CH665729A5

CH665729A5 - COMPOSITE FOR ELECTRICAL SWITCHING CONTACTS.

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: GB2154064A; ATA13485A; FR2558640B1; FR2558640A1; GB8501301D0; AT399062B; GB2154064B; DE3402091C2; DE3402091A1

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. DESCRIPTION The invention relates to a composite material for electrical switch contact pieces in power engineering, in which a second base metal component and a non-metal component in particle form are heterogeneously embedded in a first metallic component consisting of noble metal.

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. A universal thin-film composite material that can also be used for spark erosion-resistant contact layers is specified in DE-AS 2 448 738. Metallic powder particles, e.g. made of molybdenum, with a metallic coating, e.g. made of silver, provided and sintered into a thin-layer composite material on a metallic carrier. The storage of non-metallic components is not specified.

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. A sintered contact material for electrical contact pieces in switching devices in power engineering is the subject of DE 3 116 442 AI. This consists of two basic metals, copper and silver, which are separated from each other in the microstructure. In the base metals are metal oxides e.g. CdO and BÌ2O3 stored. These are contact pieces, which should have high resistance to welding, good abrasion resistance and, in conjunction with high conductivity, low heating. The results that can be achieved with this, however, do not appear to be sufficient for all purposes. Composites of this type fail particularly when it comes to contact pieces that must be absolutely safe against welding.

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). The selection of the components of the composite materials depends essentially on the main requirement placed on the contact pieces. For example, well-known silver / graphite composites are used for electrical contact pieces in direct and alternating current switchgear in low-voltage power engineering when a high level of security against welding is paramount. The graphite content of the fixed contact pieces is 3 to 5% by weight (K. Müller and D. Stockei "A new process for the production of complex graphite-containing composites", DE-Z Metall 7/1982 pp. 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. The welding resistance of these materials is excellent both when switched on and when closed when subjected to the highest short-circuit currents. Silver-berber / graphite composites with 0.5 to 5% by weight of graphite have a low contact resistance because no solid oxides form on the contact surface. However, a high graphite content, which increases safety against welding, leads to a strongly decreasing edge strength.

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. The edge strength of such silver / graphite composite. Materials can be improved in a known manner by adding nickel, copper or copper oxide. Such materials are generally powder metallurgically produced by sintering, with a statistically random distribution of the C.- and. Ni particles in the silver matrix results. Compared to binary silver / graphite composites, these composites have the serious disadvantage of higher heating with continuous current, which results from oxidation and thus increasing electrical resistance of the base metal component, especially at higher nickel contents.

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. The invention is based on the task of improving a composite material for electrical contact pieces of the type mentioned at the outset in such a way that a high level of security against welding is combined with high edge resistance and low heating. This problem is solved in that the particles of the non-metallic components are coated with the base metallic component and that these coated particles are embedded in the noble metal component forming a matrix.

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 This results in a composite material with a surprisingly favorable combination of security against welding, edge resistance and heating for electrical contact pieces. These favorable properties can possibly this explains that when coated non-metallic particles are used in the metallic matrix, the oxidation of the base metal is due to its local binding to the non-metallic component and, if appropriate, by the latter

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

665 729 665 729

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. reducing effect can be suppressed. For this reason, the base metal content in such a composite material can be increased significantly and the precious metal content can thus be significantly reduced.

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. The coating of the particles from the non-metallic component is advantageously carried out with the less noble component of the two metallic components, the nobler of these components being expediently used as the matrix material.

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. The shape of the particles can be given in various ways depending on their manufacture as random fragments or in spherical form. The layer thickness of the coating, which can optionally be applied galvanically, is at an average particle size of 0.1-0.3 mm, approximately in the range of 10-80 μm. A completely closed coating of the particles is generally desirable, but under certain circumstances a favorable effect can also be achieved with a partially open coating. In the case of a high proportion of the component used for coating, the additional addition of this component in the form of a powder of adapted particle size may also be expedient.

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. The term metallic components is intended to include both pure metals and metal alloys based on a metallic component. The non-metallic component consists of graphite, but with other non-metallic components, such as oxides (e.g. CDO) and carbides (e.g. WC), significant advantages can be expected from the new structure of the composite material.

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. The coated particles can advantageously be present in the matrix in a statistically uniform distribution. In another embodiment which may be expedient, the coated particles can be embedded with a preferred direction, for example combined as strands. An expedient development can provide that the strands have a covering made of a metallic material, which may match the material of the component used for coating.

