DE1948345A1

DE1948345A1 - Material for electrical contacts

Info

Publication number: DE1948345A1
Application number: DE19691948345
Authority: DE
Inventors: Krock Richard Howard; Zdanuk Edward Joseph
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1968-09-25
Filing date: 1969-09-24
Publication date: 1970-04-02

Description

Werkstoff fUr elektrische Kontakte Die Erfindung betrifft einen Werkstoff fUr elektrische Kontakte und ein Verfahren zur erstellnng desselben. Material for electrical contacts The invention relates to a material for electrical contacts and a method for making them.

Aus weichen metallen, wie z.B. aus Kupfer, Silber, Gold 0 dgl. hergestellte elektrische Kontakte haben ausgezeichnete elektrische und wärmeleitende Eigenschaften. Wenn jedoch ein solcher aus einem weichen Werkstoff hergestellter Kontakt hohe Stgomdichten Trägt, neigt er beim Funkenspringen dazu, dass seine Oberfläche schnell Grübchen bildet, dass das Material schnell erodiert, dass die benachbarten Arbeitsflächen dazu neigen, sich miteinander zu verschweissen und dass sich durch Oberflächenreaktion isolierende Produkte bilden, wenn der Kontakt in einer chemisch aktiven Umgebung arbeitet.Made of soft metals such as copper, silver, gold, etc. electrical contacts have excellent electrical and thermal conductivity properties. However, if such a contact made from a soft material has high stgom densities If it wears sparks, it tends to dimple its surface quickly forms that the material quickly erodes that the adjacent work surfaces tend to weld together and that is caused by surface reaction insulating products form when in contact in a chemically active environment is working.

Feuerfeste Metallkontaktwerkstoffe aus Metallen, wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, Rhenium, Tantal u.dgl. sind zwar gegen Lichtbogenerosion beständig und haben bessere schweissungsverhütende und Härteeigenschaften@ dagegen ist jedoch der elektrische Widerstand des feuerfesten Metallwerkstoffs einige Male grösser als der des Weichmetallwerkstoffs, sodass die-Wirksamkeit und Verlässlichkeit des feuerfesteb Lontaktmaterials bedeutend geringer ist. Der Widerstand des im wesentlichen reinen feuerfesten Metallwerkstoffs ist so gross, dass er dessen Einsatz für elektrische Kontakte begrenzt.Refractory metal contact materials made of metals, such as Tungsten, molybdenum, rhenium, tantalum and the like are indeed resistant to arc erosion and have better antiperspirant and hardness properties @ however, is the electrical resistance of the refractory metal material some Times greater than that of the soft metal material, so that it is effective and reliable of the refractory contact material is significantly lower. The resistance of the essentially pure refractory metal material is so large that it can be used for electrical Contacts limited.

Schichtwerkstoffe fUr elektrische Kontakte lassen sich aus einem weichen @erkstoff herstellen, derauf einen Kern aus feuerfestem Metallmaterial aufgeschichtet wird. Obwohl sich hier eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften der Schichtwerkstoffe gegenüber den weichen Metallkontaktwerkstof fen beobachten lässt, kann es dennoch zur Erosion des Werkstoffs und damit zur Grübchenbildung der Kontaktwerkstoffe kommen, die ihrerseits zum intermittierenden Betrieb des Kontakts unter widrigen Umgebungsbedingungen fUhren können. Ausserdem ist auch die zwischen den Schichten bestehende Verbindung schwach, sodass es zum Abkleben oder Reissen der geschichteten Werlstoffe an der Grenzschicht kommen kann. Beim Abbrechen steigt die Erosionsgeschwindigkeit des weichen Werkstoffs an, wodurch ein elektrisches Kontaktmaterial mit unerwünschten elektrischen Eigenschaften zustande kommt.Layer materials for electrical contacts can be made from a soft @ Make a material that is coated on a core of refractory metal material will. Although here there is an improvement in the strength properties of the layer materials compared to the soft metal contact materials, it can nevertheless erosion of the material and thus pitting of the contact materials occur, which in turn for the intermittent operation of the contact under adverse environmental conditions can lead. There is also the connection between the layers weak, so there is a need to mask or tear the layered materials on the Boundary layer can come. The erosion rate increases when the soft material, creating an electrical contact material with undesirable electrical properties comes about.

Die Verwendung eines Skeletts aus einem feuerfesten Metallpulver, das mit einem weichen Mteall mit guten elektrischen und thermischen Eigenschaften versehen ist, wie z. B. Kupfer u.dgl. schafft ein Verbundmaterial für elektrische Kontakte, in welchem die Vorteile der Eigenschaften beider Pestandteile benützt werden sollen. Das derart hergestellte Kontaktmaterial stellt ein Kompromiss dar zwischen der Festigkeit des feuerfesten Materials und der elektrischen und Wärmeleitfähigkeit des weichen Kontaktmetalls. Es ist hier zu bemerken, dass die Festigkeit dieses Verbundmaterials nicht so gross ist, wie die des feuerfesten Werkstoffs und die elektrische und Wärmeleitfähigkeit nicht so gut wie die des weichen Kontaktmetalls, wobei die Kombination jedoch wUnschenswerte Merkmale aufweist. Die Arbeitsfläche dieses Verbundmaterials ist jedoch nicht gleichmässig, da die Volumprozentsätze des weichen Metalls in den verschiedenen Zonen der Arbeitsfläche nicht konstant sind und beim Betrieb derartiger Verbundmaterialien an deren Oberflächen Veränderungen stattfinden, da dej Verlust an weichen Werlstoffen grdsser ist, als der Verlust an feuerfesten Werkstoffen. Die aus feuerfesten Verbundwerkstoffen hergestellten Kontakte haben auch eine ungleichmässige Bondierung der einzelnen Teilchen aneinander, sodass Abbrechen in den an der Oberfläche liegenden Schichten beim Schalten stattfinden kann Diese Arten der Ungleichmässigkeit sind dem guten Betrieb des Kontakts abtr lich.The use of a skeleton made from a refractory metal powder, the one with a soft material with good electrical and thermal properties is provided, such as. B. Copper and the like create a composite material for electrical Contacts, in which the advantages of the properties of both P-constituents should be used. The contact material produced in this way represents a compromise represents between the strength of the refractory material and the electrical and thermal conductivity of the soft contact metal. It should be noted here that the strength of this Composite material is not as large as that of the refractory material and the electrical and thermal conductivity not as good as that of the soft contact metal, however, the combination has undesirable features. The work surface however, this composite material is not uniform because the volume percentages of the soft metal in the different zones of the work surface is not constant and changes in the surfaces of such composite materials during operation take place because the loss of soft materials is greater than the loss on refractory materials. Those made from refractory composite materials Contacts also have an uneven bond between the individual particles, so that breaking occurs in the layers on the surface when switching These types of unevenness are detrimental to the good operation of the contact lich.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen verstärkten 1ietallverbundstoff fUr elektrische Kontakte anzugeben, welcher die oben geschilderten Probleme und Nachteile vermeidet.It is the object of the invention to provide a reinforced metal composite for electrical contacts to indicate which problems and Avoids disadvantages.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein derartiges verstärktes Verbundmaterial für elektrische Kontakte zu schaffen, das sich durch grosse Festigkeit und einen geringen elektrischen Widerstand auszeichnet.It is a further object of the invention to provide such a reinforced To create composite material for electrical contacts, which is characterized by great strength and a low electrical Resistance distinguishes itself.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen verstärkter Verbundmetallwerkstoffe fUr elektrische Kontakte.The invention also includes a method of making reinforced Composite metal materials for electrical contacts.

