 500 fachen Vergrösserung in der Zeichnung darge-
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von 8,0 g/cm2wird durch dieSinterung auf 12, 35 g/cm8. gesteigert ; dies entspricht einem Raumerfüllungsgrad von 0,89. Ein entsprechend zusammengesetzter und gesinterter Presskörper ohne den Kupfer-NickelZusatz besitzt dagegen nur eine Sinterdichte von 8, 70 g/cm, ergibt also praktisch keinen Dichteanstieg beim Sintern. Dieses Beispiel zeigt, dass schon verhältnismässig sehr kleine Kupfer- Nickel- Zusätze den erfindungsgemässen Effekt ergeben.
Beispiel4 :EininnigesWolfram-Silber-Kupfer-Kobalt-GemischmitdenAnteilen54/44/1/1wird mit 1 t/cm2 verpresst und dabei eine Pressdichte von 7, 85 g/cm2 erreicht. Durch einstündiges Sintern bei 11500 C in Wasserstoffatmosphäre steigt die Dichte auf 13,04 g/cms an ; dies entspricht einem Raumer- füllungsgrad von etwa 0,84. Durch Kaltnachpressen erhält man praktisch den theoretischen Wert.
Beispiel 5: Ein inniges Wolfram-Silber-Eisen-Nickel-Gemisch mit den Anteilen 64/34/1/1 wird mit 1 t/cm2 gepresst und während einer Stunde bei 11000 C in Wasserstoffatmosphären gesintert. Dabei steigt die Pressdichte von 8, 0 g/cm3 auf 13, 5 g/cm3 all ; dies entspricht einem Raumerfüllungsgrad von 0,92. Auch dieses Verbundmetall lässt sich durch Kaltnachpressen praktisch bis auf den theoretischen Wert verdichten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verbundmetall hoher Dichte für hochbelastbare elektrische Kontakte, dadurch gekennzeichnet, dass es aus mindestens 90 Gew.-% Silber und Wolfram-wovon der Wolframanteil auf 30-60 Vol.-% bemes-
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balt oder Eisen besteht.