DE19608490C1 - Contact material made of silver and active components, molded part made therefrom and process for producing the molded part - Google Patents
Contact material made of silver and active components, molded part made therefrom and process for producing the molded partInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff aus Silber und Wirkkomponenten. Die Erfindung betrifft weiter ein aus einem Kontaktwerkstoff bestehendes Formstück sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formstücks.The invention relates to a contact material made of silver and Active components. The invention further relates to a one Contact material existing fitting and a process to produce such a fitting.
Für ein Kontaktstück in einem Niederspannungs-Schaltgerät der Energietechnik, z. B. in einem Leistungsschalter oder in einem Hilfsschütz, haben sich Kontaktwerkstoffe aus Silber, die sich in bestimmten Wirkkomponenten zur Verbesserung der Schalteigenschaften voneinander unterscheiden, seit langem bewährt. Als Wirkkomponenten sind sowohl Metalle als auch Me talloxide bekannt. Vertreter der metallischen Kontaktwerk stoffe aus Silber sind beispielsweise Silber-Nickel-Werkstof fe (AgNi) und Silber-Eisen-Werkstoffe (AgFe). Als Vertreter der oxidischen Kontaktwerkstoffe sei beispielhaft ein Silber- Eisenoxid-Werkstoff (AgFe₂O₃) genannt.For a contact piece in a low-voltage switchgear Energy technology, e.g. B. in a circuit breaker or in a Contactor, have contact materials made of silver that themselves in certain active components to improve Switching characteristics have been different for a long time proven. Both metals and Me are active components talloxide known. Representative of the metallic contact mechanism Silver materials are, for example, silver-nickel materials fe (AgNi) and silver-iron materials (AgFe). As representative of the oxidic contact materials is a silver Iron oxide material (AgFe₂O₃) called.
Aus der US 5,198,015 ist ein Kontaktwerkstoff auf Silber basis bekannt, welcher einen Massenanteil von 0,5-39,9% Nickel und einen Massenanteil von 0,14-7% Nickeloxid auf weist.From US 5,198,015 is a contact material on silver basis, which has a mass fraction of 0.5-39.9% Nickel and a mass fraction of 0.14-7% nickel oxide points.
Besonders Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe besitzen gute Schalteigenschaften, jedoch ist nachteilig, daß der sich bei der Herstellung oder während des Betriebs durch Abrieb bil dende Nickelstaub sowie das als Schaltprodukt entstehende Nickeloxid schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Orga nismus haben können.Silver-nickel contact materials in particular have good ones Switching properties, but it is disadvantageous that the during manufacture or during operation due to abrasion Ending nickel dust as well as the switching product Nickel oxide harmful effects on human org can have nism.
Standardisierte Testmethoden zur Bestimmung der Schalteigen schaften eines Kontaktwerkstoffes finden sich in INT. J. Pow der Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), 219-228.Standardized test methods for determining the switching properties Properties of a contact material can be found in INT. J. Pow Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), 219-228.
Kontaktwerkstoffe, die neben Silber Wirkkomponenten enthal ten, welche keine schädliche Auswirkung auf den menschlichen Organismus haben, sind z. B. ein Silber-Eisen-Rhenium-Kontakt werkstoff aus der EP 0 586 411 B1 und der bereits genannte Silber-Eisenoxid-Kontaktwerkstoff aus der DE 41 17 311 A1. Die Schalteigenschaften der genannten Kontaktwerkstoffe las sen sich jeweils durch Beimengen zusätzlicher Wirkkomponen ten, z. B. Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃) und Eisenwol framat (FeWo₄), verbessern. Der Massenanteil solcher zusätz licher Wirkkomponenten liegt in der Regel zwischen 0,01% und 5%.Contact materials that contain active components in addition to silver which have no harmful effect on human Have organism are z. B. a silver-iron-rhenium contact material from EP 0 586 411 B1 and the already mentioned Silver-iron oxide contact material from DE 41 17 311 A1. The switching properties of the contact materials mentioned read each by adding additional active components ten, e.g. B. zirconium oxide (ZrO₂), yttrium oxide (Y₂O₃) and iron wool framat (FeWo₄), improve. The mass fraction of such additional active components are usually between 0.01% and 5%.
