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VEB Keramische Werke Hermsdorf Verfahren zur Herstellung eines Dispersionskontaktwerkstoffes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dispersionskontaktwerkstoffes
mit verbesserten Abbrand- und Schweißeigenschaften durch chemische Fällung einer
Metallsalzlösung. Der Werkstoff soll zur Herstellung von Kontakten Verwendung finden,
wie sie in der Starkstromtechnik, insbesondere im Schgtzbetrieb, zur Anwendung kommen.
Solche Werkstoffe bestehen bspw. aus den Komponenten Silber (Ag) oder Kupfer (Cu)
und einer Dispersionskomponente bspw.
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Kadmiumoxyd (CdO), Zinndioxyd (SnO2) oder Zinkoxyd (ZnO).
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Die Abbrand- und Schweißeigenschaften von Kontaktwerkstoffen durch
eine besonders feine und homogene Verteilung der Komponenten im Werkstoff zu verbessern,
ist bekannt. Zum Beispiel werden Ag und CdO als feinteilige Pulver innig miteinander
gemischt, verpreßt und anschließend gesintert. Die Dispersionskomponente CdO kann
auch als reines Metall zugesetzt werden, wobei die Oxydation von Cd zu CdO erst
während der Sinterung erfolgt. Die Verfahren, bei denen die Komponenten mechanisch
gemischt werden1 haben den Nachteil, daß selbst bei kleinsten Korngrdßen der Ausgangspulver
die gewünschte Gleichverteilung der Werketoffkomponent en nicht erreicht wird, da
mit sinkender Korngröße das Pließvermögen der Metallpulver zurückgeht und Agglomeration
eintritt.
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Bekannt sind auch Verfahren, die auf dem Prinzip der inneren Oxydation
beruhen. Eine Mischung von Metalipulvern, bspw. von Ag und Cd, wird in reduzierender
Atmosphäre gesintert, wobei Cd oberhalb des Schmelzpunktes vorübergehend in einer
flüssigen Phase vorliegt und durch Diffusion mit Ag Mischkristalle bildet. Bei der
nachfolgenden Glühung der Ag-Cd-Sinterlegierung an Luft wird Cd zu OdO oxydiert.
In gleicher Weise läßt sich auch eine schmelzmetallurgisch hergestellte Legierung
oxydieren. Das Verfahren führt zu kleinen Korngrößen und einer hohen Gleichmäßigkeit
in der Verteilung der Dispersionskomponente CdO im Werkstoff. Die Anwendung des
Verfahrens ist jedoch auf bestimmte Werkstoffsysteme beschränkt. Während mit Vorteil
Ag-CdO-Kontaktwerkstoffe hergestellt werden können, kann das Verfahren nicht auf
Ag-ZnO- oder Ag-SnO2-Kontaktwerkstoffe angewendet werden, da auf Grund des Wirkungsmechanismus
der inneren Oxydation bei diesen Werkstoffsystemen die Diffusion des Sauerstoffs
durch Oxydbildung auf ein Minimum herabgesetzt wird. Als nachteilig erweist sich
weiter der hohe technische Aufwand, der zur Erzielung kleiner Korngrößen und einer
gleichmäßigen Verteilung der Komponenten notwendig ist.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind chemische Fällverfahren bekannt,
wobei die Komponenten des Werkstoffes als Metallsalze in Lösung gebracht und durch
ein Fällmittel, z. B.
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Alkylihydroxyd, ausgefällt werden. Beispielsweise wird ein Ag-CdO-Werkstoff
hergestellt, indem einer Lösung aus Silbernitrat und Kadmiumnitrat Alkalihydroxyd
oder Alkali~ karbonat zugesetzt, das Fällprodukt abfiltriert, gewaschen,
getrocknet
und bei einer Temperatur von 300 bis 450 oC zersetzt wird. Das so aufbereitete Fällprodukt
wird anschließend verpreßt und gesintert. Das Verfahren ist auf Kontaktwerkstoffe
bspw. aus Ag-ZnO oder Ag-SnO2, bei denen die Komponenten des Werkstoffes bei einem
unterschiedlichen pH-Wert ausfallen, nur bedingt anwendbar. Wenn z. B. zur Herstellung
eines Ag-SnO2-Kontaktwerlrstoffes Sn in Salpetersäure gelöst und das entstehende
Zinn-Nitrat gemeinsam mit der Silbernitratlösung durch Alkalihydroxyd ausgefällt
wird, fällt die Dispersionekomponente SnO2 bereits im sauren pH-Bereich, Ag aber
erst oberhalb des pH-Wertes 7 aus. Dadurch treten im Werkstoff Inhomogenitäten auf,
die höhere Abbrandraten und eine höhere Schweißneigung des Kontaktwerkstoffes zur
Folge haben. Außerdem führt die Fällung zunächst zum Zinn (11) Hydroxyd, das sich
erst bei der Alterung zu Zinnmonoxyd umlagert. In dem zur Kontaktherstellung benötigten
Werkstoff ist aber höherwertiges Zinndioxyd erwilnscht, das sich nach diesem Verfahren
erst bei der thermischen Weiterbehandlung des Kontaktwerkstoffes bildet.
