DE2011002A1 - Silber Metalloxid Werkstoff zur Ver wendung bei Kontaktstucken und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Silber Metalloxid Werkstoff zur Ver wendung bei Kontaktstucken und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

DR» RUDOLF BAUER · DIPL.-ING. HELMUT HUBBUGH
PATENTANWÄLTE 201100?
753 PFORZHEIM,
WESTLICHE 31 (AM LEOPOLD PLATZ) TEL.. (O7231) S429O
6.3.1970
I/K
Firma 3Dr. Eugen Dürrwächter DODUCO, Pforzheim
"Silber-Hetalloxid-Werkstoff zur Verwendung "bei Eontaktstücken und Verfahren zu seiner Herstellung"
Die Erfindung "betrifft einen Silber-Hetalloxid-Werkstoff, insbesondere Silber-Cadmiumoxid zur Verwendung "bei Eoataktstücken in Nieder sp anrnra gs schalt geräten und ein' Verfahren zu seiner Herstellung."
Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoffe, vorzugsweise Silber-Gadmiumoxid mit 6 "bis 15 Gew.% CdO, werden seit langem als Kontaktbeläge in Niederspannungsschaltgeräten in großem Umfange eingesetzt. Der Vorteil dieser Werkstoffe gegenüber Feinsilber ist eine weitaus geringere Schweißneigung im Schaltbetrieb, eine bogenlöschende Wirkung - die im wesentlichen auf einer Verhinderung des Widerzündens von Wechselstromschaltlichtbögen beruht - und gewöhnlich eine längere Lebensdauer _ im Schalt-Lichtbogen. .
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Zur Herstellung solcher Werkstoffe mischte man ursprünglich mechanisch Pulver von Silber und Cadmiumoxid und verdichtete das Pulvergemisch in Einzelpreßtechnik zu Kontaktstücken, die dann unterhalb des Silberschmelzpunktes gesintert wurden. Dieses Herstellungsverfahren wird hier P1 genannt.
Die so hergestellten Kontaktwerkstoffe zeigen ein günstiges Schweißverhalten, aber unzureichende Abbrandfestigkeit (Z. Metall 6 (1952) S, 369)· Auch die Zugabe anderer Oxide ernöhte ihre Lebensdauer nur wenig (US Patentschrift 2 796 3^-6, brit. Patentschrift 683 7A3) > Bas Verfahren der Einzelpreßt>:*->.nik ergibt stets spröde, stm-: ■_,:·.,. .■?■■■· Verbundkörper mit groben Oxideinlagerungen und wird deshalb nur noch in Fällen angewandt, in denen es mehr auf Sicherheit gegen ein Verschweißen als auf die Abbrandfestigkeit der Kontakte ankommt, z.B. in Luftfahrtschaltgeräten mit niedrigen Schalt spannung en.
Wesentlich bessere Silber-Cadmiumoxid-Werkstoffe lassen sich durch innere Oxidation geschmolzener, homogener Silber-Cadmitim-Legierungen herstellen (Verfahren hier 01 genannt). Für den Großteil von Niederspannungsschaltgeräten wie Luftschutze, Motorschutzschalter und Leitungsschutzschalter bedeutet dieses Oxidationsverfahren hinsichtlich des Kontaktabbrandes einen merklichen Fortschritt (US-Patentschrift 2 673 167j Z.Metall (1956) S. 628).
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Die Qualität der Kontaktwerkstoffe AgGdO mit einem CdO-Gehalt von 6 bis 15 Gew.%, die mittels innerer Oxidation hergestellt werden, wird hauptsächlich durch die IPorm bestimmt, in der sich das CdO ausscheidet. Man war einhellig der Meinung, daß derjenige Werkstoff der Beste war, in dem das GdO feinkörnig und gleichmäßig im Volumen verteilt war. So suchte man zu vermeiden, daß durch Unterbrechung der Oxidation linienförmige CdQ-AusScheidungen entstanden und/oder daß durch GdO-Anreicheruiigen in den Korngrenzen und heterogenen Bezirken von GdO-Agglome-=· * raten zu Zonen geringer Materialfestigkeit und erhöhtem Verschleiß führten.
Zum' Zwecke der Kornverfeinerung wurde daher z.B. vorgeschlagen, kornverfeinernde Zusätze wie Ni, Co, JFe, Mo, Cr, Ti, Sn, Zn und V in sehr geringen Mengen (0,001 bis 1 Gew.%) der AgCd-Legierung zuzugeben (DBP 1 153 1785 US Patentschrift 1 032 398; Us Patentschrift 2 796" $46) und/oder den Sauerstoff-Partialdruck zu erhöhen, um eine gleichmäßige Ausscheidung zu gewähleisten und den spröden Werkstoff verformbar zu machen.