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen verstärkten Verbundwerkstoff, welcher sich als Material für elektrische Kontakte eignet. Feuerfeste Metalldrähte von im wesentlichen konstanter Länge und mit einem Durchmesser von ungefähr 25 iiikron bis zu 1,27 mm werden in dem Verbundmaterial verwendet.The invention relates generally to a reinforced composite material, which is suitable as a material for electrical contacts. Refractory metal wires of substantially constant length and about 25 microns in diameter up to 1.27 mm is used in the composite material.

Die Drähte können entweder fast miteinander in Berührung stehen oder durch Abstände bis zu 1 mm voneinander getrennt sein.The wires can either be almost in contact with each other or be separated from each other by a distance of up to 1 mm.

Die zwischen diesen Drähten vorhandenen Hohlräume werden mit einen weichen Metall mit guter elektrischer und Wärmeleitfähigkeit gefüllt, wobei dieses weiche iretall im wesentlichenim ieuerfesten Metall unlöslich ist und mit diesen chemisch nicht reagiert. Das Verbundmaterial kann in einer reciazierenden Atrlosphäre oder durch Vakuum-Einfiltrierung hergestellt sein, oder durch Beschichten der feuerfesten Drähte mit dem weichen Metall und Erhitzen eines Satzes der beschichteten feuerfesten Drähte auf eine nahe dem Schmelzpunkt des weichen Metalls liegende Temperatur, um so eine geboderte Masse von feuerfesten Drähten zu schaffen, die von einer Matrix aus weichem Metall umgeben ist.The cavities between these wires are with a soft metal filled with good electrical and thermal conductivity, this being this soft metal is essentially insoluble in and with refractory metal chemically does not react. The composite material can be in a reciZing atrlosphere or by vacuum infiltration, or by coating the refractory Wires with the soft metal and heating a set of the coated refractories Wires to a temperature near the melting point of the soft metal so to create a buried mass of refractory wires held by a matrix is surrounded by soft metal.

Die Drähte aus feuerfestem Material sind durchgehend und erstrecken sich vorzugsweise im rechten Winkel zur Arbeitsfläche des Kontakts. Der Abstand zwisdhen jewails nebeneinander liegenden Drähten Ubersteigt nicht ungefähr drei Viertel des Durchmessers des Drahtes, wobei die Drähte in Sechskantform oder in einer anderen geeigneten Zusammenstellung angeordnet sind Wie bereits bemerkt, haben die feuerfesten Metall'drähte einen Durchmesser von 0,025 bis 1,27 mm und sind im wesentlichen von einem weichen metallischen Werkstoff umgeben, welcher dehnbarer und leitfähiger ist, als der Werkstoff der Drähte, wobei de. Abstand zwischen diesen Drähten zwischen fast Null und 1,0 mm schwanken kann Dies schafft einen elektrischen Kontakt@erkstoff, welcher ein Kompromiss zwischen Festigkeit und elektrischer und Wärmeleitfähigkeit darstellt. Das Verhältnis zwischen feuerfestem Metall und weichem Metall ist durch den ganzen Verbundwerkstoff im wesentlichen konstant.The refractory wires are continuous and elongate preferably at right angles to the working surface of the contact. The distance wires between each adjacent wire does not exceed about three quarter the diameter of the wire, the wires being hexagonal or arranged in another suitable arrangement As already noted, the refractory metal wires have a diameter of 0.025 to 1.27 mm and are essentially surrounded by a soft metallic material, which is more ductile and is more conductive than the material of the wires, where de. Distance between these Wires can fluctuate between almost zero and 1.0 mm. This creates an electrical Kontakt @ erstoff, which is a compromise between strength and electrical and Represents thermal conductivity. The relationship between refractory metal and soft Metal is essentially constant throughout the composite.

Vorzugsweise umfassen die feuerfes@ten Metalldrhte zwischen 55 und 90 Volumprozent des Gesamtvolumens des verstärkten Verbundmetallwerkstoffs. Die Drähte schaffen die gewUnschte Verstarkung in der notwendigen Richtung und verhindern Bruch parallel zur KontaktflSche, sowie Beanspruchungen infolge hoher Arbeitstemperaturen, die beim Betrieb des Kontaktwerkstoffes vorkommen.Preferably, the refractory metal wires comprise between 55 and 90 volume percent of the total volume of the reinforced composite metal material. the Wires create the desired reinforcement in the necessary direction and prevent it Break parallel to the contact surface, as well as stresses due to high working temperatures, that occur during operation of the contact material.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnung hervor: Fig. 1 ist ein vergrsserter 4verschnitt eines bekannten geschichteten Aufbaus, der sich als Werkstoff fUr elektrische Kontakte eignet, Fig. 2 ist ein vergrösserter teilweiser Querschnitt eines bekannten Verbundmaterials mit einem feuerfesten Metallpulverskelett, wobei das feuerfeste Material im wesentlichen von einem weichen Metall umgeben ist, Fig. 3 ist ein teilueiser vergrösserter Querschnitt des erfindungsgemässen Kontaktwerkstoffs und zeigt im wesentlichen durchgehende feuerfeste Metalldrähte, die im wesentlichen senkrecht zur Arbeitsfläche des Kontaktwerkstoffs stehen, Fig. 4 ist eine Draufsicht des in Fig. 3 dargestellten Kontaktmaterials und Fig, 5 ist ein teilweiser Querschnitt des Kontaktwerkstoffs nach Fig. 3 und zeigt eine Anordnung von feuerfesten Drähten mit den dazwischenliegenden Höhlungen, die mit einem weichen, hochleitenden Metall ausgefUllt sind.Other features and advantages of the invention will be apparent from the following Description with reference to the accompanying drawings: Figure 1 is an enlarged 4 blend of a known layered structure, which is used as a material for electrical Contacts are suitable, Fig. 2 is an enlarged partial cross-section of a known composite material with a refractory metal powder skeleton, wherein the refractory material is essentially surrounded by a soft metal, Fig. 3 is a partially enlarged cross section of the contact material according to the invention and shows substantially continuous refractory metal wires which are substantially stand perpendicular to the working surface of the contact material, Fig. 4 is a plan view of the contact material shown in Fig. 3 and Fig. 5 is a partial cross-section of the contact material according to FIG. 3 and shows an arrangement of refractory wires with the cavities in between, which are made with a soft, highly conductive metal are filled out.

Fig. 1 zeigt einen an sich bekannten, geschichteten Verbundwerkstoff 10, bestehend aus einem Kdrper 11 aus einem feuerfesten Material, wie beispielsweise Wolfram, welches auf irgendeine geeignete Art und Weise mechanisch, z.B. durch Druckschweissen, mit einem weichen Metall, z.B. Kupfer, verbunden ist Die Arbeitsfläche des Kontaktwerkstoffs besteht im wesentlichen vollkommen aus dem weichen Metall 12. Der ganze äussere Umfang des Körpers 11 kann mit Kupfer beschichtet sein.Fig. 1 shows a layered composite material known per se 10, consisting of a body 11 made of a refractory material such as Tungsten, which is mechanically produced in any suitable manner, e.g. by pressure welding, is connected to a soft metal, e.g. copper The working surface of the contact material consists essentially entirely of the soft metal 12. The entire outer The periphery of the body 11 can be coated with copper.

Obwohl der in Fig. 1 dargestellte Kontakt fester ist, als ein ausschliesslich aus Weichmetall hergestellter Kontakt, kann hier schädliche Erosion eintreten, die beim Überfunken der Arbeitsflächen das weiche Metall angreift.Although the contact shown in Fig. 1 is more solid than an exclusive one Contact made of soft metal, harmful erosion can occur here attacks the soft metal when over-sparking the work surfaces.

I. 2 zeigt einen bekannten Verbundwerkstoff 20, in welchem feuerfeste Metallteilchen 21, wie z.B. Wolfran in einem Wolframskelett, von einer Matrize oder Zwischenmasse eines weichen Metalls 22, wie beispielsweise Kupfer, umgeben sind.I. 2 shows a known composite material 20 in which refractories Metal particles 21, such as Wolfran in a tungsten skeleton, from a die or Intermediate mass of a soft metal 22, such as copper, are surrounded.

Der in Fig. 2 dargestellte Aufbau hat eine Arbeitsfläche, die sowohl aus feuerfestem Metall und aus weichem Metall zusammengesetzt ist, sodass zwischen der Festigkeit des Hartmetalls und der Leitfähigkeit des Weichmetalls ein Kompromiss zustande kommt. Um jedoch diese Kompromisslösung auf ein Mindestmass zu begrenzen, ist es notwendig, dass das Verhältnis zwischen ieuerfestel Metall und weichem Metall an der Oberflache innerhalb eines bestimmten Wertes liegt. Wenn beispielsweise de@ Volumprozentsatz des l. eichmetallbestandteils den erwünschten Löchstwert überschreitet, neigt das weiche Metall zur schnelle Erosion von der Arbeitsfläche des Verbundmaterials, wobei die Lichtbogenbildung beim Betrieb zur übermässigen Grübchenbildung der Kontaktflächen führt. Wenn der Prozentsatz an weiche Metall unter dem Kompromisswert liegt, Ubersteigt der Widerstand des Verbundmaterials den gewUnschten Wert.The structure shown in Fig. 2 has a work surface that both is composed of refractory metal and soft metal, so that between a compromise between the strength of the hard metal and the conductivity of the soft metal comes about. However, in order to limit this compromise solution to a minimum, it is necessary that the ratio between ieuerfestel metal and soft metal on the surface lies within a certain value. For example, if de @ Volume percentage of the l. calibration metal component exceeds the desired hole value, the soft metal tends to erode quickly from the working surface of the composite material, the arcing during operation leading to excessive pitting of the contact surfaces leads. If the percentage of soft metal is below the compromise value, exceeds the resistance of the composite material has the desired value.