Oxidische Kontaktwerkstoffe, d. h. Kontaktwerkstoffe mit me talloxidischen Wirkkomponenten, zeichnen sich durch eine ge ringe Verschweißneigung und eine den Anforderungen genügende Lebensdauer aus. Metallische Kontaktwerkstoffe besitzen eine sehr hohe Lebensdauer, insbesondere bei kleinen Strömen, zei gen jedoch in der Regel eine höhere Verschweißneigung als die oxidischen Kontaktwerkstoffe.Oxidic contact materials, d. H. Contact materials with me active components, are characterized by a ge rings tendency to weld and meet the requirements Life out. Metallic contact materials have one very long life, especially with small currents, zei However, they tend to have a higher tendency to weld than that oxidic contact materials.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen nickelfreien Kontaktwerk stoff aus Silber mit Wirkkomponenten anzugeben, welcher ge genüber einem metallischen Kontaktwerkstoff eine geringere Verschweißneigung und gegenüber einem oxidischen Kontaktwerk stoff eine höhere Lebensdauer aufweist und somit insgesamt bessere Schalteigenschaften besitzt. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Herstellungsverfahren für ein Formstück aus einem derartigen Kontaktwerkstoff sowie ein Formstück aus dem Kontaktwerkstoff, insbesondere ein Kontaktstück, anzuge ben, welches sich durch die verbesserten Schalteigenschaften besonders für einen Leistungsschalter der Energietechnik eig net. The object of the invention is a nickel-free contact mechanism Specify silver fabric with active components, which ge less than a metallic contact material Tendency to sweat and to an oxidic contact mechanism fabric has a longer lifespan and thus overall has better switching properties. Object of the invention it is also a manufacturing process for a molding from such a contact material and a shaped piece the contact material, in particular a contact piece ben, which is characterized by the improved switching properties especially for a circuit breaker in energy technology net.
Bezüglich des Kontaktwerkstoffes wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kontaktwerkstoff aus Silber mit einem weiteren Metall und einem Oxid des weiteren Metalls als Wirkkomponen ten, wobei die Summe der Massenanteile des Metalls und des Oxids zwischen 1% und 50% beträgt und das Metall Eisen und das Metalloxid Eisenoxid ist.This problem is solved with regard to the contact material through a contact material made of silver with another Metal and an oxide of the other metal as active components ten, the sum of the mass fractions of the metal and the Oxide is between 1% and 50% and the metal is iron and the metal oxide is iron oxide.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein Kontakt werkstoff, welcher als Wirkkomponenten sowohl ein Metall als auch ein Oxid dieses Metalls enthält, die günstigen Schaltei genschaften eines Kontaktwerkstoffes mit metallischen Wirk komponenten mit den günstigen Schalteigenschaften eines Kon taktwerkstoffes mit metalloxidischen Wirkkomponenten verei nigt. Umfangreiche Untersuchungen zeigen, daß ein derartiger Kontaktwerkstoff sich durch eine sehr geringe Verschweißnei gung bei gleichzeitig hoher Lebensdauer auszeichnet. Schädli che Auswirkungen von Eisen oder Eisenoxid auf den menschli chen Organismus sind zudem nicht bekannt.The invention is based on the idea that a contact material, which as active components is both a metal and also contains an oxide of this metal, the inexpensive switching element properties of a contact material with a metallic effect components with the favorable switching properties of a con cycle material with active metal oxide components nigt. Extensive studies show that such a Contact material is characterized by a very low welding egg excellence with a long service life. Skull effects of iron or iron oxide on human beings Chen organism are also not known.
