DD275421A5

DD275421A5 - Pulvermetallurgisch hergestellter werkstoff fuer elektrische kontakte aus silber mit graphit und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DD275421A5
Application number: DD88320604A
Authority: DD
Inventors: Roland Michal; Karl E Saeger
Original assignee: ��@��@��@��K@��K@��@��k��
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1988-10-10
Publication date: 1990-01-24
Also published as: ATE77657T1; DE3734178A1; DE3872338D1; EP0311134B1; EP0311134A1

Abstract

Es wird ein pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff fuer elektrische Kontakte aus Silber mit 2 bis 7 Masseanteile in % Graphit beschrieben und ein Verfahren zu seiner Herstellung, wobei zur Steigerung der Festigkeit ein Zusatz aus 0,5 bis 50 Masseanteile in % eines oder mehrerer Unedelmetalle enthalten ist und die in hoechstens 510 10mm3 grossen Teilchen in gleichmaessiger Verteilung im Werkstoff vorliegen. Vorzugsweise wird ein solcher Werkstoff hergestellt aus einem Legierungspulver, welches das Silber und das oder die Unedelmetalle in Form einer durch Spruehpyrolyse hergestellten Ausscheidungslegierung enthaelt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff für elektrische Kontakte aus Silber mit 2 bis Masseanteilen in % Graphit und mit einem die Festigkeit des Werkstoffes steigernden Zusatz.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Verbundwerkstoffe aus Silber mit 2 bis 7 Masseanteilen in % Graphit finden für elektrische Kontakte in Leistungsschaltern und in Leitungsschutzschaltern Verwendung. Kontaktstücke aus Silber- Graphit verbinden für diesen Verwendungszweck eine geringe Neigung, in der üblicherweise eingesetzten Kontaktwerkstoffpaarung Silber- Graphit gegen Kupfer oder gegen versilbertes Kupfer mit dem gegenüberliegenden Kontaktstück zu verschweißen, mit einem geringen Kontaktwiderstand nach einer Lichtbogeneinwirkung auf die kontaktgebende Fläche. Nachteilig ist allerdings, daß Kontaktstücke aus Silber-Graphit einem verhältnismäßig hohen Abbrand unterliegen. Das führt dazu, daß mit zunehmenden Schaltzahlen die Schaltkammer, in der die Kontaktstücke untergebracht sind, durch Silber, welches unter Lichtbogeneinwirkung verdampft, metallisiert wird und durch freigesetzten Graphit verrußt. Dadurch sinkt die Spannungsfestigkeit der Schaltkammer.

Es hat nicht an Versucht η gefehlt, die elektrische Lebensdauer von Kontaktstücken aus Silber- Graphit zu verlängern. So ist es bekannt, dem Werkstoff unyefälr 5 Massoanteile in % Kupferoxid (CuO) zuzusetzen (DE-Z ,Elektrische Energie-Technik" 26, (1981 ] Heft 2, Seite 9-15). Ein Zusatz von Kupferoxid kann zwar die Lebunsdauer verlängern, hat jedoch auch Nachteile, weil er die Lötbarkeit der Kontaktstücke verschlechtert und thermisch nicht besonders stabil ist, so daß die Kontaktstücke elektrisch nicht sehr hoch belastbar sind.

Ein anderer Vorschlag geht dahin, Kontaktstücke aus einem Silber-Kupfer-Graphit-Faserverbundwerkstoff herzustellen, indem in ein Doppelmantelrohr, dessen innere Wand aus Kupfer und dessen äußere Wand aus Silber besteht, Graphitpulver eingefüllt wird; das Doppelmantelrohr wird verschlossen und durch Strangpressen in einon dünneren Stab umgeformt, welcher anschließend in kürzere Stücke zerteilt wird, die man in ein Silberrohr steckt, welches an den Enden verschlossen und erneut durch Strangpressen umgeformt wird. In mehreren solchen Schritten kommt man auf diese Weise zu einem Kontaktwerkstoff mit feiner Faserstruktur (K. Müller und D.Stöckel „THE IRE PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF SILVERBASED COMPOSITE CONTACT MATERIALS" Proceedings of the 13. International Conference on Electric Contact Phenomena; Chicago, 1984, S. 237-242).

Aus einem solchen Faserverbundwerkstoff hergestellte elektrische Kontakte verbinden in zufriedenstellenderweise hinreichend geringe Verschweißneigung mit niedrigem Kontaktwiderstand und niedrigem Abbrand; nachteilig ist jedoch, daß derartige Werkstoffe durch ein sehr aufwendiges Verfahren hergestellt werden müssen, so daß sie trotz ihrer guten Eigenschaften bisher wenig praktische Anwendung gefunden haben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es einerseits die elektrischen und montagetechnologischen Nachteile und andererseits den hohen Fertigungsaufwand zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für elektrische Kontakte aus Silber mit Graphit und

einem die Festigkeit des Werkstoffs steigernden Zusatz verfügbar zu machen, in welchem sich niedriger