Fig 3 zeigt das verstärkte Metallverbundmaterial nach der Erfindung. Feuerfeste Metalldrähte 31 werden so aufeinander ausgerichtet, dass die Langsachse jedes Drahtes im wesdntlichen parallel zur Längsachse des Kontaktmaterials liegt. Wenn die Arbeitsfläche 32 senkrecht zur Längsachse des Kontaktwerkstoffs angeordnet ist, liegen diese Metalldrähte im wesentlichen ebenfalls senkrecht zur Arbeitsfläche 32 des Kontaktmaterials 30. Die Arbeitsfläche kann auch in eine andern Winkel als im rechten Winkel zur Achse der feuerfesten Drähte liegen, wobei jedoch senkrecht zur Arbeitsfläche der Kontakte liegende Drähte vorgezogen werden. Es ist hie zu bemerken, dass die feuerfesten Metalldrähte im wesentlichen durchgehend sind. Diese Drähte kennen aus Wolfrsm, Molybdän, rhenium oder Tantal bestehen. Wolfram und Molybdän sind unter diesen lietallen vorzuziehen, wobei Wolfram die besten Resultate liefert. Die zwischen den feuerfesten Metalldrähten liegenden IIohlräurlle werden im wesentlichen vollkommen durch ein weiches Metall 33 ausgefüllt, welches sich durch gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit auszeichnet und im wesentlichen nicht mit dem Material der feuerfesten Drähte reagiert, wie z.B. Kupfer, Silber, Cold, Zink, der Legierungen u.dgl. unter: diesen weichen Metallen sind Kupfer.Fig. 3 shows the reinforced metal composite material according to the invention. Refractory metal wires 31 are aligned so that the longitudinal axis each wire is essentially parallel to the longitudinal axis of the contact material. When the working surface 32 is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the contact material is, these metal wires are also substantially perpendicular to the work surface 32 des Contact material 30. The work surface can also be in a other than at right angles to the axis of the refractory wires, where however, wires perpendicular to the working surface of the contacts are preferred. It should be noted that the refractory metal wires are essentially continuous are. These wires are made of tungsten, molybdenum, rhenium or tantalum. tungsten and molybdenum are preferred among these metals, with tungsten giving the best results supplies. The hollow rails lying between the refractory metal wires are essentially completely filled by a soft metal 33, which is characterized by good electrical and thermal conductivity and essentially not reacts with the material of the refractory wires, such as copper, silver, cold, Zinc, alloys and the like among: these soft metals are copper.

Silber vorzuziehen, wobei die besten Resultate mit Kupfer erhalten werden.Silver is preferable, with copper getting the best results will.

Ein aus einem Material mit ausgerichteten feuerfesten Drähten hergestellter kontakt kann eine axiale Länge Und einen durch messer haben, die um 20 o/o kleiner sind als jene, die aus dem in Fig, 2 dargestellten Werkstoff erzeugten Kontakte um unter im wesentlichen identischen Bedingungen dasselbe Kontaktverhalten zu erzielen. Die geringere Dicke und Durchmesser des Kontakts aus ausgerichteten Drähten sind unter anderem die Folge der geringeren Erosionsgeschwindigkeit des erfindungsgemassen Kontaktwerkstoffes. Der Durchmesser des feuerfesten Materials beträgt von 0,025 bis zu 1,-27 mm, wobei ein Bereich von ungefähr 0,125 bis ungefähr 0,381 m vorgezogen wird.One made from a material with aligned refractory wires contact can have an axial length and a diameter that is 20 o / o smaller than those made from the material shown in FIG in order to achieve the same contact behavior under essentially identical conditions. The lesser thickness and diameter of the contact are made up of aligned wires inter alia the consequence of the lower erosion rate of the invention Contact material. The diameter of the refractory material is from 0.025 up to 1. -27 mm, with a range of about 0.125 to about 0.381 m being preferred will.

Der Durchmesser der feuerfesten Drähte ist fUr das Verhältnis zwischen Festigkeit und Volumen wichtig, da Drähte mit kleinerem Durchmesser im Allgemeinen fester sind. als Drähte mit grUsserem Durchmesser, sowie auch für die Abmessungen der Oberflächenzonen der beiden Phasen des Verbundmaterials.The diameter of the refractory wires is for the ratio between Strength and volume are important as smaller diameter wires are generally are more solid. as wires with a larger diameter, as well as for the dimensions the surface zones of the two phases of the composite material.

Die Belastungen er Kontakte bei elektrischen Schaltvorgängen sind auf die hohen Temperaturen und Drücke der Oberfläche zurückzuführen und sind im Allgemeinen am grössten in der zur rbeitsflSche des Kontaktwerkstoffs senkrecht stehenden Richtung. Aufeinander ausgerichtete, auf kleindurchmessrigen Drähten aufgebaute Verbundstoffe haben in dieser Richtung die grösste Festigkeit.The loads on the contacts during electrical switching operations are due to the high temperatures and pressures of the surface and are in Generally the largest in the perpendicular to the working surface of the contact material standing direction. Aligned to each other, built on small diameter wires Composites have the greatest strength in this direction.

Das beste Verhalten des Kontakt wird dann erhalten, wenn die Weichmetallphase und die Hartmetallphase des Verbundmaterials keine Stelle enthalten, an welcher die andere Phase weiter entfernt ist, als der Radius des Kathodenbogenpunkts, der bei einem elektrischen Schaltvorgang erzeugt werden kann. Die Grdsse der Lichtbogenpunkte scheint von den benützten Werkstoffen und von dere elektrischen Energie und den Stromniveaus abzuhängen, die beim Schalten vorhanden sind.The best behavior of the contact is obtained when the soft metal phase and the cemented carbide phase of the composite material do not contain any point where the other phase is further away than the radius of the cathode arc point, the can be generated during an electrical switching process. The size of the arc points seems of the materials used and of their electrical energy and the Depend on current levels that are present when switching.

Lichtbogenpunkte sind ausserdem sehr beweglich, d.h., sie neigen dazu, Uber die Oberfläche des Kontakts zu wandern.Arc points are also very mobile, i.e. they tend to Wander over the surface of the contact.

Bei weichen Metallen, wie Kupfer, konnte man Stromdichten von ungefähr 3000 A/cm² bis zu 120 000 A/cm² bei Strompegeln von 5 bis zu ungefähr 20 A und von 106 A/cm² bei ungefähr 1400 A beobachten. Andere weiche Metalle zeigen--Shnliche elektrische Eigenschaften. Die Stromdichten fUr Hartmetalle wie z.B. Wolfram schwanken zwischen 14 000 A/cm² und ungefähr 90 000 A/cm bei Strompegeln von weniger als 50 A. Der -aus feuerfestem Fietall und Weichmetall aufgebaute Verbundstoff kann Lichtbogenpunkte mit Durchmessern von ca. 0,127 bis zu 1,27 mm bilden. Um daher die Bedingung zu erfUllen, dass die Weichmetallphase und die Hartmetallphase keine Stellen enthalten, die weiter von der andern Phase entfern sind als der Radius des Lichtbogenpunkts, ist es wichtig, dass der Durphmesser des feuerfesten Metalldrahts im Bereich von 0,025 bis ca 1,27 mm liegt und die Entfernung zwischen den Drähten auf 3/4 des Drahtdurchmessers beschränkt ist.In the case of soft metals, such as copper, current densities were approximately 3000 A / cm² up to 120,000 A / cm² at current levels of 5 up to about 20 A and from Observe 106 A / cm² at approximately 1400 A. Other soft metals show - similar ones Electrical Properties. The current densities for hard metals how e.g., tungsten varies between 14,000 A / cm² and about 90,000 A / cm at current levels less than 50 A. The composite material made of refractory metal and soft metal can form arc spots with diameters from approx. 0.127 up to 1.27 mm. To therefore to meet the condition that the soft metal phase and the hard metal phase have no Contain places which are further away from the other phase than the radius of the Arc point, it is important that the diameter of the refractory metal wire is in the range from 0.025 to about 1.27 mm and the distance between the wires is limited to 3/4 of the wire diameter.

.Der maximale Volumprozentsatz des feuerfesten Drahtes beträgt ungefähr 90 Prozent und wird dann erzielt, wenn diese HartmetalldrShte dicht in Secheckform angeordnet sind.The maximum refractory wire volume percentage is approximately 90 percent and is achieved when this hard metal drill tightly in a hexagonal shape are arranged.

Der geringste Volumprozentsatz, welcher der Bedingung der geringsten Phasendimension noch genügt; ware eine auseinandergezogene Sechskantanordnung, in welcher die Drähte um ungefähr 3/4 ihres Durchmessers voneinander entfernt sind.The lowest volume percentage, whichever the condition of the lowest Phase dimension is still sufficient; would be an exploded hexagonal arrangement, in which the wires are separated from each other by about 3/4 of their diameter.

Dieses Minimälvolumen an feuerfesten Drähten beträgt ungefähr 30 Prozent. Im Allgemeinen haben ZusammenstelIungen mit mehr als 90 Volumprozent oder wen-iger als 30 Volumprozent feuerfester Drähte nicht die erwünschten Eigenschafter beider Komponenten. Der verfUgbare Zusammensetzungebereich beträgt somit 90 Volumprozent bis zu 30 Volumprozent Hartmetalldraht, wobei der Rest aus Weichmetall besteht, Der vorzugsweise Hartmetallbereich in der Zusammenstellung liegt zwischen 70 bis 90 Volumprozent Hartmetalldraht.This minimum volume of refractory wire is approximately 30 percent. Generally, compositions with more than 90 percent by volume or less as a 30 volume percent refractory wire not the desired properties of both Components. The available composition range is thus 90 percent by volume up to 30 percent by volume of hard metal wire, with the remainder being made of soft metal, The preferred hard metal range in the compilation is between 70 to 90 percent by volume hard metal wire.

Das verstärkte elektrische Kontaktmaterial kann hergestellt werden durch Einfiltrieren des weichen Metalls in eine gesin@erte oder ungesinterte Anordnung von feuerfesten Drähten durch Erhitzen der Hartmetallanordnung und des weichen Metalls auf eine Temperatur, die beim Schmelzpunkt des weichen metalls oCer einige Grade Uber diesem liegt, in einer reduzierenden Atmosphäre, wie beispielsweise Wasserstoff oder dissoziiertes Ammoniak, sodass das weiche Metal in die zwischen den Drähten liegenden @ohlräume eintritt.The reinforced electrical contact material can be made by filtering the soft metal into a sintered or unsintered array of refractory wires by heating the cemented carbide assembly and the soft metal to a temperature which is a few degrees at the melting point of the soft metal Above this is in a reducing atmosphere, such as hydrogen or dissociated ammonia, allowing the soft metal to get into between the wires recumbent @ hollow spaces.

So kann beispielsweise ein Wolframdrahtgerüst mit Kupfer kontaktiert unu in eine Wasserstoffatmosphäre eingesetzt werden. Aufheizen zuf 1100°C bis zu 1250 C bewirkt, dass das Kupfer vollkommen in das Wolframgerüst einfiltriert. bleiche Metalle, wie Kupfer, Silber, Gold Zink oder Legierungen derselben kennen zum Einfiltrieren in IIartmetallgerüste aus Wolfram, Molybdän, Rhenium, Niob oder Tantal benUtzt werden. Die zum Einfiltrieren des weichen Metalls in das Gerüst verwendete Temperatur hängt vom Schmelzpunkt der weichen Metallegierung ab.For example, a tungsten wire frame can be contacted with copper unu can be used in a hydrogen atmosphere. Heating up to 1100 ° C up to 1250 C causes the copper to completely filter into the tungsten framework. pale Metals such as copper, silver, gold, zinc or alloys of the same know for infiltration can be used in hard metal frameworks made of tungsten, molybdenum, rhenium, niobium or tantalum. The temperature used to infiltrate the soft metal into the framework depends from the melting point of the soft metal alloy.

Wen ein verstärktes Kontaktmaterial mit niedrige Gasgehalt und niedrigem Ge@halt an Bestandteilen, welche Gase freisetzen, gewünscht wird, kann Vakuum-Einfiltrierung benützt werden.Wen a reinforced contact material with low gas content and low The content of constituents which release gases is desired, can be vacuum infiltration be used.