Das Eisenoxid kann entweder als Fe₂O₃ oder als Fe₃O₄ vorlie gen, zweckmäßigerweise ist es eine Mischung aus Fe₂O₃ und Fe₃O₄, wie sie im Handel ohne weiteres und kostengünstig ver fügbar ist.The iron oxide can be either Fe₂O₃ or Fe₃O₄ gene, advantageously it is a mixture of Fe₂O₃ and Fe₃O₄, as ver in the trade easily and inexpensively is available.
Eine Verbesserung der Schalteigenschaften des Kontaktwerk stoffs wird erreicht, falls dieser mindestens eine weitere Wirkkomponente oder Minderkomponente aufweist. Besonders vor teilhaft ist es, wenn die Minderkomponente ein Übergangsme tall oder ein das Übergangsmetall enthaltendes Oxid ist, wo bei der Massenanteil der Minderkomponente zwischen 0,01% und 5%, vorzugsweise zwischen 0,01% und 2% liegt. Die Schalt eigenschaften besonders günstig beeinflussende Minderkompo nenten sind z. B. Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃), Rheni umoxid (ReO₂), Rhenium (Re), Eisenwolframat (FeWO₄) und Wis mutzirkonat (2Bi₂O₃ × 3ZrO₂). Diese Minderkomponenten sind auch in Kombination günstig für die Schalteigenschaften des Kontaktwerkstoffs. An improvement in the switching properties of the contact mechanism substance is reached if it has at least one more Has active component or minor component. Especially before it is partial if the minimum component is a transitional measure tall or an oxide containing the transition metal is where at the mass fraction of the minimum component between 0.01% and 5%, preferably between 0.01% and 2%. The switching lower compo, which has a particularly favorable effect on properties nents are e.g. B. zirconium oxide (ZrO₂), yttrium oxide (Y₂O₃), Rheni Umoxid (ReO₂), rhenium (Re), iron tungstate (FeWO₄) and Wis Mutz Zirconate (2Bi₂O₃ × 3ZrO₂). These are minor components also in combination favorable for the switching properties of the Contact material.
Zur Lösung der auf ein Formstück bezogenen Aufgabe wird er findungsgemäß ein Formstück aus einem Kontaktwerkstoff ange geben, welcher Silber, Eisen und Eisenoxid umfaßt, wobei die Summe der Massenanteile des Eisens und des Eisenoxids zwi schen 1% und 50% beträgt. Das Formstück wird dabei vorteil hafterweise pulvermetallurgisch hergestellt. Das pulverme tallurgische Herstellungsverfahren wird im folgenden noch nä her erläutert.To solve the problem related to a fitting, it becomes according to the invention, a fitting made of a contact material which includes silver, iron and iron oxide, the Sum of the mass fractions of iron and iron oxide between between 1% and 50%. The fitting is advantageous fortunately produced by powder metallurgy. The powder Tallurgical manufacturing process is still below ago explained.
Für die Verwendung in einem Schaltgerät der Energietechnik, insbesondere für einen Leistungsschalter, ist das Formstück vorteilhafterweise in Form eines Kontaktstücks ausgebildet. Dabei kann das Kontaktstück zusätzlich mit einer Schicht aus Reinsilber zur sicheren Verbindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten versehen sein.For use in a power engineering switchgear, especially for a circuit breaker, is the fitting advantageously in the form of a contact piece. The contact piece can also be made with a layer Pure silver for the safe connection of the contact piece with the Pad should be provided by brazing.
Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Formstücks wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Pulvermischung aus Silber, aus Eisen und aus Eisenoxid gebil det und pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.Regarding the process for producing a molding the object is achieved in that a Powder mixture made of silver, iron and iron oxide det and powder metallurgically processed to the molding becomes.
Zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kontaktwerkstoff sind im wesentlichen zwei verschiedene pulvermetallurgische Verfahren bekannt. Bei der Formpreßtechnik wird die Pulvermi schung durch Formpressen zu einem Formling verpreßt, welcher durch Sintern und ggf. weiteres Pressen zu dem fertigen Form stück verarbeitet wird. Wie bereits erwähnt, kann für die Herstellung eines Formstücks in Form eines Kontaktstücks der Formling zusätzlich mit einer Schicht aus Reinsilber zur si cheren Verbindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten verpreßt werden. In einem nach der Formpreßtechnik hergestellten Formstück liegen die in Pulverform zugefügten Wirkkomponenten mit einheitlicher Korngröße gleichmäßig, ohne makroskopische Orientierung über die Silbermatrix verteilt vor, und das Gefüge des Formstücks ist weitgehend isotrop. For the production of a molded part from a contact material are essentially two different powder metallurgical Process known. In the compression molding technique, the pulvermi pressing by compression molding into a molding which by sintering and possibly further pressing to the finished shape piece is processed. As mentioned earlier, for the Production of a fitting in the form of a contact piece Shaped with an additional layer of pure silver for si cheren connection of the contact piece with the pad Brazing to be pressed. In one using the compression molding technique manufactured molding are the powdered added Active components with uniform grain size evenly without Macroscopic orientation distributed over the silver matrix before, and the structure of the fitting is largely isotropic.
Bei der Strangpreßtechnik wird die Pulvermischung zunächst zu einem porösen Preßling oder Butzen gepreßt und/oder gesin tert. Der Preßling oder Butzen wird, ggf. mit einer Schicht aus Reinsilber, durch Strangpressen zu einem Strang verpreßt, aus welchem die Formstücke abgetrennt und eventuell einer nachfolgenden Behandlung unterzogen werden.In the extrusion technique, the powder mixture is initially too a porous compact or slug pressed and / or gesin tert. The compact or slug is, if necessary, with a layer made of pure silver, extruded into one strand, from which the fittings are separated and possibly one subsequent treatment.
In einem nach der Strangpreßtechnik hergestellten Formstück sind die Pulverkörner der Wirkkomponenten und ggf. des Sil bers in Strangpreßrichtung verformt bzw. ausgerichtet, wo durch sich ein anisotropes, nämlich zeiliges Gefüge ausbil det.In a fitting manufactured using the extrusion technique are the powder grains of the active components and possibly the Sil bers deformed or aligned in the direction of extrusion, where form an anisotropic, namely line structure det.
Durch das Gefüge eines Kontaktwerkstoffs, d. h. durch die Größe und durch die Verteilung der Wirkkomponenten in der Silbermatrix, werden seine elektrischen Schalteigenschaften, z. B. Abbrand, Kontaktwiderstand und Verschweißneigung, maß geblich bestimmt.Due to the structure of a contact material, d. H. through the Size and by the distribution of the active components in the Silver matrix, its electrical switching properties, e.g. B. erosion, contact resistance and tendency to weld, measured probably determined.
Metall-Pulver sind in der Regel bis hinab zu einer mittleren Korngröße von etwa 5 µm kommerziell erhältlich. Da Metall oxid-Pulver verfügbar sind, deren mittlere Korngröße wesent lich kleiner als 1 µm ist, läßt sich durch die Verwendung von Metalloxid-Pulver statt Metall-Pulver und anschließende Re duktion des Metalloxids ein Kontaktwerkstoff erzielen, bei dem die mittlere Korngröße der metallischen Wirkkomponenten im Nanometer-Bereich liegt. Ein derartiger Kontaktwerkstoff mit einem feinen Gefüge weist günstigere Schalteigenschaften auf als ein Kontaktwerkstoff mit grobem Gefüge. Zudem kann bei der Verwendung von Metalloxid-Pulvern unter weniger strengen Transport- und Verarbeitungsvorschriften gearbeitet werden, da im Gegensatz zu Metalloxid-Pulvern viele Metall pulver selbstentzündlich sind. Auf diese Weise lassen sich die Herstellungskosten reduzieren.Metal powders are usually down to a medium Grain size of about 5 microns commercially available. Because metal oxide powders are available whose average grain size is essential is less than 1 µm, can be achieved by using Metal oxide powder instead of metal powder and subsequent re production of the metal oxide to achieve a contact material which is the average grain size of the metallic active components is in the nanometer range. Such a contact material with a fine structure has more favorable switching properties on as a contact material with a coarse structure. It can also when using metal oxide powders under less strict transport and processing regulations worked because, unlike metal oxide powders, there are many metals powder are self-igniting. This way reduce manufacturing costs.