Nur in den oben bereits erwähnten Anwendungsfällen, in denen die Abbrandfestigkeit gegenüber dem Schweißverhalten untergeordnet ist, wurden auch einmal versprödende Zusätze, wie Mg, angewandt (US Patentschrift 2 609 512).
Das Schliffbild eines Werkstoffes, der nach dem skizzierten,
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heute üblichen Verfahren 01 hergestellt wurde, zeigt eine homogene Verteilung der VdO-Partikel (Teilchengröße D <5,um).
Eine solche Struktur wurde allgemein als eine Voraussetzung für optimales Abbrandverhalten gehalten, weil eine OdO-Anreicherung an den Korngrenzen des Silbers die Matrix erheblich schwächt und im Schaltbetrieb zu einem Aufreißen der Kontaktstücke entlang den Korngrenzen führt.
W Die gleichen Forderungen werden heute auch durch ein neueres Herstellungsverfahren (hier P2 genannt) auf pulvermetallurgischem Wege erfüllt, in dem eine Mischfüllung von feinstverteiltem Silber und Cadmiumoxid zu Blöcken gesintert und anschließend durch Warmverformen (Walzen oder Strangpressen) verdichtet wird (Z.Metallkunde 58 (196?) S. 752; DBF.. P 15 848.8).
Man nahm also allgemein an, daß Silber-Metalloxid-Werkstoff fe dann die höchste Abbrandfestigkeit erreicht, wenn die Oxidteilchen so homogen wie möglich in der Silbermatrix verteilt sind.
Im Gegensatz zu dieser allgemein verbreiteten Ansicht der Fachwelt hat sich nun völlig überraschend während einer ausgedehnten Untersuchung des Kontaktverhaltens von inneroxidierten ßilber-Metalloxid-Werkstoffen gezeigt, daß in einigen Fällen
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Silber-Cadmiumoxid-Werkstoffe mit sehr starken Korngrenzen-Anreieherungen und ausgeprägter Sprödigkeit der Kontaktstücke eine außergewöhnlich lange Lebensdauer auch unter harten Bedingungen zu geben vermögen. Bas Verhalten dieses Werkstoffs widerspricht allen bisherigen Erfahrungen und kann z.Z. wissenschaftlich noch nicht erklärt werden.
Die Oxid-Ausscheidung des neuen, erfindungsgemäßen Kontakt- | Werkstoffes erfolgt extrem feinkörnig (D 0,1 /u m), vorzugsweise an den Korngrenzen der Silbermatrix und in erheblich geringerem Maße auch im Ag-Korn.
Diese Ausscheidungsform wird durch Zusätze von mindestens zwei Komponenten der Metalle Ca, Li, Sb, Mg, Be, Al, Sn, Mn, Bi und Zr zu der Ag/Cd-Basislegierung erreicht.
Weit überdurchschnittliches Abbrandverhalten zeigen folgende xnneroxidierte Legierungen (Oxidation in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei 600 bis 350°C):
Ag-Cd 10 - Ca 0,7 - Sn 0,6 - Ni 0,2 Ag-Gd 11 - Sn 1 - Ca 0,3 -M 0,5 Ag-Cd 12 - Sb 0,5 - Sn 0,5 - Ca 0,3 Ag-Cd 12 - Sn 1,5 - Ca 0,3 Ag-Cd 12 - Sb 0,5 - Sn 0,5 Ag-Cd 12 - Be 0,3 - Ca* 0,3
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Die aufgeführten Werkstoffe sind spröde und lassen sich nur sehr schwet verformen.
Die Sprödigkeit allein ist Jedoch kein hinreichendes Kriterium für eine hohe Abbrandfestigkeit. Ein Zusatz von beispielsweise 0,1 Gew. % Mn für sich allein zu der AgCd-Legierung erhöht zwar die Härte und die Sprödigkeit des oxidierten Werkstoffes erheblich, jedoch sinkt gleichzeitig die Lebensdauer auf etwa die Hälfte eines AgCdO-Werkstoffs ohne Zusätze, der gut verformbar ist. Erst die Zugabe noch eines zweiten Elements der oben aufgezählten Reihe ergibt den unerwarteten Effekt.
