DE1910965A1

DE1910965A1 - Elektrisches Kontaktmaterial hoher Leistung

Info

Publication number: DE1910965A1
Application number: DE19691910965
Authority: DE
Inventors: Kosco John C
Original assignee: Stackpole Carbon Co
Current assignee: Stackpole Carbon Co
Priority date: 1968-03-28
Filing date: 1969-03-04
Publication date: 1969-10-16
Also published as: GB1214961A; US3482950A

Description

Stackpole*Carbon Company in St.Marys, Pa., V.St.A.

Elektrisches Kontaktmaterial hoher Leistung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Material für hochbeanspruchte elektrische Kontakte, z.B.für Starkstromschalter, die einer Belastung von 15 - 20 Amp.unterliegen.

B¹Ur diesen Zweck werden üblicherweise Kontakte auf der Qrundlage von Silber-Wolfram, Silber-Molybdän oder Kupfer-Wolfram verwendet. Werden solche Kontakte häufig und in kurzen Zeitabständen geschlossen und geöffnet, so tritt eine erhebliche Erhitzung in den Schaltern und an den Kontaktflächen auf, die dazu führen kann, daß die Kontaktflächen unwirksam werden.

Es ist bekannt, daß elektrische Kontakte die beste Leistung aufweisen, wenn ihre Dichte angenähert der theoretischen Dichte entspricht, d.h. mindestens 95 7» &&- der theoretischen Dichbe oder mehr aufweist.

Eine annehmbare Dichte kann durch Infiltration der Kompaktstoffe, z.B.Silber, oder durch Warmpressen oder Warmprägen erzielt werden. Das Warmpressen und Warmprägen werden jedoch von den Herstellern

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elektrotechnischer Gerate mit·Hochleistungskontakten nicht gern durchgeführt, weil diese Behandlungen einen hohen Aufwand erfordern und unwirtschaftlich sind. Aus dem gleichen Grunde würde man gern auch die Infiltrationtsbehandlung vermeiden. Indessen mußten diese unwirtschaftlichen Behandlungen bisher durchgeführt werden weil es nicht möglich war, die gewünschte Dichte durch einfaches Pillieren und Sintern der meist gewünschten stofflichen Zusammenstellungen zu erreichen.

Kontaktstoffe auf der Basis Uu-Ni-W können durch mehrstündiges Pilieren und Sintern auf nahezu theoretische Dichte gebracht werden, und dies ist auch für einige andere stoffliche Zusammensetzungen möglich, aber da.3 langfristige Sintern ist aufwendig und mit erheolichen Kosten verbunden, v'av die meisten anderen stofflichen Zusam-

tcUy
mensetzungen fahrt/diese onnehin lastige ,Behandlung nicht zum Ziel, ssLbst wenn man annimmt, daß sie sich ziemlich ähnlich wie Cu-Ni-W-Verbindungen verhalten. Beispielsweise laßt sich aus der Fachliteratur nachweisen, daw sich die stofflichen Zusammensetzungen üilber-WoIfram und Kupfer-«folfram nicht durch Pressen oder Sintern auf eine Dichte von angenähert yo ;/ί> der theoretischen Dichte bringfcn lassen» Dies gilt auch für stoffliche Zusammensetzungen auf der Basis von Molybdän sowie/Kontaktstoffe, bei denen die Kupferkomponente der stofflichen Zusammensetzung Gu-Ni-W durch Silber ersetzt werden würde.

Im allgemeinen kann in den bekannten stofflichen Zusammensetzung, en für Hochleistungskontakte eine der theoretischen Dichte angenäherte Dichte nicht unmittelbar durch Sintern solcher pilierten

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Zusammensetzungen erreicht werden. Man könnte annehmen,daß das Ziel einer maximalen Dichte durch Anwendung eines ausreichend hohen Piiierungsdruckes erreicht werden könnte, weil hierbei eine Verminderung der Porösität eine Zunahme der Dichte nach sich ziehen könnte. Dabei hat sich jedoch herausgestellt, daß trotz einer zunähme der Dichte der Kompiaktstoffe bei zunehmendem Pilierungsdruck ein Punkt erreicht wird, über den hinaus die Dichte wieder abnimmt. Die Bearbeitung mit erhöhtem Pilierungsdruck erfordert Ate überdies Kostspielige (JesenKe und einen erheblichen Kraftbedarf. Im übrigen wäre es selbst oei Anwendung von ungewöhnlich hohen Pilierungsdrücken wahrscheinlich, daß die Kontaktstoffe beim Sintern durch Bildung von üasen zerfallen würden, die sich auf den UDerflachen der Pulverteilcnen ansammeln.

Dies belegt slcn auch aus der folgenden Aufstellung der £rrie£- nisse von versuchen,(denen die angegeoenen stofflichen Zusammenstellungen zunächst unter den angegebenen Bedingungen piliert und dann bei löOü gesintert wurden. Die raoelle giot auch das Ausmaß der Schrumpfung beim Sintern und die Diente der gesinterten otoffe im Verhältnis zur theoretischen Dichte an.

Silber· rneor. j

Verformung

Gemisch gehalt Dichte DrucK · Dientet ρ theor.' Zeit¹ Tempi ρ l&^tneor. in * g/cnr kg/cm² g/crn-^ ₍ Dichte (Hin) (°C)bchrumpflDichte

Ag- i-io

Ag-kV
Ag-W

44 4t 4Ü 15

; 3ÖÜO

7,7

11; 2 12,i

16UU

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BAD

Aus diesen Versuchsergebnissen geht hervor,daß die Dichte von pilierten und gesinterten Kontaktstoffen der für Hochleistungskontakte üblicherweise verwendeten Materialien wesentlich unter dem !"kidestwert von yO % der theoretischen Dichte liegt, die man für eine annehmbare Ausführung solcher Kontakte als wesentlich ansieht.

Es gibt keine anerkannte Erklärung für das anormale Verhalten dieser vorstehend angegebenen Kontaktmaterialien, und in Abwesenheit einer ausreichenden Grundlage für das Verständnis der Unterschiede im Verhalten der verschiedenen stofflichen Zusammen-

Setzungen, sowie in Anoetracht der -1 ig ekitten- igke4Hfc_; die gewünschte Dichte durch einfaches filieren und eintern zu erzielen, bleibt die Herstellung von Hochleistungskontakten dem Zufall, den betrieblichen Aufwendungen und Erfahrungen überlassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktmaterial zur Herstellung von elektrischen Hochleistungskontakten zu schaffen, mit dem es möglich ist, die Kontakte auf einfache Weise mit einer Dichte herzustellen, die mindestens V5 % und vorzugsweise 9b -/> der theoretischen Dichte beträgt* wobei die Herstellung ohne die ÜDliche Infiltration von gesinterten KompaKtstoffen erfolgen kann. Dabei sollen diese Hochleistungskontakte im GeDrauch bei Häufigem Offnen und Schließen/hur einen geringen Temperaturanstieg aufweisen und Dilliger und einfacher als bisher nach Methoden der Pulvermetallurgie ohne Infiltrationsstufe, ohne Warmpressen oder Warmprägen nersteilbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das

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Kontaktmaterial in Mengenanteilen folgende Zusammensetzung aufweist:

Silber 15 - 60 #

TitankarDid 30 - 55 %

Nickel ö - 40 Jb

Molybdän 0,1 - 10 β

nine in diesem liahmen bevorzugte Zusammensetzung besteht in Mengenanteilen aus 30 γ₀ Silber, ^b % i'itankarbid, 19 /o Nickel und 5 /o Molybdän, ßesuergebnisse werden erreicht, wenn der Gesamtgehalt des Kontaktwerkstoffes an Silber und Nickel etwa ^O - ?0 y> beträgt.