Entsprechend werden die Schalteigenschaften eines Formstücks aus dem Kontaktwerkstoff verbessert durch ein auch kostengün stiges Herstellungsverfahren, bei dem eine erste Pulvermi schung aus Silber und aus Eisenoxid gebildet und in der er sten Pulvermischung das Eisenoxid zu Eisen reduziert wird, aus der durch diese Reduktion veränderten ersten Pulvermi schung und aus Eisenoxid eine zweite Pulvermischung gebildet wird und die zweite Pulvermischung pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.The switching properties of a fitting are correspondingly made of the contact material improved by a cost-effective manufacturing process in which a first powder mix formed from silver and iron oxide and in which he most powder mixture that reduces iron oxide to iron, from the first pulvermi changed by this reduction and a second powder mixture formed from iron oxide is and the second powder mixture powder metallurgically to the Fitting is processed.
Um eine unerwünschte Oxidation bzw. Reduktion des Metalloxids in weiteren Verfahrensschritten zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn der Sintervorgang des Herstellungsverfahrens unter Inertgas oder Vakuum stattfindet.An undesirable oxidation or reduction of the metal oxide to prevent in further procedural steps, it is from Advantage if the sintering process of the manufacturing process takes place under inert gas or vacuum.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an hand einer Figur sowie durch Untersuchungsergebnisse näher erläutert. Dabei zeigt:The following is an embodiment of the invention hand of a figure and by examining results explained. It shows:
Fig. 1 Die Struktur eines erfindungsgemäß nach der Strang preßtechnik hergestellten Silber-Eisen-Eisenoxid-Kon taktwerkstoffes parallel zur Strangpreßrichtung. Fig. 1 The structure of a silver-iron-iron oxide Kon contact material produced according to the invention by the extrusion technology parallel to the extrusion direction.
Als Ausführungsbeispiel wird ein Silber-Eisen-Eisenoxid-Werk stoff hergestellt. Dazu wird eine Pulvermischung aus Silber (Ag) und den Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Eisenoxid (Fe₂O₃) sowie den weiteren Wirkkomponenten Zirkonoxid (ZrO₂), Yttri umoxid (Y₂O₃), Rheniumoxid (ReO) und Rhenium (Re) herge stellt. Die Zusammensetzung der Pulvermischung ist derart, daß die Summe der Massenanteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Eisenoxid (Fe₂O₃) im fertigen Werkstoff 10% be trägt, wobei die Massenanteile des Eisens (Fe) und des Eisen oxids (Fe₂O₃) jeweils 5% betragen. Die Summe der Massenan teile der weiteren Wirkkomponenten beträgt 2%.A silver-iron-iron oxide plant is used as an exemplary embodiment fabric made. This is done with a powder mixture of silver (Ag) and the active components iron (Fe) and iron oxide (Fe₂O₃) as well as the other active components zirconium oxide (ZrO₂), Yttri Umoxid (Y₂O₃), rhenium oxide (ReO) and rhenium (Re) herge poses. The composition of the powder mixture is such that the sum of the mass fractions of the active components is iron (Fe) and iron oxide (Fe₂O₃) in the finished material 10% be carries, the mass fractions of iron (Fe) and iron oxides (Fe₂O₃) each amount to 5%. The sum of the masses parts of the other active components is 2%.