Kontaktübergangswiderstand, geringe Verschweißneigung und geringer Abbrand (hohe Lebensdauer) in ähnlich vorteilhafter Weise miteinander verbinden wie in dem bekannten Silber-Kupfer-Graphit-Faserverbundwerkstoff; der neue Kontaktwerkstoff

soll jedoch wirtschaftlicher herstellbar sein als der bekannte Faserverbundwerkstoff.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß man die Lebensdauer von Kontaktstücken aus einem Silber-Graphit-Werkstoff

ohne Nachteil für den Kontaktwiderstand verbessern kann, wenn man einen Unedelmetallzusatz zum Werkstoff verwendet unddafür sorgt, daß dieser sehr fein verteilt im Werkstoff vorliegt, nämlich in höchstens 5 · 10"¹⁰mm³, vorzugsweise höchstens0,5 · 10~'°mm³ großen Teilchen. Auch das Silber liegt vorteilhafterweise in höchstens 5 · 10~¹⁰mm³, vorzugsweise höchstens0,5 · 10"'°mm³ großen Teilchen vor. Für die Teilchengrößen wurde eine Volumenangabe gewählt, weil die Teilchen inunterschiedlicher Form vorliegen können, sowohl in Form von Teilchen, deren Durchmesser in alle Richtungen in derselben

Größenordnung liegen, als auch in Form von langgestreckten Teilchen. Der Werkstoff soll wenigstens 0,5 Masseanteile in % eines Unedelmetalls enthalten, um eine nennenswerte Festigkeitssteigerung bewirken zu können. Der Wirkstoff soll aber nicht mehr als 50 Masseanteile in % eines oder mehrerer Unedelmetalle enthalten, da sonst ein zu starker Anstieg des Kontaktwiderstandes, insbesondere durch Bildung von Unedelmetalloxiden auftritt. Der Graphitzusatz soll die Verschweißneigung reduzieren und soll deshalb nicht weniger als 2 Masseanteile in % betragen. Er

soll andererseits nicht mehr als 7 Masseanteile in % betragen, da sonst die Festigkeit des Werkstoffes herabgesetzt wird und der

Abbrand ansteigt. Als Unedelmetalle eignen sich besonders eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Mangan, Zink, Wolfram und Molybdän, wobei Kupfer besonders bevorzugt ist und der Anteil des Unedelmetalls im Werkstoff vorzugsweise 10

bis 25 Masseanteile in % beträgt.

Ale Unedelmetalle sind vorteilhaft solche ausgewählt, deren Schmelzpunkt über dem von Silber liegt. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß als Unedelmetalle solche ausgewählt sind, die bei 20°C eine elektrische Leitfähigkeit von

wenigstens 1OmO"¹ mm"² haben.

Im Hinblick auf dio angestrebte Festigkeitssteigerung des Werkstoffes ist es von Vorteil, als Unedelmetalle solche auszuwählen,

die bei niedriger Temperatur mit Silber keine Legierung oder allenfalls eine Ausscheidungslegierung bilden und dadurch eine

Härtung des Werkstoffes bewirken. In diesem Zusammenhang sei namentlich auf die Unedelmetalle Kupfer und Nickel

hingewiesen. Außerdem ist es von Vorteil, als Unedelmetalle solche auszuwählen, die eine möglichst hohe elektrische

Leitfähigkeit haben. Als optimaler Unedelmetallzusatz erweist sich nach den vorstehend erwähnten Auswahlkriterien das Kupfer, wobei ein Teil des Kupfers, vorzugsweise nur ei π Anteil von 2 bis 3 Masseanteilen in % am Werkstoff, als Kupferoxid (CuO) vorliegen darf, wodurch die Sicherheit gegen ein Verschweißen dor Kontaktstücke erhöht wird. Wegen des

gleichzeitigen beachtlichen Kupferanteils besteht keinerlei Notwendigkeit, den Kupferoxidanteil so hoch anzusetzen wie bei denzum Stand der Technik gehörenden Silber-Kupferoxid-Graphit-Kontaktwerkstoffen, so daß dessen Nachteile für einenerfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff mit geringem Kupferoxidanteil nicht zutreffen.

Die erfindungsgemäßen Werksto/fe können zumindest prinzipiell wie herkömmliche Silber-Graphit-Werkstoffe auf

pulvermetallurgischem Wege durch Pressen von Pulvermischungen, Sintern und Nachverdichten hergestellt werden, wennman sehr feinkörniges (mittlere Teilchengröße kleiner als etwa 0,5Mm) Silberpulver, Kupferpulver und Graphitpulvormiteinander mischt, zu Formkörpern preßt, sintert und nachverdichtet, wobei die Verdichtung so stark sein sollte, daß das

Porenvolumen des Werkstoffs nicht mehr als 2% beträgt. Dabei sollten die Formkörper vorteilhaft durch kaltisostatisches Pressen gebildet und durch Strangpressen nachverdichtet werden.

Nach diesem Verfahren werden nicht ein Silberpulver, ein Unedelmetallpulver und ein Graphitpulver miteinander gemischt und zu Formkörpern gepreßt, sondern es wird zunächst ein Pulver einer Ausscheidungslegierung aus Silber mit dem Unedelmetall hergestellt und dieses mit Graphitpulve, gemischt; daraus werden dann Formkörper gepreßt, gesintert und nachverdichtet, wobei die Verdichtung so stark sein sollte daß das Porenvolumen weniger als 2% beträgt ein besonders geeignetes Verfahren zum Gewinnen eines solchen Legierungs^ ulvers ist die Sprühpyrolyse (US-A-3 510 291), EP-0012 202 Al, DE-29 29630 C 2). Dabei wird eine Lösung, welche ein Silbersalz i'.id ein oder mehrere Unedelmetallsalze gelöst enthält, in ein heißes Reaktionsgefäß eingesprüht. Darin werden die Salze zersetzt und das Lösungsmittel verdampft und es fällt ein außerordentlich feinkörniges Legierungspulver aus, welches für die Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes besonders geeignet ist.

Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielon näher erläutert werden.

1. Durch Vordüsen einer schmelzflüssigen Legierung aus Silber mit 20 Massenantoilon in % Kupfer wird ein AgCu 20-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von höchstens 10pm erzeugt. 96 Masseteile dieses Legierungspulvers werden mit4 Masseteilen eines feinen Graphitpulvers (mittlere Teilchengröße ungefähr 1 um) gemischt. Aus der Pulvermischung werden durch kaltisostatisches Pressen mit einem Druck von 5 · 10"⁷N · m~² Formkörper gepreßt, bei einer Temperatur von 700°C eine Stunde lang in Stickstoffatmosphäre gesintert und anschließend durch Strangpressen mit einem Umformverhältnis von 30:1 unter Nachverdichtung zu einem flachen Rechteckprofil umgeformt.

2. Eine gemeinsame Lösung von Silberni' /at und Kupfernitrat in Wasser wird mittels eines inerten Treibgases (z. B. Argon) in ein heißes Reaktionsgefäß eingesprüht, dessun Wandtemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Silbers und unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers liegt, beispielsweise bei 950°C, und in dem eine inerte Atmosphäre (z. B. Argon) vorliegt. In dem heißen Reaktionsgefäß zerfallen das Silbernitrat und das Kupfernitrat, das Wasser verdampft, und das freiwerdende Silber und Kupfer verbinden sich zu kleinen Teilchen, die ausfallen und ausgetragen werden. Es entsteht auf diese Weise ein Silber-Kupfer-Legierungspuiver mit einer mittleren Teilchengröße von ungefähr 1 pm, wobei sich die Legierungszusammensetzung nach dem Gehalt der Lösung an Silbernitrat und Kupfernitrat richtet. Dieses Silberlegierungspulver kann wie im ersten Beispiel mit Graphitpulver gemischt und weiterverarbeitet werden.

Claims

1. Pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff für elektrische Kontakte aus Silber mit Graphit und mit einem die Festigkeit des Werkstoffs steigernden Zusatz, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus 0,5 bis 50 Masseanteilen in % 3ines oder mehrerer Unedelmetalle besteht, die in Teilchen mit Teilchengrößen von höchstens 5 · 10~¹⁰mm³ in gleichmäßiger Verteilung im Werkstoff vorliegen.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unedelmetall-Teilchen kleiner als 0,5· 10~¹⁰mm³sind.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Silber in höchstens 5 · 10~¹⁰mm³, vorzugsweise höchstens 0,5 · 10~¹⁰mm³ großen Teilchen vorliegt.

4. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unedelmetall-Masseanteil 10 bis 25% beträgt.

5. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Mangan, Zink, Wolfram und Molybdän ausgewählt sind.

6. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle solche ausgewählt sind, deren Schmelzpunkt über dem von Silber liegt.

7. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle solche ausgewählt sind, die bei 2O⁰C eine elektrische Leitfähigkeit von wenigstens ΙΟΩ^ητιητΤ² haben.

8. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sis Unedelmetalle solche ausgewählt sind, die bei 20⁰C mit Silber keine Legierung oder allenfalls eine Ausscheidungslegierung bilden.

9. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetall Kupfer ausgewählt ist.

10. Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kupfers als Kupferoxid (CuO) vorliegt.

11. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Porenvolumen weniger als 2% beträgt.

12. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffs für elektrische Kontakte aus Silber und Graphit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver aus einer Ausscheidungslegierung von Silber mit dem Unedelmetall hergestellt wird, das Legierungspulver mit Graphitpulver gemischt, die Pulvermischung zu Formkörpern gepreßt, die Formkörper gesintert und nachverdichtet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper durch kaltisostatisches Pressen gebildet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper durch Strangpressen nachverdichtet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver durch ein Reaktionssprühverfahren erzeugt wird, und zwar durch gleichzeitiges Versprühen einer ein Silbersalz und ein oder mehrere Unedelmetallsalze enthaltenden Lösung in

. einem heißen Reaktionsgefäß.