DE19607183C1 - Gesinterter Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Silber-Eisen- Werkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.-% Eisen und 0 bis 5 Gew.-% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte und ein Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffs.

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.

Es 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.

Aus der DE- AS 11-53-178 sind Silber-Kontaktwerkstoffe bekannt, die neben Silber und dem zu oxidierenden Bestandteil 0,001 bis 1% Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt, Chrom, Titan und/oder Vanadium enthalten. Die DE-AS 11 06 965 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung dichtgesinterter Formkörper aus Silber mit 5 bis 50% mindestens eines der Metalle Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Kobalt oder Nickel, die auch als Kontaktmaterial dienen können.

Silber-Eisen-Werkstoffe fanden bisher jedoch keine breitere Anwendung, da sie beim Schalten zur Bildung von Deckschichten neigen und damit zu hohen Kontakterwärmungen führen. Keiner dieser Werkstoffe erreicht die günstigen Eigenschaften der Silber-Nickel-Sinterwerkstoffe.

Bei allen bekannten Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte werden handelsübliche Eisenpulver eingesetzt, die Kohlenstoffgehalte von weniger als 0,05 Gew.-% aufweisen und daher relativ weich sind. Gesintert wird üblicherweise in wasserstoffhaltigen Atmosphären, insbesondere in Stickstoff-Wasserstoffgemischen.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gesinterten Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte, in dem die Massenanteile der Komponenten 0,5 bis 20% Eisen, 0 bis 5% metallische Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, oder nichtmetallischer Zusätze, wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid, Rest Silber, betragen, zu entwickeln, der eine geringe Verschweißneigung, einen geringen Kontaktwiderstand und eine hohe Abbrandfestigkeit und damit hohe Lebensdauer aufweist, und mit diesen Eigenschaften den bekannten Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffen möglichst nahe kommt. Außerdem sollte ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkstoffe entwickelt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Massenanteil des Kohlenstoffs in den Eisenteilchen mehr als 0,25% beträgt.

Vorzugsweise sollte der Massenanteil des Kohlenstoffs in den Eisenteilchen mehr als 0,4% betragen.

Am besten bewährt haben sich Silber-Eisen-Werkstoffe, bei denen der Massenanteil des Kohlenstoffs in den Eisenteilchen 0,6 bis 1,2% beträgt.

Die Herstellung dieser Werkstoffe erfolgt durch Mischen von Silberpulver mit 0,5 bis 20 Gew.-% Eisenpulver, 0 bis 5 Gew.-% metallische, Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, oder nichtmetallischer Zusätze, wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid, kaltisostatisches Pressen, Sintern bei 650 bis 940°C unter Schutzgas und Strangpressen, wobei ein Eisenpulver eingesetzt wird, das mehr als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff enthält, und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre erfolgt.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß man beim Einsatz eines Eisenpulvers, das im Ausgangszustand und auch nach dem Sintern mehr als 0,25 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise zwischen 0,6 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff enthält, und dadurch eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025, vorzugsweise mehr als 600 HV 0,025 aufweist, ein Werkstoff erhalten wird, der im praktischen Einsatz eine deutliche Verbesserung im Übertemperaturverhalten bringt. Um den Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.-% und damit die gewünschte Mikrohärte im gesinterten Zustand beizubehalten, muß das Sintern des Werkstoffs in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre erfolgen. Dadurch wird gewährleistet, daß der Kohlenstoffgehalt des Eisenpulvers während des Sinterns nicht verringert wird.

Der erfindungsgemäße Silber-Eisen-Werkstoff zeigt hinsichtlich der Lebensdauer und der sonstigen Eigenschaften praktisch das gleiche Verhalten wie Silber- Nickel-Werkstoffe.

Den Silber-Eisenwerkstoffen können 0 bis 5 Gew.-% metallische Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, oder nichtmetallische Zusätze, wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid zugesetzt werden.

Überraschenderweise lassen sich die erfindungsgemäßen Werkstoffe auch besser verarbeiten. Die Ursache liegt darin, daß das Eisen während des Strangpressens innerhalb der Silbermatrix deutlich feiner verteilt wird und daß sich das Eisen aufgrund der Sprödigkeit nicht zu langgestreckten Eisenzeilen verformt, wie in den bekannten Silber-Eisen- Werkstoffen. Die Werkstoffe lassen sich wirtschaftlich herstellen und sind in allen Schalteigenschaften mit dem Silber-Nickel-Werkstoff vergleichbar, insbesondere die Übertemperatur und Lebensdauer zeigen Werte, die auch Silber-Nickel-Werkstoffe erzielen.

Dies wurde durch elektrische Schaltversuche in serienmäßigen Schützen nachgewiesen. Die Versuche wurden mit 5,5 KW 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. Die Werkstoffe und die Ergebnisse der mit diesen Werkstoffen durchgeführten Schaltversuche nach einer Gesamtschaltbelastung von 60.000 Schaltspielen sind in folgender Tabelle enthalten und zeigen die Verbesserung der erfindungsgemäßen Werkstoffe 6 bis 16 hinsichtlich der Kontakterwärmung gegenüber den bekannten Werkstoffen AgNi20 und AgFe9,5Zn1,5 (Werkstoff 1 und 2) und Werkstoffen mit konventionellen Eisenpulvern (3 bis 5), die weniger als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff enthalten.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe ist in den nachstehenden Beispielen dargestellt. Dabei wird stets ein Eisenpulver eingesetzt, das etwa 0,9 Gew.-% Kohlenstoff enthält und eine Härte von etwa 800 HV 0,025 aufweist.

• 1. 80 g Eisenpulver wird mit 920 g Silberpulver gemischt. Die Mischung wird kaltisostatisch gepreßt zu einem Strangpreßbolzen. Dieser wird unter wasserstofffreiem Stickstoff bei 850°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wird durch Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt.
• 2. 80 g Eisenpulver und 5 g Rheniumpulver werden mit 915 g Silberpulver gemischt. Die Mischung wird kaltisostatisch gepreßt zu einem Strangpreßbolzen. Dieser wird unter wasserstofffreiem Stickstoff bei 850°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wird durch Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt.

Die Drähte lassen sich stets gut zu Kontaktstücken weiterverarbeiten.

Claims (4)

1. Gesinterter Silber-Eisenwerkstoff für elektrische Kontakte, in dem die Massenanteile der Komponenten 0,5 bis 20% Eisen, 0 bis 5% metallische Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, und/oder nichtmetallische Zusätze , wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid, und Rest Silber betragen, wobei der Massenanteil des Kohlenstoffs in den Eisenteilchen mehr als 0,25% beträgt.

2. Silber-Eisenwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil des Kohlenstoffgehalts in den Eisenteilchen mehr als 0,4% beträgt.

3. Silber-Eisenwerkstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil des Kohlenstoffs in den Eisenteilchen 0,6 bis 1,2% beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung von Silber-Eisenwerkstoffen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, durch Mischen von Pulvern aus den Ausgangskomponenten, in dem die Massenanteile der Komponenten 0,5 bis 20% Eisen, 0 bis 5% metallische Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, oder nichtmetallische Zusätze, wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid, und Rest Silber betragen, wobei der Massenanteil des Kohlenstoffs in den Eisenteil­ chen mehr als 0,25% beträgt, kaltisostatisches Pressen, Sintern bei 650 bis 940°C und Strangpressen, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird.