CH665729A5

CH665729A5 - Verbundwerkstoff fuer elektrische schaltkontaktstuecke.

Info

Publication number: CH665729A5
Application number: CH24085A
Authority: CH
Inventors: Dieter Prof Dr Dr Rer Stoeckel; Hubert Claus; Peter Dr Rer Nat Tautzenberger
Original assignee: Rau Gmbh G
Priority date: 1984-01-21
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1988-05-31
Also published as: GB2154064B; GB2154064A; AT399062B; FR2558640B1; ATA13485A; FR2558640A1; DE3402091A1; GB8501301D0; DE3402091C2

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff für elektrische Schaltkontaktstücke der Energietechnik, bei dem in eine erste aus Edelmetall bestehende metallische Komponente eine zweite unedle metallische Komponente und eine nichtmetallische Komponente in Teilchenform heterogen eingelagert sind.

Ein universell und dabei auch für funkenerosionsbeständige Kontaktschichten verwendbarer Dünnschicht-Verbundwerkstoff ist in der DE-AS 2 448 738 angegeben. Dabei werden metallische Pulverteilchen, z.B. aus Molybdän, mit einem metallischen Überzug, z.B. aus Silber, versehen und zu einem Dünnschicht-Verbundwerkstoff auf einen metallischen Träger aufgesintert. Die Einlagerung nichtmetallischer Komponenten ist dabei nicht angegeben.

Ein Sinterkontaktwerkstoff für elektrische Kontaktstücke in Schaltgeräten der Energietechnik ist Gegenstand der DE 3 116 442 AI. Dieser besteht aus zwei Grundmetallen Kupfer und Silber, die im Mikrogefüge voneinander getrennt vorliegen. In die Grundmetalle sind Metalloxide z.B. CdO und BÌ2O3 eingelagert. Dabei handelt es sich um Kontaktstücke, welche hohe Verschweissfestigkeit, gute Abrandfestigkeit, sowie in Verbindung mit einer hohen Leitfähigkeit eine geringe Erwärmung aufweisen sollen. Die damit erzielbaren Ergebnisse erscheinen jedoch nicht für alle Anwendungszwecke ausreichend. Besonders dann, wenn es sich um Kontaktstücke handelt, die absolut sicher gegen Verschweissung sein müssen, versagen derartige Verbundwerkstoffe.

Die Auswahl der Komponenten der Verbundwerkstoffe richtet sich im wesentlichen nach der an die Kontaktstücke gestellten Hauptforderung. So werden beispielsweise bekannte Silber/Graphit-Verbundwerkstoffe für elektrische Kontaktstücke in Gleich- und Wechselstromschaltgeräten der Niederspan-nungs-Energietechnik eingesetzt, wenn eine hohe Sicherheit gegen Verschweissen im Vordergrund steht. Der Graphitanteil der Festkontaktstücke beträgt dabei 3 bis 5 Gew.-% (K. Müller und D. Stockei «Ein neues Verfahren zur Herstellung komplexer graphithaltiger Verbundwerkstoffe», DE-Z Metall 7/1982 S. 743 - 746).

Die Schweissbeständigkeit dieser Werkstoffe ist sowohl beim Einschalten, als auch im geschlossenen Zustand bei Beanspruchung mit höchsten Kurzschlussströmen hervorragend. Sil-ber/Graphi-Verbundwerkstoffe mit 0,5 bis 5 Gew.-% Graphit weisen einen niedrigen Kontaktwiderstand auf, da sich an der Kontaktoberfläche keine festen Oxide bilden. Allerdings bedingt ein die Sicherheit gegen Verschweissen erhöhender hoher Graphitanteil eine stark abnehmende Abrandfestigkeit.

Die Abrandfestigkeit derartiger Silber/Graphit-Verbund-. Werkstoffe kann in bekannter Weise durch Zusätze von Nickel, Kupfer oder Kupferoxid verbessert werden. Die Herstellung solcher Werkstoffe erfolgt im allgemeinen pulvermetallurgisch durch Sintern, wobei sich eine statistisch regellose Verteilung der C.- u. Ni-Partikel in der Silbermatrix ergibt. Diese Verbundwerkstoffe haben vor allem bei höheren Nickelgehalten gegenüber binären Silber/Graphit-Verbundwerkstoffen den gravierenden Nachteil einer höheren Erwärmung bei Dauerstrom, die sich durch Oxidation und damit ansteigendem elektrischen Widerstand der Unedelmetallkomponente ergibt.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Verbundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine hohe Sicherheit gegen Verschweissen mit hoher Abrandfestigkeit und geringer Erwärmung kombiniert wird. Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt dadurch, dass die Teilchen der nichtmetallischen Komponenten mit der unedlen metallischen Komponente beschichtet sind, und dass diese beschichteten Teilchen in die eine Matrix bildende Edelmetallkomponente eingelagert sind.

Dadurch wird ein Verbundwerkstoff mit einer für elektrische Kontaktstücke überraschend günstigen Kombination von Sicherheit gegen Verschweissen, Abrandfestigkeit und Erwärmung erreicht. Diese günstigen Eigenschaften können u.U. damit erklärt werden, dass bei Verwendung von beschichteten nichtmetallischen Teilchen in der metallischen Matrix die Oxidation des Unedelmetalls durch seine örtliche Bindung an die nichtmetallische Komponente und gegebenenfalls durch deren

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reduzierende Wirkung unterdrückt werden kann. Aus diesem Grunde lässt sich der Unedelmetallanteil in einem solchen Verbundwerkstoff erheblich erhöhen und damit eine wesentliche Einsparung des Edelmetallanteils erzielen.

Die Beschichtung der Teilchen aus der nichtmetallischen Komponente erfolgt vorteilhaft mit der unedleren Komponente der beiden metallischen Komponenten, wobei die edlere dieser Komponenten zweckmässig als Matrix-Werkstoff verwendet wird.

Die Form der Teilchen kann dabei in verschiedener Weise je nach ihrer Herstellung als regellose Bruchstücke oder in Kugelform gegeben sein. Die Schichtdicke der Beschichtung, die gegebenenfalls zweckmässig galvanisch aufgebracht werden kann, liegt bei einer mittleren Teilchengrösse von 0,1 - 0,3 mm, etwa im Bereich von 10 - 80 p,m. Eine vollständig geschlossene Beschichtung der Teilchen ist zwar im allgemeinen anzustreben, jedoch kann eine günstige Wirkung unter Umständen auch bei teilweise offener Beschichtung erzielt werden. Bei hohem Anteil der zur Beschichtung verwendeten Komponente kann gegebenenfalls auch die zusätzliche Zugabe dieser Komponente in Form eines Pulvers angepasster Teilchengrösse zweckmässig sein.

Der Begriff der metallischen Komponenten soll sowohl reine Metalle als auch Metallegierungen auf der Basis einer metallischen Komponente einschliessen. Die nichtmetallische Komponente besteht aus Graphit, jedoch sind auch mit anderen nichtmetallischen Bestandteilen, wie Oxiden, (z.B. CDO) und Karbiden (z.B. WC) von dem neuartigen Aufbau des Verbundwerkstoffes wesentliche Vorteile zu erwarten.

Die beschichteten Teilchen können in der Matrix vorteilhaft in statistisch gleichmässiger Verteilung vorliegen. In einer anderen gegebenenfalls zweckmässigen Ausbildung können die beschichteten Teilchen mit Vorzugsrichtung, beispielsweise als Stränge zusammengefasst eingelagert sein. Eine zweckmässige Weiterbildung kann vorsehen, dass die Stränge eine Umhüllung aus einem metallischen Werkstoff aufweisen, der gegebenenfalls mit dem Werkstoff der zur Beschichtung verwendeten Komponente übereinstimmt.

Eine günstige Zusammensetzung kann so aufgebaut sein, dass die nichtmetallische Komponente aus Graphit besteht, und dass die zur Ummantelung benutzte Komponente aus Nickel und die als Matrix benutzte Komponente aus Silber bestehen. Zweckmässig erscheint dabei ein Graphitanteil von 1 bis 10 Gew.-%, ein Nickelanteil von 5 bis 80 Gew.-Vo und ein Silberanteil von 10 bis 90 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht des fertigen Verbundwerkstoffes. Erprobt wurde eine Zusammensetzung mit 3 Gew.-% Graphit, 35 Gew.-% Nickel und 62 Gew.-% Silber.

Eine alternative günstige Zusammensetzung eines derartigen Verbundwerkstoffes kann dadurch erreicht werden, dass in den im Vorhergehenden genannten Komponenten und Zusammensetzungen, jeweils der Nickelanteil durch einen Kupferanteil 5 ebenfalls zwischen 5 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise bei 35 Gew.-% gewählt wird. Graphitanteil und Silberanteil bleiben in den angegebenen Grenzen.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen des Verbundwerkstoffes schematisch dargestellt.

io Es zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit eingelagerten Teilchen,

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit strangförmig parallel orientierten iß. Einlagerungen.

In Fig. 1 sind kornförmige Teilchen 1 aus Graphit, welche einen mittleren Durchmesser von 0,15 mm aufweisen, mit einer Beschichtung 2 aus Nickel versehen, die eine Dicke von 40 |im aufweist. Die Partikel befinden sich in einer Matrix 3 aus rei-20 nem Silber. Der Graphitanteil beträgt 3 Gew.-%, der Nickelanteil 35 Gew.-% und der Silberanteil 62 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des fertigen Verbundwerkstoffes.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Grösse der Graphitteilchen 1 und die Schichtdicke der Beschichtung 2 un-25 verändert. Die beschichteten Teilchen wurden jedoch zunächst zu Strängen 4 kompaktiert, und diese gerichtet in die Silbermatrix 3 eingelagert.

Die Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes soll durch ein Ausführungsbeispiel zusätzlich erläutert werden. 30 Graphitpulver mit einer Teilchengrösse < 0,15 mm erhält in einem bekannten Elektrolyseverfahren einen Nickelüberzug von 40 |xm Dicke. Das beschichtete Graphitpulver wird in Rohre aus reinem Silber (Durchmesser 9 mm, Wandstärke 0,3 mm) eingepresst und ein Bündel dieser gefüllten Rohre anschliessend 35 durch indirektes Strangpressen in vier Pressstufen zu einem Verbunddraht mit 5 mm Durchmesser spanlos verformt. Dabei wird der in der ersten Pressstufe hergestellte Verbunddraht mehrfach abgelängt und die Verbunddrähte mit den eingebetteten Strängen der beschichteten Teilchen wie die ursprünglichen 40 Rohre gebündelt und weiterverformt. Nach vier Pressstufen sind in dem Verbundwerkstoff, dessen Aufbau in Fig. 2 dargestellt ist, 500000 Stränge in die Silbermatrix eingelagert, welche jeweils die mit Nickel beschichteten Graphitteilchen enthalten.

45 Zur Erzielung einer günstigen metallischen Verbindung zwischen dem metallischen Matrixmaterial und dem Beschichtungs-material, kann gegebenenfalls eine Diffusionsglühung zusätzlich angewendet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verbundwerkstoff für elektrische Schaltkontaktstücke der Energietechnik, bei dem in eine erste aus Edelmetall bestehende metallische Komponente eine zweite unedle metallische Komponente und eine nichmetallische Komponente in Teilchenform, heterogen eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (1) der nichtmetallischen Komponente mit der unedlen metallischen Komponente (2) beschichtet sind, und dass diese beschichteten Teilchen in die eine Matrix (3) bildende Edelmetallkomponente eingelagert sind.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Teilchen (1, 2) in der Matrix (3) in statistisch gleichmässiger Verteilung vorliegen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Teilchen (1, 2) in der Matrix (3) mit Vorzugsrichtung eingelagert sind.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichteten Teilchen (1, 2) zu Strängen (4) zusammengefasst und diese in die Matrix (3) gerichtet eingelagert sind.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallische Komponente aus Graphit besteht, und dass die zur Ummantelung benutzte Komponente aus Nickel und die als Matrix benutzte Komponente aus Silber bestehen.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil 1-10 Gew.-%

der Nickelanteil 5-80 Gew.-%

und der Silberanteil 10 - 90 Gew.-%

bezogen auf das Gewicht des fertigen Verbundwerkstoffes beträgt.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil 3 Gew.-%

der Nickelanteil 35 Gew.-Vo und der Silberanteil 62 Gew.-%

beträgt.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallische Komponente aus Graphit besteht und die zur Ummantelung benutzte Komponente aus Kupfer und die als Matrix benutzte Komponente aus Silber bestehen.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil 1 - 10 Gew.-Vo der Kupferanteil 5-80 Gew.-97o und der Silberanteil 10 - 90 Gew.-%

bezogen auf das Gewicht des fertigen Verbundwerkstoffes beträgt.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphitanteil 3 Gew.-%

der Kupferanteil 35 Gew.-%

und der Silberanteil 62 Gew.-%

beträgt.

11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mittleren Teilchengrösse < 0,15 mm die Dicke der Beschichtung 40 |im beträgt.