DE19503183A1

DE19503183A1 - Werkstoff aus Silber-Eisen für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19503183A1
Application number: DE1995103183
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Dr Weise; Roger Wolmer; Willi Malikowski; Peter Dipl Ing Dr Braumann
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1995-02-01
Publication date: 1996-08-08

Description

Die Erfindung betrifft einen Sinterwerkstoff für elektrische Kontakte mit 3 bis 30 Gew.% Eisen und 0,05 bis 5 Gew.% Zink, Rest Silber, und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Kontaktwerkstoffe für den Einsatz in der elektrischen Energietechnik müssen eine hohe Abbrandfestigkeit, geringe Verschweißkraft und niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen. Für luftoffene Schaltgeräte in der Niederspannungstechnik hat sich für Schaltströme von kleiner als 100 A der Verbundwerkstoff Silber-Nickel bewährt. Er besitzt eine hohe Abbrandfestigkeit bei sehr gutem Übertemperaturverhalten. Ein Nachteil des Werkstoffes liegt jedoch darin, daß Nickel, insbesondere in Form von Stäuben, schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben kann. Als Alternative zu Nickel ist daher verschiedentlich Eisen vorgeschlagen worden.

Aus der japanischen Patentanmeldung 79/148109 sind elektrische Kontaktwerkstoffe bekannt, die neben Silber noch Eisen, Nickel, Chrom und/oder Kobalt enthalten. Besonders Werkstoffe der Zusammensetzung AgFe10 zeigen einen hohen Verschleißwiderstand bei noch guter elektrischer Leitfähigkeit. Silber-Eisen-Werkstoffe fanden bisher jedoch keine breitere Anwendung, da sie beim Schalten zur Bildung von Deckschichten neigen und damit zu hohen Kontaktwärmungen führen. In der DE-PS 38 16 895 wird ein Werkstoff aus Silber-Eisen mit Zink-Zusatz beschrieben, der pulvermetallurgisch unter Verwendung der Elementpulver Silber, Eisen und Zink hergestellt wird. Gegenüber einem Silber-Eisen-Werkstoff ohne Zusatz zeigt dieser ein deutlich besseres Übertemperaturverhalten bei guter Lebensdauer. Dennoch liegen die Übertemperaturwerte der Silber-Nickel-Werkstoffe noch geringfügig unter denen der Silber-Eisen-Zink-Werkstoffe.

In der DE-OS 39 11 904 wird ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung elektrischer Kontakte aus Silber- Eisen beschrieben, die neben oder anstatt Titan, Zirkonium, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Mangan und Kupfer auch Zink enthalten können. Dabei wird zuerst ein Verbund- oder Legierungspulver aus wenigstens zwei der Bestandteile erzeugt, von denen einer Silber oder Eisen sein muß. Beispielsweise wird die Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus Silber mit 9 Gew.% Eisen, 0,5 Gew.% Zink und 0,5 Gew.% Kupfer ausgeführt, wobei aus Eisenchlorid und Kupfernitrat zuerst ein Eisen-Kupfer-Verbundpulver hergestellt wird, bei dem das Eisen und das Kupfer sehr fein verteilt nebeneinander vorliegen. Dieses Verbundpulver wird dann mit Silberpulver und Zinkpulver vermischt und gesintert.

Beim Sintern von Pulvergemischen aus Silber, Eisen und Zink bzw. Silber, Zink und Eisen-Kupferverbundpulver legiert sich das Zink bevorzugt mit dem Silber, während das Eisen im wesentlichen zinkfrei ist.

Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sinterwerkstoff für elektrische Kontakte mit 3 bis 30 Gew.% Eisen und 0,05 Gew.% Zink, Rest Silber, zu finden, der eine geringe Verschweißneigeung, einen möglichst geringen Kontaktwiderstand und damit Kontakterwärmung zeigt, eine lange Lebensdauer besitzt und in Schaltern mit einem breiten Anwendungsbereich in bezug auf die Schaltstromstärke eingebaut werden kann. Außerdem sollte ein entsprechendes Herstellungsverfahren entwickelt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zink fast vollständig im Eisen als Mischkristall gelöst und/oder zusammen mit zumindest einem Teil des Eisens als intermetallische Verbindung im Werkstoff vorliegt und die Silberkörner nur an den Grenzflächen zum Eisen in dünner Schicht mit Zink legiert, ansonsten aber zinkfrei sind.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Silber-Eisen- Zinkwerkstoffe für elektrische Kontakte in bezug auf Lebensdauer, Verschweißneigung und Kontaktwiderstand hervorragende Eigenschaften zeigen, wenn das Zink nicht in den Silberkörnern gelöst, sondern überwiegend zusammen mit den Eisen intermetallische Phasen oder einen Mischkristall bildet. Das Eisen kann bei 600°C bis zu etwa 20 Gew.% Zink aufnehmen, außerdem bilden sich intermetallische Eisen- Zink-Phasen bei 72 bis 79 Gew.% Zink, 88-89 Gew.% Zink, und bei etwa 94 Gew.% Zink. Welche Phasen bzw. Mischkristall vorliegen ergibt sich aus den Mengen der Eisen- und Zinkanteile im fertigen Werkstoff.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Silber-Eisen-Zink- Werkstoffs für elektrische Kontakte erfolgt durch Mischen der pulverförmigen Metallkomponenten Silber, Eisen und Zink, Pressen und Sintern, wobei zuerst das gesamte Zink zumindest mit einem Teil des Eisenpulvers zu einem Eisen- Zink-Mischkristall oder zu intermetallischen Eisen-Zink- Verbindungen umgesetzt und erst dann mit dem Silberpulver gemischt wird. Vorzugsweise werden das Eisen- und das Zinkpulver gemischt und bei Temperaturen von 300 bis 750°C geglüht.