Der Gehalt an Gasbestandteilen und Komponenten, welche Gase freigeben i£tbei einer durch Vakuum-Einfiltrieren hergestellten Zusammenstellung kleiner als 10 ppm (Teile je Million) und liegt im Allgemeinen unter 2 ppm. Beinl Ein-filtrieren in einem Vakuum kann das Kontaktmaterial vorbereitet werden, indem die feuerfesten Drähte des gewUnschten, zwischen 0,025 und 1,27 liegenden Durchmessers, dicht zu einem Gerüst zusammengebündet werden. Das Draht gerüst wird dann in ein Vakuum eingesetzt, bei einem Druck von 10-5 Torr oder weniger, und vorzugsweise bei einem Druck von 5 x 10 oder einem geringeren Druck. Die Drähte werden mit einem flüssigen, weichen Metall kontaktiert, welches auf eine Uber seinem Schmelzpunot liegende Temperatur erhitzt wurde, die beispielsweise bei Kupfer ungefähr bei 1250°C liegt. Die behandlung zeit beträgt ungefähr 30 bis 60 i'iinuten. Wenn die Schmelze eine Temperatur hat, die wwniger als 1500C Uber der1 Schmelzpunkt des weichen metalls liegt (z.B. 10830C fUr Kupfer), ist das Metall nicht genUgend flüssig und-'dic Infiltrierungszeit ist bedeutend länger.The content of gas constituents and components that release gases i £ t for a composition produced by vacuum filtration is less than 10 ppm (parts per million) and is generally less than 2 ppm. Filter in leg the contact material can be prepared in a vacuum, by doing the refractory wires of the desired diameter between 0.025 and 1.27, be tightly bundled together to form a scaffold. The wire scaffolding is then made into a Vacuum is employed, at a pressure of 10-5 torr or less, and preferably at a pressure of 5 x 10 or less. The wires come with a liquid, soft metal contacted, which on a Uber his melting point lying temperature was heated, for example with copper about 1250 ° C lies. The treatment time is approximately 30 to 60 minutes. When the melt Has a temperature less than 1500C above the melting point of the soft metal (e.g. 10830C for copper), the metal is not sufficiently liquid and has an infiltration time is significantly longer.

Die Hartmetalldrähte können in einer reduzierenden Atmosphäre, wir Wasserstoff, dissoziiertes Ammoniak o.dgl. vorbehandelt werden, welche auf eine Temperatur unter der Sintertemperatur des Hartmetalls liegt, aber mindestens 8000C bis 10000C beträgt, wobei diese Behandlung ungefähr 30 inuten oder länger dauert. Zur Vorbehandlung mit diesem Verfahren eignen sich Atmosphären, die mit dem Hartmetall nicht reagieren und mit diesen keine unerwünschten oder schädlichen Produkte bilden. Diese Vorbehandlung der Hartmetalldrähte beseitigt schädliche Oberflächenprodukte und trägt zur Einfiltrierung -des weichen Metalls in das HartmetallgerUst bei. Ausserde trägt die Vorbehandlung des Gerüsts auch dazu bei, den Gasgehalt und den Gehalt an Bestandteilen, welche sich in Gase verwandeln können, auf unter 10 ppm zu reduzieren. Vakuum-En@gasen des vorbehandelten MetallgerUsts bei einer Temperatur, die 2000C hdher ist als die Vorbehandlungstemperatur, aber unten der Sintertemperatur des-HartmetallgerUsts- liegt, trägt ebenfalls dazu bei, den Gasgehalt oder Gehalt an Bestandteilen, die sich in Gase verwandeln können, herabzusetzen," Das Entgasen des MetallgerUsts wird fortgesetzt, bis ein Vakuum von ungefähr 5 x 10-5 Torr erriecht ist, worauf das Einfiltrieren des Herüsts mit weichem Metall durchgefUhrt wird, ohne dasselbe inzwischen der Atmosphäre auszusetzen.The hard metal wires can in a reducing atmosphere, we Hydrogen, dissociated ammonia or the like. are pretreated, which on a Temperature is below the sintering temperature of the hard metal, but at least 8000C to 10000C, this treatment lasting about 30 minutes or more. Atmospheres that contain the hard metal are suitable for pretreatment with this method do not react and do not form unwanted or harmful products with them. This pre-treatment of the hard metal wires removes harmful surface products and contributes to the infiltration of the soft metal into the hard metal framework. Outside the pretreatment of the framework also contributes to the gas content and the content of components that can turn into gases to below 10 to reduce ppm. Vacuum degassing of the pretreated metal framework at a temperature the 2000C is higher than the pretreatment temperature, but below the sintering temperature des-HartmetallgerUsts- also contributes to the gas content or content of constituents that can turn into gases, "Degassing of the metal framework is continued until a vacuum of approximately 5 x 10-5 Torr is observed is, after which the infiltration of the preparation with soft metal is carried out, without exposing the same to the atmosphere in the meantime.

Vorzugsweise wird die Behandlung des feuerfesten Metalls durchgeführt, nachdem dasselbe zu einem GerUst zusammengesetzt wurde, um die tIdglichkeit einer Wiederverschmutzung auf ein Nindestmass herabzusetzen. Die Drähte kUnnen jedoch auch vor dem Formen des Gerüsts vorbehandelt werden.Preferably the treatment of the refractory metal is carried out, after the same has been put together to form a framework, in order to reduce the fatality of a Reduce re-soiling to a minimum. The wires can, however can also be pretreated before shaping the framework.

Ein alternatives Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials besteht im Beschichten des Hartmetalldrahts mit dem weichen Metall, gefolgt von ZusammenbUndeln der beschichteten Drähte zum Bilden des GerUats und vom Erhitzen dieses Gerüsts auf eine Uber dem S-chmelzpunkt des weichen Metalls liegende Temperatur, sodass das gewUnschte Verbundmaterial gebildet wird. Um die ursprüngliche geometrische Anordnung des GerUsts beizubehalten, kann Zonenschmelzung eingesetzt werden, Ein weiteres Verfahren zum Herstellen des Verbundmanterial besteht im Wickeln des Draht um einen herausnehmbaren Kern, wobei der gewickelte Draht ein dichtes Gerüst bildet. Das gewickelte DrahtgerUst wird dann mit dem geschmolzenen weichen Metall imprägniert. Aus dem derart hergestellten imprägnierten Feststoff lässt sich Kontaktwerkstoff herstellen.An alternative method of making the composite material is in coating the hard metal wire with the soft metal, followed by bundling of the coated wires for forming the framework and for heating this framework to a temperature above the melting point of the soft metal, so that the desired composite material is formed. To the original geometric To maintain the arrangement of the scaffolding, zone melting can be used, a Another method of making the composite material is to wind the wire around a removable core, the coiled wire being a dense one Scaffold forms. The wrapped wire framework is then soft with the melted Impregnated metal. From the impregnated solid produced in this way, Manufacture contact material.

Wenn zum herstellen des Verbundstoffs ein Vakuumverfahren benützt wird, kann eine kleine, aber wichtige Menge eines reagierenden Metalls, wie z.B. Titan oder Zirkon, benützt werden, um das Einfiltrieren des weichen Metalls in das artmetallgerUst zu unterstUtzen. Vorzugsweise benUtzt man zu diesem Zweck das metall Titan. Das reagierende etall scheint das Benetzen des Hartmetalls dann zu bewirken, wenn keine Vorbehandlung vorgenommen wird. Ausserdem wirkt das reagierende Metall als "Getter" und scheidet Material aus der Gasphase in der Vakuumvorrichtung beim nachfolgenden Betrieb als Vakuumkontakt aus. Das reagierende Metall im verstärkten Metallwerkstoff kann in einer Menge von 0,01 bis ca. 0,4 Volumprozent zugesetzt werden und dies erfolgt zweckmässigerweise durch Legieren mit den weichen Metall. Zusatz von Uber 0,4 Volumproz@nt Reaktionsmetall kann dazu führen, dass das weiche Metall eine unerwünscht hohe Resistivität hat, und weniger als 0,01 Volumprozent scheint nicht zum Eintiltrieren des. weichen Metalls in das Hartmetallgerüst beizutragen oder als "Getter" für Gase zu wirken. -Der Voluiproz.ntsatz der Bestandteile eines - verstdrkten Metallwerkstoffs, dem ein reagierendes Metall zugesetzt wird, beträgt ungefähr 30 bis 90 Prozent feuerfestes Material, 69999 bis 9,99 Prozent Weichmetall und ungefähr 0,01 bis 0,04 Prozent reag ; ierendes Metall.If a vacuum process is used to make the composite a small but important amount of a reactive metal, such as Titanium or Zirconium, can be used to prevent the soft metal from infiltrating the to support artmetallic scaffolding. The metal is preferably used for this purpose Titanium. The reacting metal then appears to wetting the hard metal, if no pretreatment is carried out. The reacting metal also works as a "getter" and separates material from the gas phase in the vacuum device subsequent operation as a vacuum contact. The reactive metal in the reinforced Metal material can be added in an amount of 0.01 to approx. 0.4 percent by volume and this is conveniently done by alloying with the soft metal. Addition of over 0.4 percent by volume of reaction metal can lead to the soft Metal has an undesirably high resistivity, and less than 0.01 percent by volume does not appear to contribute to the infiltration of the soft metal into the hard metal framework or to act as a "getter" for gases. -The volume percentage of the components of a - reinforced metal material to which a reactive metal is added approximately 30 to 90 percent refractory, 69999 to 9.99 percent soft metal and about 0.01 to 0.04 percent reag; uring metal.

Ein alternatives Verfahren zum Eingeben des regierenden Metalls in the System aus Hartmetalldraht umfasst das Beschichten mit reagierendem Metall durch Elektrolyse oder Bedampfen vor dem Kontaktieren des Hartmetallgerüsts mit der Weichmetallschmelze.An alternative method of entering the ruling metal in The system of hard metal wire involves coating with reactive metal Electrolysis or vapor deposition before contacting the hard metal framework with the soft metal melt.

Ancere Metalle können der Weichmetallschmelze oder dem feuerfesten Metallgerüst beigegeben werden, indem diese vor dem Einfiltrieren individuell beschichtet werden, wobei das Einfiltrieren unter Wasse@stoff oder im Vakuum erfolgen kann, um die elektrischen Kontakteigenschaften des Verbundmaterials weiter zu verbessern. So können beispielsweise kleine aber wichtige Mengen von Metallen der Schmelze zugesetztwerden, um einige wlinschenswerte Eigenschaftendes Werkstoffs, wie z,3. den Gasdruck, die Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitungseigenschaften u.dgl. zu verbesserr,. Ein Beispiel wines solchen Metalls ist Wismut und Zinn, welche den Dampfdruck des Kontaktwerkstoffs bedeutend verbessern.Ancere metals can be the molten soft metal or the refractory Metal frameworks can be added by coating them individually before filtering in can be filtered in under hydrogen or in a vacuum, to further improve the electrical contact properties of the composite material. For example, small but important amounts of metals can be added to the melt, to some desirable properties of the material, such as, 3. the gas pressure that To improve corrosion resistance, machining properties and the like. An example wines of such metal is bismuth and tin, which are the vapor pressure of the contact material significantly improve.

Die Erfindung wird weiter im Folgenden anhand von Beispiele erklärt.The invention is further explained below on the basis of examples.

BEISPIEL 1. EXAMPLE 1.

Ein Verbundmaterial, bestehend im wesentlichen aus ungefähr 70 Volumprozent Wolfram, und dem Rest Kupfer. Längen von Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0, 127 mm wurden in einer geeigneten Lösung, z.B. Natriumsuperoxyd, gereinigt.A composite material consisting essentially of approximately 70 percent by volume Tungsten, and the rest copper. Lengths of tungsten wire with a diameter of 0.127 mm was cleaned in a suitable solution, e.g. sodium peroxide.

Die Drähte wurden so gebUndelt, dass das Gerüst nach Fig. 5 zustande kam. Die Drähte wurden im Vakuum bei einem Druck von 5 x 10-5 Torr oder wemiger mit Kupfer behandelt. Das WolframdrahtgerUst wurde im Vakuum infiltriert, indem das Wolfram und das Kupfer auf eine Uber dem Schmelzpunkt des Kupfer liegende Temperatur erhitzt wurden, d. h., auf ungefähr 1250 C, um das Einfiltrieren der Kupferschmelze in das Wolframgerüst zu bewirken. Zur Prüfung wurde das Wolfram-Kupfer-Verbundmaterial in Längen von ca 9,5 mm unterteilt, wobei die Längsachse der Wolframdrähte senkrecht zur Arbeitsfläche des V erbundmaterials stand, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Verbundwerkstoff hatte eine niedrigere Erosionsgeschwindigkeit als jene entsprechender Kontakte, die aus Wolframpulver hergestellt wurden.The wires were bundled so that the scaffold of FIG conditions came. The wires were vacuumed at a pressure of 5 x 10-5 torr or less treated with copper. The tungsten wire framework was infiltrated in a vacuum by the tungsten and copper to a temperature above the melting point of copper have been heated, d. i.e., to about 1250 C, to filter in the copper melt to effect in the tungsten framework. The tungsten-copper composite material was used for testing divided into lengths of approx. 9.5 mm, the longitudinal axis of the tungsten wires being perpendicular stood for the working surface of the composite material, as shown in FIG. This composite had a lower rate of erosion than that of corresponding ones Contacts made from tungsten powder.

BEISPIEL 2 Ein Verbundmaterial, bestehend im wesentlichen aus 78,5 Volumprozent Wolfram, Rest Kupfer. Längen von Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,127 mmswurden mit ITetriumsuperoxyd gereinigt. Die Drähte wurden so gebUndelt, dass ein dichtes Gerüst zustande kam. Dieses Gerüst wurde in einer Wasserstoffatmosphäre bei ca 1000 C eine Stunde lang vorbehandelt. Das Gerüst wurde bei ungefähr 12000C entgast, bis ein Vakuumdruck von 5 x 10-5 Torr erreicht wurde. EXAMPLE 2 A composite material consisting essentially of 78.5 Percent by volume tungsten, remainder copper. Lengths of tungsten wire with a diameter 0.127 mm was cleaned with ITetrium superoxide. The wires were so bundled that a dense framework was created. This scaffold was made in a hydrogen atmosphere Pretreated at approx. 1000 C for one hour. The scaffold was at about 12000C degassed until a vacuum pressure of 5 x 10-5 torr was reached.

Das GerUst wurde dann mit Kupfer bei einer Temperatur von ungefähr 12500C im Vakuum imprägniert.The framework was then covered with copper at a temperature of about 12500C impregnated in a vacuum.

BEISPIEL 3 Ein Verbundmaterial bestehend im wesentlichen aus 70 Volum- -prozent Wolfram und im Rest im wesentlichen Kupfer. Längen von Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,127 mm wurdenmittels eiber geeigneten Lösung, z.B. Natriumsuperoxyd, gereinigt. -Die Drähte wurden dann gebUndelt, um die in Fig. 5 gezeigte Anordnung zu schaffen. Die Drähte wurden in einer Wasserstoffatmosphäre mit Kupfer behandelt. Die Wolframdrahtanordnung wurde imprägniert, indem das Wolfram und das Kupfer auf einer Ubr dem Schmelzpunkt des Kupfers liegende Temperatur, d.h., auf ungefähr 1250 C, erhitzt wurden, um das Einfiltrieren der Kupferschmelze in das Wolframdrahtgerüst zu erzielen. Zum Herstellen von prUfkontakten, wurde das Wolfram-Kupfer-Verbundmaterial in Längen von ca. 9.5 mm zerschnitten, sodass die Längsachse der Drähte senkrecht zur Arbeitsfläche des Verbundmaterials stand, wie dies in Fig. 3 dar. gestellt ist. EXAMPLE 3 A composite material consisting essentially of 70 volume -percent Tungsten and the rest essentially copper. Lengths of tungsten wire with a diameter 0.127 mm were cleaned with a suitable solution, e.g. sodium peroxide. The wires were then bundled to create the arrangement shown in FIG. The wires were treated with copper in a hydrogen atmosphere. The tungsten wire assembly was impregnated by putting the tungsten and the copper on an approximate melting point of the copper, i.e. to about 1250 C, were heated to the To achieve filtering of the copper melt into the tungsten wire frame. To manufacture of test contacts, the tungsten-copper composite material was available in lengths of approx. 9.5 mm cut so that the long axis of the wires is perpendicular to the working surface of the Composite material stood, as shown in Fig. 3 is. Is shown.

Claims

P A T E N T A N S P RÜ C H E 1. Electrical contact material from a reinforced composite material, characterized in that ser ierkstofL made of a plurality of substantially parallel wires made of a refractory cemented carbide consists, with the gaps between the wires with a soft metal with good conductivity, which is essentially the refractory metal is insoluble and does not react with them.

2. Electrical contact material according to claim 1, characterized in that that the hard metal wires are arranged so that their longitudinal axis is essentially extends perpendicular to the working surface of the contact.

3. Electrical contact material according to claims 1 and 2, characterized in that that the diameter of the wires is in the range of 0.025 mm to 1.25 mm and that the distance between each wire and about 3/4 the diameter of the wire or less.

4. Electrical contact material according to claim 1 to 3, characterized in that that the hard metal wires are made of tungsten, molybdenum, rhenium, niobium or tantalum.

5. Electrical contact material according to claim 1 to 4, characterized in that that the soft metal is copper, silver, gold, zinc or an alloy of these metals is.

6. Electrical contact material according to one of claims 1 to 5, characterized in that the hard metal content Les jontaktwerkstoifs 30 to 90 Weight percent of the material, with the remainder being soft metal.

7. Electrical contact material according to claim 4, 5 and, thereby characterized that the hard metal is tungsten and the soft metal is copper.

8. Electrical contact material according to one of the preceding claims, characterized in that the soft metal is a reactive metal alloyed therewith Contains metal, such as Titanium or zircon, the amount of which is between a trace of the same and can slim down 0.4 percent.

Q. Electrical contact material according to one of the preceding claims, characterized in that the vartmetall wires are in the form of a hexagonal frame are arranged.

10. Electrical contact material according to one of the preceding all-round tests, as characterized in that gas components or components which are in Transform gases that are present in amounts less than 10 parts per million.

11. Method for producing the electrical contact material according to one of the preceding claims, characterized in that a bundle of hard metal wires is arranged so that these wires extend substantially parallel to each other, whereby there are gaps between the wires that these wires with a Soft metal melt a highly conductive metal either in a reducing atmosphere or in a vacuum to 5 x 10 5 Torr or less treated so that the spaces between the wires with the soft Metal can be impregnated.

12. The method according to claim 11, characterized in that the reducing Atmosphere is hydrogen or dissociated ammonia.

13. The method according to claim 11, characterized in that the hard metal wires before impregnating with the soft metal by heating in a reducing agent Atmosphere to be cleaned.

14. The method according to claim 13, characterized in that the pretreated, cleaned hard metal wires are freed of gas in that the wires are heated to a temperature approximately 200 ° C higher than the temperature used for the cleaning pretreatment of the wires.

15. The method according to claim 11, characterized in that the hard metal wires be coated with the soft l, tall and the bundle of coated wires then heated to a temperature above the melting point of the soft metal, whereby the bundle of hard metal wires is reshaped to the contact composite material.