Einzelne Komponenten dieser erfindungsgemäßen Zusammensetzung können ersetze werden, ζ.ό. Silber durch Kupfer, ferner MolybdöW durch Wolfram_yoder beide, jeweils in den für Silber und Molybdic angegebenen Bereichen, so daß die Erfindung die Zusammensetzungen AgNiMoTiC, CuiUtfoTiC, AgNiWTiG und GuNiWTiC Λ^*^*^Φ^·

Hochleistungskontakte dieser stofflichen Zusammensetzungen sind in ihrem Verhalten aui3erordentlich zufriedenstellend. Ein hoher Nickelgehalt ist für elektrische Kontakte nicht uolich, weil er nicht zur elektrischen Leitfähigkeit oder zur Verhinderung des Abschmelzens beiträgt, doch ist dieser Nickelgehalt bei Vorhandensein der anderen uestandteile nach der Erfindung bedeutungslos. Zusammensetzungen aui3erhalb der angegebenen Grenzwerte sind hinsichtlich der erstrebten Wirkung nicht befriedigend. Aus wirtschaftlichen Erwägungen sind die stofflichen Zusammensetzungen nach der Erfindung wichtig, weil die Anteile an Silber und Molyb-

dqn, bei denen es sich um teure Stoffe handelt, wesentlich unter den Mengenanteilen liegen, die zur Herstellung von Silber-Wolfram

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und Silber-Molybd^n-Kontakten benötigt werden, übrigens gibt es bisher auch keine Kommerziell verwendbaren Kontaktwerkstoffe zur Herstellung von Kontakten für einen Belastungsbereich von 20 Amp. und darüber, die einen Nickelanteil der nier vorgesehenen Menge aufweisen. 'Normal wäre aus einem so hohen Nickelanteil eine ungünstige ivurzschlußcharakteristik zu erwarten, doch hat sich herausgestellt, daß das Kontaktmaterial nach der Erfindung eine ausgezeichnete Kurzschlußsicherheit aufweist.

Eine einzigartige Eigenschaft der Kontaktwerkstoffe nach der Erfindung besteht darin, daß ihre Porösität nach aem Sintern völlig unabhängig von aem Verformungsdruck Deim Pilieren ist, a.h. die Kompaktstoffe schrumpfen unabhängig von ihrer ursprünglichen Dichte stets angenähert auf die theoretische Dichte.

Die zur Herstellung der Kontakte angewendeten pulvermetallurgischen Verfahren sind so weitgehend bekannt und gebräuchlich, daß es für den Fachmann zur Durchführung des nachstehenden Ausführungsbeispiels keiner näheren Anleitung bedarf. Ausführungsbeispiel

Ein Pulvergemisch das in Gewichtsanteilen 40 fo Silber, 30 % Titankarbid, dZ^ /o Wickel und. '/,5 /₀ Molybdän enthält, die sämtlich eine Kornfeinheit von unter jZj Sieomaschenweite aufweisen, wird zum leichteren Pilieren mit einem geeigneten Bindemittel versetzt, z.B. durch Zugaoe von i'rockenwacns. Das wachs und das Pulvergemisch werden innig gemiscntjund das Gemisch wira mit einem Druck von 1400 Kg/cm piliert. Die Masse wird dann 5 Minuten lang in einer nicht oxydierenden Atmosphäre bei 1'37$° C gesintert,, Die Dichte des Erzeugnisses Detragt dann mehr als 95 % der cneuretischen

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Dichte, nämlich 7,4 - 7 »5 g/cm . In diesem ^aIIe betrug die theoretische Dichte 7>b g/cm , die Dichte nach dem Filieren 5,5 g/cm , d.h. 7J # der theoretischen Dichte, und die Scurumpfung

■t
beim Sintern oetrug 17 ,*. Die Überlegenheit ergibt; sicn ohne weiteres oeim Vergleich mit den Werten der im Eingangsteil tier BeschreiDung oefindlichen Aufstellung.

Im vorliegenden ralle wurde die überlegenneit auch durcn Vergleichsversuche ttxtrcn AontaKten nach der Erfindung ntäft den im Handel befindlichen Kontakten bestätigt, woDei diese Vergleichsversuche in !•'aoriKen durchgefünrt wuraen, die sich mit aer Herstellung von Stromunterbrechern des in Betracht Kommenden Leistungsbereiches befassen. Bei diesen Vergleichsversuchen wurden die bi/romunterbtfecner in ständigem Wecnsel tausendmal ein- und auügescnaltet, woraui' eie in der cinschaltstellung verblieoen^ ois die Temperatur ausgeglicnen war, normalerweise etwa ? - j Stunden lang} sodann wurde der l'emperaturans i^xeg uDer die Raumtemperatur gemessen. Diese lietutigung und nessung wurde jeweils i'ur lüüU ScnaltDetatigungen ο mal wieaernolt. Der maximale Temperaturanstieg oei diesen versuchen Detrug für unterorecner mit ivontaKten nacn der δπ"Innung nur ^u⁰C. im einzelnen natten die vergleicjnsversucne lolgende argeonisse:

Hersteller nr.i

rtandelsiDliciie rvontaKte Keine 1 ·+ Gerate ui - -j/ J

KontaKte nacn aer Erfindung

■}KJ -

D M-

D D

ι δ Gerate

Jl

D "

LD - 1O°Ü lü - ti -ι Ü

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DD - oc DD - ÖU⁽

Hersteller Nr.2

handelsübliche kontakte Heine 1 4 Gerate b - 14⁰C

2u - 5G°C

3 ι 3

4 1 3

3 4

b 4

2O⁰C

bo - yü C

öü -

VU - HG⁰G

V3 - 96^C

Kontakte nach der Erfindung iieine 1 4 Geräte 13 - 37°G

15 - 2Ü^WC 63 - 7Ü°C

15 - 3ü°C

16 - 46°C

2	tv tv
3	4
4	4
Vr,	3 1
6	2 2

13 -

53 -

32⁰C

25°G 6 7 ⁰G

Aus den Versuchsreihen beider Hersteller geht hervor, daü der mittlere Temperaturanstieg bei Verwendung von Kontakten nach der iirl'indung wesentlich niedriger war als bei Stromunterbrechern mit HandelsuDlicnen Kontakten. Liegt der Temperaturanstieg bei der mitgeteilten Versucnsdurchführung mit einem tausendmaligen Ein- und Ausschaltvorgang uDer γ^ G, so treten wänrend der üchaltvorgänge an den Kontakten Temperaturen auf, die die Betriebssicherheit gefänr^en. Bei dem Hersteller Wr.1 wurden diese Temperaturen bei üeraten mit handeisablicnen Kontakten in allen ballen erreicht, bei dem Hersteller Nr. 2 in vier von sechs Versuchsreihen, während der Temperaturanstieg Dei Geräten mit Kontakten nach der Erfindung bei oeiden Herstellern unter der Gefanraungsgrenze blieb und in den meisten Versuchsreinen auch unter dem erwunscnten Maximalwert von ^G⁰G lag.

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Claims

Patentansprüche

1. Elektrisches Kontaktmaterial zur Herstellung von Hoohleistungskontakten fur Stromunterbrecher, Schalter oder sonstige Geräte, bestehend aus einem pilierten und gesinterten Metallpulvergemisch, dadurch gekennzeichnet, daf3 das Gemisch in iiengenanteilen etwa folgende Zusammensetzung aufweist:

SiLber 13 - 60 J*

i'itanKarbidjü - 35 fi

Ν iekel Q - bO /b

Molybdän. 0,1 - 10 fi

wobei die Mengenanteile so aufeinander abgestimmt sind, daß die Dichte des gesinterten Kontaktmaterials mindestens etwa yo "fi der theoretischen Dichte beträgt.

Z. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai-3 es in ilengenanteilen folgende Zusammensetzung aufweist:

Silber etwa Jü ;<> •i'itankaroid etwa ^6 /o iMiCKel etwa 19 fi

Il

Molybdän etwa 3 fi

wobei die Dichte des gesinterten Werkstoffes mindestens 93 fi der theoretischen Dichte beträgt.

J. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenanfeei1 an Silber ganz oder teilweise durch einen entsprechenden Mengenanteil von Kupfer ersetzt ist.

4-, Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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BAD

Il

daß der rtengenanteil von Molybdän ganz oder teilweise durch einen entsprechenden Mengenanteil an Wolfram ersetzt ist

5· Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Mengenanteil an Siloer ganz oder teilweise durch Kupfer

,7

und der Mengenanteil an Molybdän ganz oder teilweise durch Wolfram ersetzt ist»

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