Durch das anschließende Sintern des verdichteten Verbundwerkstoffes aus Silber und Eisen-Zink diffundiert ein sehr geringer Teil des Zinks in die Silberpartikeln. Dadurch wird eine um jedes einzelne Silberpartikel gleichmäßige Zink-Verteilung erreicht, die eine gute Benetzung bewirkt und damit eine Grenzfläche mit geringer Grenzflächenenergie. Das Zink dringt dabei nur in geringer Tiefe in die Silberkörner ein. Dies bewirkt überraschenderweise im Vergleich zu den üblichen Silber- Eisen-Zink-Werkstoffe, die über die klassische Pulvermetallurgie durch Mischen der Elementpulver hergestellt wurden, eine erhebliche Verbesserung der Übertemperatur. Dies wurde durch elektrische Schaltversuche in serienmäßigen Schützen nachgewiesen. Die Versuche wurden unter den Schaltbedingungen AC4 nach DIN VDE 0660 durchgeführt. Die Übertemperaturmessung erfolgte an den Kontaktbrücken bei einer Strombelastung von 20 A nach jeweils 20.000 Schaltungen.

Bei konventionellen Silber-Eisen-Zink-Werkstoffen, hergestellt durch Mischen der Komponenten, Pressen und Sintern wurde bei einer Zusammensetzung AgFeZn = 90/8,5/1,5 nach 60000 Schaltspielen eine mittlere Übertemperatur von 1160 c gemessen. Bei einem Werkstoff gleicher Zusammensetzung, hergestellt durch vorherige Umsetzung des Zinks mit dem Eisen vor dem Vermischen mit dem Silberpulver wurde nach ebenfalls 60000 Schaltspielen eine mittlere Übertemperatur von nur 1060 c gemessen. Das entspricht den Übertemperaturwerten von Silber-Nickel-Werkstoffen.

Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:

1. Eisen- und Zink-Pulver wurden in der Zusammensetzung 85 Gew.% Fe und 15 Gew.% Zn zunächst trocken gemischt und anschließend unter Schutzgas bei 600°C geglüht. Dabei bildet sich ein Eisen-Zink-Mischkristall der anschließend mit Silberpulver versetzt wurde, so daß eine Zusammensetzung von 90 Gew.% Ag und 10 Gew.% FeZn- Mischkristall entsteht. Die Mischung wurde kaltisostisch zu einem Strangpreßbolzen gepreßt. Dieser wurde erwärmt auf ca. 700°C und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wurde durch Walzen und Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt. Die Sintertemperatur und die Sinterzeit wurde dabei so gewählt, daß die Silberkörner nur in der Oberflächenschicht vom Zink legiert wurden.
2. Eisen- und Zink-Pulver wurden in der Zusammensetzung 95 Gew.% Fe und 5 Gew.% Zn zunächst trocken gemischt, unter Schutzgas bei 500°C geglüht und anschließend mit Silberpulver gemischt, so daß eine Zusammensetzung von 90 Gew.% Ag Rest FeZn entstand. Die Mischung wurde kaltisostatisch zu einem Strangpreßbolzen gepreßt, bei 700°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt.
3. Eisen- und Zink-Pulver wurden in der Zusammensetzung 75 Gew.% Zink und 25 Gew.% Eisen zunächst trocken gemischt und anschließend unter Schutzgas bei 600°C geglüht. Dabei bildet sich eine intermetallische Eisen-Zink- Verbindung. 5 Gew.% dieses Eisen-Zink-Pulvers wird mit 90 Gew.% Silberpulver und weiteren 5 Gew.% Eisenpulver gemischt, so daß eine Nominalzusammensetzung von Ag90 Fe 6,25 In 3,75 entsteht. Die Mischung wird kaltisostatisch zu einem Strangpreßbolzen und anschließend zu Draht bei ca. 700°C stranggepreßt. Der Draht wird durch Walzen und Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser verformt. Die Sinterbedingungen werden dabei so gewählt, daß das Zink aus der inter-metallischen Eisen-Zink-Verbindung nur in eine Tiefe von 20 µm in das die Eisen- und Eisen-Zink-Partikel umgebende Silber eindiffundiert.

Claims

1. Sinterwerkstoff für elektrische Kontakte mit 3 bis 30 Gew.% Eisen und 0,05 bis 5 Gew.% Zink, Rest Silber, dadurch gekennzeichnet, daß das Zink fast vollständig im Eisen als Mischkristall gelöst und/oder zusammen mit zumindest einem Teil des Eisens als intermetallische Verbindung im Werkstoff vorliegt und die Silberkörner nur an den Grenzflächen zum Eisen in dünner Schicht mit Zink legiert, ansonsten aber zinkfrei sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines Sinterwerkstoffes gemäß Anspruch 1 durch Mischen der pulverförmigen Metallkomponenten Silber, Eisen und Zink, Pressen und Sintern, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das gesamte Zink zumindest mit einem Teil des Eisenpulvers zu einem Eisen-Zink-Mischkristall oder zu intermetallischen Eisen-Zink-Verbindungen umgesetzt und erst dann mit dem Silberpulver gemischt wird.