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. A favorable composition can be constructed in such a way that the non-metallic component consists of graphite and that the component used for cladding consists of nickel and the component used as matrix consists of silver. A graphite content of 1 to 10% by weight, a nickel content of 5 to 80% by weight and a silver content of 10 to 90% by weight, in each case based on the weight of the finished composite material, appear expedient. A composition with 3% by weight of graphite, 35% by weight of nickel and 62% by weight of silver was tested.

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. An alternative favorable composition of such a composite material can be achieved in that in the above-mentioned components and compositions, the nickel content by a copper content 5 is also between 5 to 80% by weight, preferably 35% by weight. Graphite and silver content remain within the specified limits.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen des Verbundwerkstoffes schematisch dargestellt. In the drawing, embodiments of the composite material are shown schematically.

io Es zeigen: io show:

Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit eingelagerten Teilchen, 1 is an isometric view of a contact piece made of composite material with embedded particles,

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit strangförmig parallel orientierten iß. Einlagerungen. Fig. 2 is an isometric view of a contact piece made of composite material with strand oriented parallel ß. Storage.

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. 1, granular particles 1 made of graphite, which have an average diameter of 0.15 mm, are provided with a coating 2 made of nickel, which has a thickness of 40 μm. The particles are located in a matrix 3 made of pure silver. The graphite content is 3% by weight, the nickel content 35% by weight and the silver content 62% by weight, based on the weight of the finished composite material.

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. In the embodiment according to FIG. 2, the size of the graphite particles 1 and the layer thickness of the coating 2 are changed. However, the coated particles were first compacted into strands 4, and these were incorporated into the silver matrix 3 in a directed manner.

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. The production of such a composite material is to be additionally explained using an exemplary embodiment. In a known electrolysis process, 30 graphite powder with a particle size <0.15 mm is given a nickel coating with a thickness of 40 μm. The coated graphite powder is pressed into tubes made of pure silver (diameter 9 mm, wall thickness 0.3 mm) and a bundle of these filled tubes is then formed into a composite wire with a diameter of 5 mm without cutting by indirect extrusion in four pressing stages. The composite wire produced in the first press stage is cut to length several times and the composite wires with the embedded strands of the coated particles are bundled and shaped like the original 40 tubes. After four pressing steps, 500000 strands are embedded in the silver matrix in the composite material, the structure of which is shown in FIG. 2, each of which contains the graphite particles coated with nickel.

45 Zur Erzielung einer günstigen metallischen Verbindung zwischen dem metallischen Matrixmaterial und dem Beschichtungs-material, kann gegebenenfalls eine Diffusionsglühung zusätzlich angewendet werden. 45 In order to achieve a favorable metallic connection between the metallic matrix material and the coating material, diffusion annealing can also be used if necessary.

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

665 729

1. Composite material for electrical switch contact pieces of energy technology, in which a second base metal component and a non-metal component in particle form, are embedded heterogeneously in a first metallic component consisting of noble metal, characterized in that the particles (1) of the non-metal component with the base metallic component (2) are coated, and that these coated particles are embedded in the noble metal component forming a matrix (3).

2. Composite material according to claim 1, characterized in that the coated particles (1, 2) are present in the matrix (3) in a statistically uniform distribution.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Composite material according to claim 1, characterized in that the coated particles (1, 2) are embedded in the matrix (3) with the preferred direction.

4. The composite material according to claim 3, characterized in that the coated particles (1, 2) are combined to form strands (4) and these are embedded in the matrix (3) in a directed manner.

5. Composite material according to claim 1, characterized in that the non-metallic component consists of graphite, and that the component used for sheathing consists of nickel and the component used as a matrix of silver.

6. The composite material according to claim 5, characterized in that the graphite content 1-10 wt .-%

the nickel content 5-80% by weight

and the silver content 10 - 90 wt .-%

based on the weight of the finished composite material.

7. The composite material according to claim 6, characterized in that the graphite content is 3% by weight.

the nickel content 35% by weight and the silver content 62% by weight

is.

8. Composite material according to claim 1, characterized in that the non-metallic component consists of graphite and the component used for sheathing made of copper and the component used as a matrix made of silver.

9. The composite material according to claim 8, characterized in that the graphite content 1-10 wt.%, The copper content 5-80 wt.% And the silver content 10 - 90 wt.%

based on the weight of the finished composite material.

10. The composite material according to claim 9, characterized in that the graphite portion 3 wt .-%

the copper content 35% by weight

and the silver content 62% by weight

is.

11. The composite material according to claim 1, characterized in that with an average particle size <0.15 mm the thickness of the coating is 40 µm.