Ausführungsbeispiel
Aus 86,7 Gew.%Ag, 12 Gew.% Cd, 0,5 Gew.% Sb, 0,5 Gew.%ßn und 0,3Gew.% Ca wird in einem elektrisch beheizten Ofen eine Legierung erschmolzen und in Barrenform gegossen. Die weichen Barren werden abgehobelt und nach mehrmaligem Walzen und Zwischenglühen bei 650° C in inertem Gas mit einer Silberplatte nach bekanntem Walzplattierverfahren plattiert, um später eine einwandfreie Lötbarkeit auf dem Kontaktträger zu erhalten. Aus dem immer noch weichen Blech werden nun die K ntaktplättchen ausgestanzt, z.B. in Abmessungen von 16 χ 16 χ 2,1 mm. Diese Kontaktplättchen werden nun 11 Tage lang bei 7000C unter 1 atü Sauerstoff innenoxxidiert. Die Kontaktplättchen werden dadurch spröde. Das Gefüge ist grobkörnig. An den Korngrenzen haben sich die äusserst feinkörnigen Metalloxidteilchen bevorzugt angesammelt.
Die Lebensdauer von Kontaktstücken aus dem so hergestellten
Werkstoff ist aus Tabelle 1 ersichtlich und zwar im Vergleich zu AgCdO-Qualitäten,die nach den pulvermetallurgischen Verfahren P1 und P2 (s.o.) bzw. durch innere Oxidation einer bekannten Legierung 0 1 hergestellt wurden. 109840/0698
In dieser Tabelle sind rechts die maxjdimal möglichen Schaltzahlen als Mafß der Lebensdauer von AgCdö - Kontaktstücken gleicher Form angegeben, die nach den links angegebenen Herstellungsverfahren erzeugt wurden. Die Kontaktstücke wurden in einen Luftschütz eingebaut und die Schaltungen wurden mit Wechselstrom von U« j$££8 580 Volt, I- 310 Amp Ein - und Aus. cos »0,38. im Tippbetrieb (VDE) mit 600 Schaltungen in der Stunde vorgenommen.
Werkstoff hergestellt Maximale Schaltzahl: *
nach Verfahren: . |
AgCdO 12 nach Pl 60 000 - 120 000 AgCdO 12 nach 0 1 210 000 - 280 000 AgCdO 12 nach P 2 300 000 - 4-50 000
Werkstoff gemäss der 500 000 - 750 000 Erfindung:
Neben der erheblich höheren Lebensdauer ist auch das Erscheinungsbild der Kontaktstücke nach dieser extremen Beanspruchung bemerkenswert. Die Oberfläche der Kontaktstücke aus dem neuen Werkstoff ist trotz des Auftretens vieler Mikrorisse sehr gleichmässig abgetragen und weist im Ver-, gleich zur Oberfläche von Kontaktstücken aus AgCdO, die mit j den bekannten Verfauren hergestellt sind keine Silberanreicherung und keine Schmelzperlen am Rande auf.
Aus diesen Gründen, nämlich 1.) geringer Abbrand, 2.) gleichmassiger Abbrand und 3.) keine Schmelzperlenbildung, eignet sich der Werkstoff der Erfindung im Gegensatz zu den bekannten AgCdO-Werkstoffen nach P 1,P2 und 0 1 auch für schnellschaltende Niederspannungsmleistungsschalt er .
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Claims (2)

DR. RUDOLF BAUER. DIPL.-ING. HELMUT HUBBUCH Q 753 PFORZHEIM, 6·3·7Ο WESTLICHE 31 (AM LEOPOLD PLATZ) TEL.. (07231) 242S0 Patentansprüche:_
1.) Silber-Metallox^id-, insbesondere Silber-Cadmiumoxid- |t Werkstofffzur Verwendung bei Kontaktstücken gekennzeichnet durch eine im Gefügebild grobkörnige Silbermatrix mit an den Korngrenzen angereicherten Metalloxidkörnern, deren Grosse (D) unter ΕΧΣ D = 0,1 yum liegt.
2.) Verfahren zur Herstellung der Werkstoffe nach A spruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der AgCd-Basislegierung mindestens zwei der folgenden Metalle: Ca,Li,Sb,Mg,Be,Al,Sn,Mn, Bi und Zr zulegiert sind.
™ 3·) Werkstoff, der nach dem Verfahren nach Anspruch 2 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er neben dem Cadmiumoxid noch mindestens zwei Metalloxide nach Anspruch χ zu einem Anteil von zusammen 0,5-6 Gew.%, vorzugsweise 0,5-2 Gew.% enthält.
109840/0 Γ» 98
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