DE1614203A1

DE1614203A1 - Elektrisches Kontaktmaterial

Info

Publication number: DE1614203A1
Application number: DE19671614203
Authority: DE
Inventors: Haarbye Fredrik Olaf
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1966-12-09
Filing date: 1967-12-08
Publication date: 1970-05-27
Also published as: US3545067A; FR1550507A; GB1200313A

Description

3-00

Pager. gQietons: M 1084 Elektrisches Kontaktwaterial.

Silber-Cadmiuißoxyd-Bänder werden irt steigend·» MftSe «uf Tleitn elektrischen Anwendimgaigöbieten als elektrische Kontfiktaaterl*- lien verwendet. Hauptsächlich wird dieeas elefctyieeb« lontaictmaterial nach zwei grundlegenden Verfahreia iitrgeetellti

1, Durch Yergießeii einer Silber-C&daiiuB»Iegieff«uig werden Stäbe hergestellt, die «neenlidSend imgefähr «uf die güfunMht· Banddicke geweißt werden. Dabei wird deus Silbtr«CaäaittB<»BvBd innerlich oxydiert, wobei ggf. ein Waisen anieeenl^ssem wii*d_f üb den Streifen auf die gowunsehte Pieke su bringen»

2. i& itfir^ «in TOitcnqrataglM %w4

©Ines&ergeschicht·ten Mgm asu» teinea ua# beatGht₉ wobei Stellen ir^rgesehen sled, «ü wele^s teia Oadndi oxyd Tarnenden iat.. "'

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In der deutsohen Patentachrift ,

enttpreohtnd der ü.S. Anawldung Serial 9ο· 445 Ο3Θ) wird ein Verfahren sur Herstellung eine· Toroxydierten Silber-Cadoiueozyd-Beade· aus Schrotkörnern oder -pellet· beschrieben. Wie in dieser Patentschrift silier aiMgeführt wird, besteht dieses Verfahren i» *ilfe»eintn au« #ssi öieÄen eines Silber-Cadmiua-Schi-ofSi». C^ $&&*%*» O2cyd*tion 4ieses Sehrote, dsr Kompaktierung des oiydierte» Sahrots, iss etrsjsgpresssn des Schrots sowie des KaltvejSttaetsitSB dee Istrwdate auf die gewünschte Endgröße, Durch dieeee Verfahren ist es gelungen, weitgehend die Vaohteile der obenerwähnten Verfahren su beseitigen«

Haohdem das Silber-Gadaiuaoxyd-Band hergestellt worden 1st, > tritt das Problem auf, das Band alt siasa geeigneten ünterlagenaaterial, beispielsweise aus rostfreies Stahl, sur Bildung von baisjpielweiee ei3ie» elelrtriechen Kontakt su verbinden. 9orataler%reise erfolgt diese Verbindung durch Schweifen

0Q982270S7S

BAD ORIGINAL

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Die TorliegenÄ« Brflndiusg betrifft die Sehftffmg @ia®· η·α«& elektrifchea Kcntaktaaterieis, das esa» «£a«B Silbey-GadmluB-oxyd-Bead besteht, wobei im äieeos Material ©in® gleioh«&Big«r· Tertoilung dee @ads&ino^rd8 vorliegt. In den ©3?fi!idungeg«aÄfl»n itaBttfktittfteslaX, gibt ·· &#£b« inneren St6ll«a« '«a welchen kein Cadalueoxyd vorbßßdea iet« "infofdÄ b««f$iit de§ aäBe Kontaktmateriftl nicht RHS

au» feinen und grobea ^^.^.iiisoi^^tcilfi^eo, web»i. @m@h keim© . Lagen auf taten _s in denen keim Caiaiü@©^HI Tornand^n ist. Im. den erfindungegealfcSeiä -Material liegt ©ine willkürliek© ?®rtei lung der Cadai^iBex^dt©il@h@mgr5S©£i. dursli is© gams© Material hindurch vor. In den Bääson dar Brfisi^sg filit töwmw die

BAD ORIGINAL

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Schaffung eineβ Bandmaterials, das eine Unterlagenschicht aus Feinailber besitzt, so daß auf diese Weise ein elektrisches Bimetallkontaktmaterial zur Verfügung steht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufbringung derartiger Schichten aus Feinsilber auf das Sllber-Cadmium-Bandmaterial. Zu diesem Zweck bedient man sich vorzugsweise eines Heißwalz-Verbindungsverfahrens, um eine Feinsilberschicht auf das Silber-Cadmiumoxyd-Band aufzubringen.

Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Sie Figur 1 ist ein Querschnitt durch das erfindungsgemäfi hergestellte Silber-Cadmiumoxyd-Band.

Die Figuren 2 und 2 a sind Querschnitte durch Silber-Cadmiumoxyd-Bänder, die nach bekannten Methoden hergestellt worden sind, während durch

die Figuren 3-5 Kurven wiedergegeben werden, welche die Wirkung zeigen, die durch das Variieren bestimmter Verfahreneparameter bei der erfindungsgemäßen Herstellung des Bandes auftreten.

Erfindungsgemäß wird ein Band aus einem elektrischen Kontakt-

material 009822/0670

material zur Verfügung gestellt, das aus Silber-Cadmiuraoxyd besteht, wobei das Cadmiumoxyd in einer Menge big zu 30 Gew.# vorliegt. Das Band besitzt eine Mikrοstruktur mit einer willkürlichen Verteilung der Teilchengrößen des Cadmiumoxyde durch das ganze Band hindurch, wobei keine Stellen auftreten, an welchen kein Cadmiumoxyd vorliegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Band eine Unterlage aus Feineilber, die mit dem Band ein Ganzes bildet.

Der Cadmiumoxydgehalt ist auf ein Maximum von 30 Gew.^ begrenzt, und zwar im Hinblick auf die schlechten Kontakteigenechaften sowie die Unmöglichkeit, das Material durch Anwendung von Knetmetallverarbeitungsmethoden zu verarbeiten.

Das Verfahren zur Herstellung des Silber-Cadmiumoxyd-Bandee, das unter Bildung einer Einheit mit einer Silberunterlage verbunden ist, besteht darin, ein Silber-Cadmium-Schrot zu gießen, das Schrot innerlich zu oxydleren, das oxydierte Schrot zu kompaktieren, das Schrot strangzupressen, die Unterlage aus Feinsilber mit dem Extrudat durch Anwendung einer Heißwalzung zu verbinden und anschließend das erhaltene Gefüge auf die gewünschte Enddicke zu walzen.

Die MikroStruktur des erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktmaterials geht aus Figur 1 deutlicher hervor. Wi^ auθ dieser Figur zu ersehen ist, liegt eine willkürliche Verteilung

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der Teilchengrößen des CadmiumoxydB IO durch dae ganze Kontaktmaterial hindurch vor. In dieser Hinsicht unterscheidet eich das erfindungsgemäße Kontaktmaterial von anderen elektrischen Silber-Cadinium-Kontaktmaterialien, wie sie beispielsweise durch die Figuren 2 und 2 a wiedergegeben werden. Bei diesen Materialien treten Zonen oder Kernstellen 20 auf, an denen kein Oadmiumoxyd vorhanden ist. Das durch die Figur 2 wiedergegebene Material wurde voroxydiert, während das Material, das die Figur 2 a zeigt, in aufeinandergeschichteten Lagen voroxydiert wurde. Derartige Zonen, an denen kein Cadmiumoxyd vorliegt, haben zur Folge, daß das elektrische Kontaktmaterial eine starke Neigung besitzt, zusammenzuschweißen oder zusammenzukleben. Ein weiterer Vorteil, der auf Grund der Tatsache erzielt wird, daß keine Stellen vorliegen, an welchen sich kein Cadmiumoxyd befindet, ist darin zu sehen, daß die willkürliche Teilchengrößenverteilung durch das ganze Material hindurch «in einheitliches und reproduzierbares Material ermöglicht.

Ein voroxydiertes Silber-Cadmiumoxyd-Band, das erfindungsgemaÖ hergestellt worden ist, wird unter Verwendung eines Hochstromkontaktgebers (Synchronklappen-Typ (general purpose clapper type)) auf seine Verwendung als elektrisches Kontaktmaterial untersucht. Zur Erzielung von Vergleichsversuchen wird ein nachoxydiertes Material auf die gleiche Weise getestet.

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Kontakte mit einem Durchmesser von 9,5 mm (3/8 inch) werden zu Kontaktbolzen verlötet und in den Kontaktgeber eingesetzt. Die Kontakte werden zu Beginn und nach Beendigung des Beets zur Ermittlung des Gewichtsverlustes gewogen. Der Spannungsabfall wird zu Beginn und nach Beendigung des Teste gemessen, wobei der durch die Kontakte fließende Strom aufgezeichnet und die Temperatur des stationären Kontaktträgers während des Tests verfolgt wird. Die Kontakte werden 20 OOOmal zur Unterbrechung eines Stromes von 150 A.bei 240 V (Wechselstrom) getestet, wobei der Leistungsfaktor 45 - 50 # beträgt.

Es werden folgende Materialien getestet!

Ag + 10 f> CdO - voroxydiert
Ag + 15 # CdO - voroxydiert
Ag + 10 56 CdO - nachoxydiert
Ag + 15 # CdO - nachoxydiert

Wie aus der nachfolgenden Tabelle hervorgeht, sind bei Verwendung der voroxydierten Materialien die elektrische Erosion Gewichtsverlust), der Spannungsabfall und der Temperaturanstieg niedriger als dies bei der Verwendung der voroxydierten Materialien der Pail ist. Dieee niedrigeren Werte machen das erfindungβgemäße Kontaktmaterial gegenüber den bisher bekannten Materialien überlegen.

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Gewichtsverlust maximaler _v

pro Kontaktpaar Temperatur- ^mV

Test Nr₀ Material in Gramm anstieg beim Start dee Abfall«

43⁰C 28 12

44°C 21 13

40⁰C 30 16

42,3°C 26 13,7

43⁰C 23 15,6

48⁰C 27,6 18

49°C 32,4 24,4

46,7⁰C 27,7 19,3

45⁰C 31 17

,45⁰C 30 20,6

44°C 32 18,6

44,7⁰C 31 18,7

44°C

47⁰C
46°C

45,3^eC 009822/0576

3610	Ag-IOJS CdO voroxydiert	3671	It Il	It It	0,0275
3611	Il ti	3672	π ti	M tt	0,0161
3612	It It	Durch schnitt	Il tt	η π	0,0267
Durch schnitt	Il ti	3619	Ag-I5* CdO voroxydiert	0,0234
3670	Ag-IOjS CdO	3620	It It	0,0436
nachoxydiert	3621	Π It
Durch schnitt	η ti	0,0302
3637 Ag-15% CdO nachoxydiert	0,0346
3638	0,0361
3639	0,0375
Durch schnitt	0,367
0,0354
0,0365
0,0460
0,0487
0,0475
0,0473

Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, nimmt man an, daß die neuartige Kornstruktur des erfindungsgemäßen elektrischen Silber-Cadmiumoxyd-Kontaktmaterials durch das Voroxydations-Schrot-Strangpressverfahren, welches in der obenerwähnten deutschen Patentschrift beschrieben ist, erzielt wird, und zwar infolge der Oxydation von Me tall teilchen mit kleinen Volumina. Da die Cadmiumoxydteilchengröße proportional zu der Gesamtentfernung der zurückgelegten Wegstrecke in Sauerstoff während der Oxydation ist, läßt sieh eine Steuerung der Cadmiumoxydteilchengröße durch Regulierung der Metallschrot·» oder -pelletgröße durchführen. Durch Herabsetzung d@r Cadmlumozydteilchengröße wird die Oberfläche des Oxyds erheblich erhöht, ohne daß dabei in nachteiliger Weise die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktmaterials beeinflußt wird. Man nimmt an, daß diese vergrößerte Oberfläche des Cadmiumoxyds eine günstige Wirkung hinsichtlich der Verminderung der Neigung zum Zusammenschweißen oder Zusammenkleben des Kontakts während See Betriebes ausübt. Ferner kommt der !Seinen Größe der Cadmlumoxydtellchen eine Härtungewirkung auf dem Kontaktmaterial bu, so daß dieses Kontaktmaterial gegenüber Verschleiß weniger anfällig 1st. Eine praktische Methode zur Steuerung der uadmiunoxydteilchengröße bestand vor der Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht. Da ferner die im Sauerstoff zurückgelegte Wegstrecke relativ kurz ist, ist die Oxydation beendet, bevor eine Entfernung von Cadmium aus dem zentralen Teil

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des Metallschrote oder -pellets stattgefunden hat. Die Begrenzung der Größe dieses Kontaktmaterials in Bandform richtet sich nur nach den mechanischen Grenzen der Verarbeitungeanlage und nicht nach metallurgischen Paktoren, wie dies bei dem nachoxydierten Material der Fall ist.

Sie vorliegende Erfindung sieht ferner die Schaffung eines Silber-Cadmium-Bandes, das mit einem Unterlagenmaterial versehen ist, welches beispielsweise aus Peinsilber besteht vor. Das Unterlagenmaterial ist unter Bildung eines Bimetallbandeβ mit dem Silber-Cadmium-Band zu einer Einheit verschmolzen· Ein derartiges mit einer Unterlage versehenes Band ist erforderlich, um das Silber-Cadmlum-Band mit einem Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, zur Bildung eines elektrischen Kontakts zu verbinden.

Die bevorzugten Stufen zur Herstellung dee Bimetallstreifens nach dem Strangpressen des Schrots sind nach dem in der obenerwähnten deutschen Patentschrift beschriebenen Verfahren folgende:

1. Das Material wird zur Bildung eines Band-Sandwich zerschnitten.

2. Ein Ende des Band-Sandwich wird heftgeechweißt.

3. Das Band-Sandwich wird vorerhitzt.

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4. Das Band-Sandwich wird durch Walzen verbunden.

5. Das Band-Sandwich wird durch Walzen überzogen.

6. DaB überzogene Band wird mittels einer Walze geglättet, worauf die Silberseite gerändelt wird.

7. Das Ende dee überzogenen Sandwich wird zurechtgeschnitten.

8. Das überzogene Sandwich wird auf seine endgültige Breite zurechtgeschnitten.

Wie aus den Figuren 3-5 hervorgeht, gibt es drei Yerfahrensparameter, die eine merkliche Wirkung auf die Qualität der Bindung zwischen der Unterlage aus Feinsilber und dem Silber-Cadmium-Band ausüben. In den durch die Figuren wiedtrgtg*ben«n Kurven wird die Abschälfestigkeit oder die Kraft, die tür Abtrennung der Unterlage von dem Streifen erforderlich let, ale Parameter für die Bindungsqualität verwendet. Wie aus Figur 3 hervorgeht, wird eine optimale Qualität der Bindung bei Einhaltung einer Vorerhitzungstemperatur von ungefähr 775 - 825⁰C erreicht. Ein derartiges Vorerhitzen erfolgt vorzugsweise in einem Ofen, durch welchen das Material durchgezogen wird. Bti höheren Temperaturen besteht die Gefahr des Schmelzens während des Vorerhitzen sowie die Gefahr eines Anklebene dee Metall-Sandwich an die Walzen während des Walsvorgauges. Bei tieferen Temperaturen findet eine unzureichende Diffusion statt, so daß keine vollständige Bindung über die ganze Grenzfläche hinweg erfolgt. Wie auß Figur 4 hervorgeht, ist die Zeitspanne,

während 009822/0576

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während welcher das Metall-Sandwich vorerhitzt wird, dann von Bedeutung, wenn lange Materialien hergestellt werden, sollen· Im allgemeinen wird für die angegebene Vorerhitzungstemperatur eine Vorerhitzungszeit von ungefähr IO - 20 Minuten bevorzugt.

Das zur Erzielung einer guten Bindefestigkeit erforderliche Ausmaß der Verformung ist aus zwei Gründen von Bedeutung: Die Verformung ermöglicht einen innigen Kontakt zwischen den aufeinanderliegenden Oberflächen und erzeugt eine weitere neue Oberfläche, die frei von Metalloxyden oder Verunreinigungen ist. Ist jedoch das Ausmaß der Verformung zu groß, dann kann die Oberfläche brechen, wobei außerdem andere Defekte auftreten können. Im allgemeinen ist, wie aus der in Figur 5 gezeigten Kurve hervorgeht, eine minimale Verformung von ungefähr 10 # erforderlich, um eine minimale Unterlagenfestigkeit zu erzielen, wobei ein Optimum zwischen ungefähr 10 und 25 # liegt.

Die folgenden Ausführungen erläutern das Verfahren zur Herstellung des neuen elektrischen Kontaktbandes aus Silber-Cadmiumoxyd mit einer Metallunterlage aus Feinsilber.

Ein geschmolzenes Bad, das aus 31,8 kg Silber/10 Gew.56 Cadmiumoxyd besteht, wird auf ungefähr 126O°C übererhitzt. Dieses geschmolzene Bad wird in einen Gußeisentrichter gegossen, der eine Vielzahl von Öffnungen in einem Graphiteinsatz aufweist.

Nachdem 009822/0575

Nachdem das geschmolzene Metall die Öffnungen verlassen hat, wird es der Einwirkung eines Gemisches aus Luft und 50 $> Wasserdampf unterzogen, wobei dieser Strom in Eichtung des geschmolzenen Metalles strömt, so daß der Strom aus geschmölzenem Metall in kleine Fragmente aufgeteilt wird. Das Metall wird anschließend gesammelt und auf eine Temperatur von ungefähr 70°C unter Bildung eines Silber-Cadmium-Schrots abgekühlt, dessen Teilchen eine solche Größe besitzen, daß sie durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 6,3 mm (1/4 inch) hindurchgehen. Das Schrot wird anschließend bei Zimmertemperatur an der Luft getrocknet und durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 6,3 mm (1/4 inch) gesiebt. Das Schrot wird dann durch Erhitzen in einer Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 775 - 815⁰C 24 Stunden lang oxydiert. Pas oxydierte Schrot wird anschließend unter einem Druck von ungefähr 85/90 TSI kompaktiert und anschließend unter Bildung eines Bandes mit einer Abmessung von 12 mm χ 3»2 an ζ 15 » (0,500 inch χ 0,125 inch χ 50 feet) etranggepraßt.

Das stranggepreßte Band wird anschließend auf eine Länge von ungefähr 90 cm (3¹) zerschnitten, worauf ein Band aus Peinsilber mit einer Dicke von ungefähr 0,38 mm (0,015") auf das Band heftgeschweißt wird. Der erhaltene Sandwich wird anschließend in einem chargeweise betriebenen Ofen auf eine Temperatur von ungefähr 800⁰C während einer Zeitspanne von

15 Minuten 009822/0575

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15 Minuten erhitzt. Die Unterlage, aus Feineilber wird anschließend durch Walzen mit dem Silber-Cadmium-Band unter Bildung eines einheitlichen Gebildes verbünden, in dem der Sandwich durch.ein Walzenpaar geleitet wird, wobei die Waisen 3»2 mm (0,125") voneinander entfernt sind. Der erhaltene Bimetallstreifen wird anschließend auf eine Dicke von ungefähr 2,5 mm (0,100") verformt, wobei der Yerformungegrad ungefähr 23 Ji beträgt. Anschließend wird der Streifen durch Waisen geglättet. Die Verformung erfolgt in einem einsigen Schritt.

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Claims

Patentansprüche %

ClJ Elektrisches Kontaktmaterial in Form eines Bandes, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus einem voroxydierten Silber-Cadmiumoxyd besteht und eine MikroStruktur besitzt, in welcher eine willkürliche Teilchengrößenverteilung dee Cadmiumoxyds durch das Band hinduroh vorliegt, ohne daß dabei Stellen auftreten, die frei von Cadmiumoxyd sind.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß es aus Silber und bis zu 30 Gew.# aus C&dmlumoxyd besteht.
3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekem&s®i@te©t₉ StJ die Mlkrοstruktur durch ein Schrot-StrangprcSverfato¹©® ka^g©^ stellt worden ist.
4. Material nach Anspruch .J, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Silber und bis zu 30 Gew.?6 Cadmi<amo2yd besteht.
5> Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band mit einer Unterlage aus Feinsilber v®TQ®fa®m. ist, die mit das Baad nater Bildung einee Bia@t&XXsia<äwie!2, als Ganzes verbunden ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bimetallkontaktmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß ein Silber-

___ΛΛΛΛ ,_n.._f Cadalum-S< 0098 2 2/0575

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Cadmium-Schrot gegossen wird, das Schrot innerlich oxydiert wird, das oxydierte Schrot kompaktiert wird, das Schrot stranggepreßt wird, eine Unterlage aus Feineiltoer durch Heißwalzen mit dem stranggepreßten Schrot verbunden wird und das erhaltene Gefüge auf die gewünschte Enddicke gewalzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Verbinden mit dem stranggepreßten Sohrot mit einer Peinsilberunterlage hergestellte Sandwich zur Erzielung einer maximalen Abschälbeständigkeit dee Unterlagenmaterials auf eine ausreichende Temperatur während einer ausreichenden Zeitspanne erhitzt wird, die Sandwichbeβtandteile derart durch Walzen miteinander verbunden werden, daß die Silberunterlage und das Band unter Bildung dee elektrischen Bimetallkontaktmaterials als Ganzes verbunden werden und anschließend das Bimetall mit einem derartigen Verformungsgrad verformt wird, der dazu ausreicht, eine maximale Abschälbeständigkeit des Materials zu gewährleisten, um dieses Material auf eine gewünschte Dioke herunterwalzen zu können.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandwich auf eine Temperatur von ungefähr 775 - 825⁰C während einer Zeitspanne von 10 - 20 Minuten vorerhitzt wird.

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