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Zweck der Erfindung ist es, die den bekannten Verfahren anhaftenden
Nachteile zu vermeiden und einen Kontaktwerkstoff zu entwickeln, der sich durch
ein verbessert es Abbrandverhalten und geringe Schweißneigung auszeichnet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren
der chemischen Fällung, wobei das alkalische Fällungsmittel, z. B, Alkalihydroxyd,
mit'einer Metallsalzlösung,
z. B. Silber-Zinn-Nitrat, zur Reaktion
gebracht wird, so zu modifizieren, daß die durch die Abhängigkeit bei der Fällung
verursachten Inhomogenitäten vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellung gelöst, indem einem an stich
bekannten Fällmittel, z. B. Alkalihydroxyd, die Dispersions-Komponente, die geeignet
ist, eine homogene oder kovalente Bindung mit dem Fällmittel einzugehen, z. B.
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Zinndioxyd, in löslicher Porm zugesetzt wird. Das so aufbereitete
Fällmittel wird mit einer Metallsalzlösung in Reaktion gebracht und das aus dem
Reaktionsgemisch gewonnene Fällprodukt anschließend abfiltriert, gewaschen, getrocknet
und gesintert.
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Mit Vorteil kann als Pällmittel Kaliumhydroxyd, Natriumhydroxyd oder
Triäthanolamin verwendet werden0 Als Dispersionskomponente können dem Fällmittel
auch Zinkoxyd-, Kupferoxyd oder Kobalt oxyd in löslicher Form zugesetzt werden.
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Der Metallsalzlösung, dem Fällmittel, dem Reaktionsgemisch und/oder
dem Fällprodukt können Karbide, Nitride, Boride und/oder Oxyde des Kadmiums, Kupfers,
Mangans, Tantals, Zirkons, Titans, Molybdäns, Wolframs, Aluminiums und Magnesiums
zugesetzt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor
allem
darin, daß ein Pällprodukt mit großer Homogenität und kleinen Korngrößen erhalten
wird, das zu einem Kontaktwerkstoff mit gutem Abbrandverhalten und geringer Schweißneigung
verarbeitet werden kann.
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Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert: Beispiel 1: Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes der Zusammensetzung
94 % Ag und 6 % SnO~2^ werden 62 g metallishces Sn in 500 ml 50 %iger Salpetersäure
bei einer Temperatur von 20 bis 30 °C gelöst. Die dabei entstehende Zinnsaure wird
abzentrifugiert und in 2,5 1 2-molarer Kalilauge gelöst. Von dieser Lösung werden
350 ml in 2,5 1 einer 20 zeigen Kal-ilauge gegeben, Sn liegt in der Lösung vorzugsweise
in Porm des kaliumhexahydrostannates als 4-wertiges Sn vor. Außerdem werden in einem
Fällgefäß 1698 g Silbernitrat in 7 l destilliertem Wasser gelöst. Nach vollständiger
Auflösung wird mit der vorbereiteten Kalihydroxyd-Kalihexastannatlösung gefällt.
Beim Eintropfen in die schwachsaure Silbersalzlösung fällt an der Eintropfstelle
gemeinsam mit dem- Silberhydroxyd ein voluminöser Niederschlag von Zinn (IV) Dioxydgel
aus. Die Niederschläge werden nach vollständiger Ausfällung abfiltriert und getrocknet,
Anschließend erfolgt das Pressen zu formkörpern unter einem Druck von 2000 kp/cm2.
Die Formkörper werden bei Temperaturen von 700 bis 800 oC in tuft gesintext,
Beispiel
2: Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes der Zusammensetzung 90 V0 Ag und 10
% ZnO, dem zur weiteren Verbesserung der Abbrand- und schweißeigenschaften hartstoffe
zugesetzt sind, werden 120 g frisch gefälltes Z9inkhydroxyd mit 20 %iger Natronlauge
zum Natriumzinkat gelöst und mit weitcren 350 g festem Natriumhydroxyd versetzt.
Die Lösung wird auf 2500 ml aufgefüllt und allmählich unter starkem Rühren in eine
Suspension, in der sich 1500 g gelöstes Silbernitrat und als Hartstoffzusatz 10
g feindisperses Zirkondiborid befinden, eingetropft. Nach vollstandiger Aus£allung
wird der Niederschlag abfiltriert, getrocknet und wie nach Beispiel 1 weiterverarbeitet.
Als Hartstoffe können auch 16 g Tantalkarbid, 16 g Wolframkarbid, 16 g Molybdänkarbid,
10 g Bornitrid, 30 g Kadmiumoxyd, 60 g Kupferoxyd, 30 g Mangandioxyd, 20 g Aluminiumoxyd,
20 g Magnesiumoxyd oder 20 g Titandioxyd oder Gemische dieser Stoffe der Natriumzinkat-Natriumhydroxydlösung,
der Silbernitratlösung, dem Reaktionsgemisch aus beiden Lösungen oder dem Pällprodukt
in pulvriger Porm zugesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Anwendung nicht auf Ag-Dispersionswerkstoffe
beschränkt. Zur Herstellung eines Kupfer-Kobaltoxyd-Werkstoffes wird einer wässrigen
Lösung von komplexem Kobalt-Triäthanolamin mit einem aber schuß an freiem Triäthanolamin
unter starkem Rühren eine schwachsaure Kuppfernitratlösung eingetropft. Der entstehende
feindisperse Niederschlag aus Kupf er- ud Kobalthydroxyd wird wie im Beispiel 1
weiterbehandelt. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren werden bspw.
von Ag oder Cu-Dispersionskontaktwerkstoffen die Abbrand- und Schweißeigenschaften
um 60 bzw 25 % verbessert.