Das Pulvergemisch wird zu einem Rohling oder Butzen weit er verarbeitet und nach der beschriebenen Strangpreßtechnik un ter üblichen Bedingungen zu einem Formstück verpreßt. Alle Sintervorgänge finden dabei unter Inertgas statt, um eine Re duktion des Eisenoxids zu Eisen bzw. eine Oxidation des Ei sens zu Eisenoxid zu verhindern.The powder mixture becomes a blank or slug processed and un according to the extrusion technique described ter is pressed into a shaped part under the usual conditions. All Sintering processes take place under inert gas in order to achieve a re reduction of the iron oxide to iron or an oxidation of the egg prevent sens to iron oxide.
Der derart hergestellte Kontaktwerkstoff wird aufgrund seiner Zusammensetzung als AgFe5F₂O₃5-Werkstoff bezeichnet.The contact material produced in this way is due to its Composition referred to as AgFe5F₂O₃5 material.
In Fig. 1 ist die Struktur des erfindungsgemäßen AgFe5F₂O₃5-Werk stoffs in einem Schliffbild parallel zur Strangpreßrich tung dargestellt. Die Schalteigenschaften des Kontaktwerk stoffes werden in Vergleichsversuchen mit bekannten metalli schen oder metalloxidischen Kontaktwerkstoffen untersucht.In Fig. 1 the structure of the AgFe5F₂O₃5 material according to the invention is shown in a micrograph parallel to the extrusion direction. The switching properties of the contact material are examined in comparative tests with known metallic or metal oxide contact materials.
Dazu wird als Vertreter der metallischen Kontaktwerkstoffe ein Ag(FeRe95/5)8,8-Kontaktwerkstoff herangezogen. Die Schreibweise Ag(FeRe95/5)8,8 zeichnet dabei einen Silber-Ei sen-Rhenium-Kontaktwerkstoff aus, wobei die Summe der Massen anteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Rhenium (Re) 8,8% beträgt und das Verhältnis der Massenanteile von Eisen (Fe) zu Rhenium (Re) 95 zu 5 gewählt ist. Als ein Vertreter für einen metalloxidischen Kontaktwerkstoff wird ein AgFe₂O₃5,4ZrO₂1-Kontaktwerkstoff herangezogen. Der AgFe₂O₃5,4ZrO₂1-Kontaktwerkstoff zeichnet sich durch einen Massenanteil von 5,4% Eisenoxid (Fe₂O₃) und 1% Zirkonoxid (ZrO₂) aus.This is done as a representative of the metallic contact materials an Ag (FeRe95 / 5) 8.8 contact material was used. The Spelling Ag (FeRe95 / 5) 8.8 draws a silver egg sen-rhenium contact material, the sum of the masses proportions of the active components iron (Fe) and rhenium (Re) 8.8% and the ratio of the mass fractions of iron (Fe) for rhenium (Re) 95 to 5 is selected. As a representative for a metal oxide contact material is a AgFe₂O₃5.4ZrO₂1 contact material used. Of the AgFe₂O₃5.4ZrO₂1 contact material is characterized by a Mass fraction of 5.4% iron oxide (Fe₂O₃) and 1% zirconium oxide (ZrO₂) off.
Die in den Vergleichsversuchen verwendeten Testmethoden sind in der Würdigung des Standes der Technik bereits beschrieben. Der erfindungsgemäße AgFe5F₂O₃5-Kontaktwerkstoff zeigt eine geringere Verschweißneigung als der metallische Ag (FeRe95/5)8,8-Kontaktwerkstoff und eine höhere Lebensdauer als der metalloxidische AgFe₂O₃5,4ZrO₂1-Kontaktwerkstoff.The test methods used in the comparative experiments are already described in the appraisal of the prior art. The AgFe5F₂O₃5 contact material according to the invention shows one less tendency to weld than the metallic one Ag (FeRe95 / 5) 8.8 contact material and a longer service life as the metal oxide AgFe₂O₃5.4ZrO₂1 contact material.
Aufgrund der günstigen Schalteigenschaften eignet sich ein derartiger Kontaktwerkstoff insbesondere für die Verwendung in Leistungsschaltern der Energietechnik.Due to the favorable switching properties, a such contact material in particular for use in circuit breakers in energy technology.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |