DE2011002C3 - Schmelzmetallurgisch hergestellter innenoxidierter Kontaktwerkstoff auf Silber-Kadmiumoxid-Basis - Google Patents

Schmelzmetallurgisch hergestellter innenoxidierter Kontaktwerkstoff auf Silber-Kadmiumoxid-Basis

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Description

Die Erfindung betrifft einen schmelzmetallurgisch hergestellten innenoxidierten Kontaktwerkstoff auf Silber-Kadmium-Basis.
Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoffe, vorzugsweise Silber-Kadmiumoxid mit 6 bis 15°/o 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 bogenlöschcade Wirkung — die im wesentlichen auf einer Verhinderung des Wiederzündens von Wechselstromschaltlichtbögen beruht — und gewöhnlich eine längere Lebensdauer im Schalt-Lichtbogen.
Zur Herstellung solcher Werkstoffe mischte man ursprünglich mechanisch Pulver von Silber und Kadmiumoxid und verdichtete das Pulvergemisch in Einzelpreßtechnik zu Kontaktstücken, die dann unterhalb des Silberschmelzpunktes gesintert wurden. Dieses Herstellungsverfahren wird hier Pl genannt.
Die so hergestellten Kontaktwerkstoffe zeigen ein günstiges Schweißverhalten, aber unzureichende Abbrandfestigkeit (Zeitschrift Metall, 6, 1952, S. 369). Auch die Zugabe anderer Oxide erhöhte ihre Lebensdauer nur wenig (USA.-Patentschrift 2 796 346, britische Patentschrift 683 343). Das Verfahren der Einzelpreßtechnik ergibt stets spröde, stark poröse Verbundkörper mit groben Oxideinlagerungen und 5" wird deshalb nur noch in Fällen angewandt, in denen es mehr auf Sicherheit gegen ein Verschweißen als auf die Abbrandfestigkcit der Kontakte ankommt, z. B. in Luftfahrtschaltgeräten mit niedrigen Schaltspannungen.
Wesentlich bessere Silber-Kadmiumoxid-Werkstoffe lassen sich durch innere Oxydation geschmolzener, homogener Silber-Kadmium-Legierungen herstellen (Verfahren hier Ol genannt). Für den Großteil von Nicderspannungsschaltgeflten, wie Luftsehütze, Motorschutzschiiltcr und Leitungsschutzschalter, bedeutet dieses Oxydationsverfahren hinsichtlich des Kontaktiibbrandcs einen merklichen Fortschritt (USA.-Patentschrift 2 673 167; Zeitschrift Metall, 10, 1956, S. 628).
Die Qualität der Kontaktwerkstoffe AgCdO mit einem CdO-Gehalt von üblicherweise 6 bis 15 Vo (in der Zeitschrift Metall, 10, 1956, S. 628, sind auch CdO-Gehalte von 5 bis 20Vo erwähnt), die mittels innerer Oxydation hergestellt werden, wird hauptsächlich durch die Form bestimmt, in der sich das CdO ausscheidet. Man war einhellig der Meinung, daß derjenige Werkstoff der beste sei, in dem das CdO feinkörnig und gleichmäßig im Volumen verteilt ist Eine gleichmäßige Oxidverteilung wird z. B. auch bei den Silber-Kadmiumoxid-Werkstoffen angestrebt, die aus der USA.-Patentschrift 2 673 167 und aus der schweizerischen Patentschrift 382 317 bekannt sind und bei denen neben dem Kadmiumoxid der Zusatz weiterer Unedelmetalloxide vorgesehen ist Man suchte auch zu vermeiden, daß durch Unterbrechung der Oxydation linienförmige CdO-Ausscheidungen entstanden und/oder daß CdO-Anreicherungen in den Konigrenzen und heterogene Bezirke von CdO-Agglomeraten zu Zonen geringer Materialfestigkeit und erhöhtem Verschleiß führten.
Zum Zwecke der Komverfeinerung wurde daher z. B. vorgeschlagen, kornverfeinernde Zusätze, wie Ni, Co, Fe, Mo, Cr, Ti, Sn, Zn und V, in sehr geringen Mengen (0,001 bis 1%) der AgCd-Lcgicrung zuzugeben (deutsche Patentschrift 1 153 178; GB-PS 1 032 398 und US-PS 2 796 346) und/oder den Sauerstoff-Partialdruck zu erhöhen, um eine gleichmäßige Ausscheidung zu gewährleisten 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 (USA.-Patenschrift 2 669 512).
Aus der österreichischen Patentschrift 150282 ist ferner ein Silber-Kadmium-Kontaktwerkstoff bekannt, dem zur Steigerung seiner Härte eines oder mehrere der Metalle Magnesium, Aluminium, Zinn und Beryllium zulegiert sind. Dieser bekannte Werkstoff wird jedoch nicht dem Vorgang der inneren Oxidation unterworfen, also nicht in einen Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoff überführt.
Das Schliffbild eines Werkstoffes, der nach dem skizzierten, heute üblichen Verfahren Ol hergestellt wurde, zeigt eine homogene Verteilung der CdO-Teilchen (Durchmesser < 5 μπι). Ein solches Gefüge wurde allgemein als eine Voraussetzung für optimales Abbrandverhalten gehalten, weil eine CdO-Anreicherung an den Korngrenzen des Silbers die Matrix erheblich schwächt und im Schaltbetrieb zu einem Aufreißen der Kontaktstücke entlang der Korngrenzen führt.
Die gleichen Forderungen werden heute auch durch ein neueres Herstellungsverfahren (hier P2 genannt) auf pulvermetaHurgischem Wege erfüllt, in dem eine Mischfällung von feinstvertciltem Silber und Kadmiumoxid zu Blöcken gesintert und anschließend durch Warmverformen (Walzen oder Strangpressen) verdichtet wird (Zeitschrift Metallkunde, 58, 1967, S. 752).
Man nahm also allgemein an, daß ein Silber-Metalloxid-Werkstoff dann die höchste Abbrandfestigkeit erreicht, wenn die Oxidteilchen so homogen wie möglich in der Silbermatrix verteilt sind. Dies traf auch bei Schaltzahlen bis zu etwa 200 000 zu. Darüber begannen aber die Werkstoffe aufzuschülen und dann sehr schnell abzubrennen.
Erfindungsgemäß gelang es nun, diesen Schäleffekt zu vermeiden und dadurch die Lebensdauer um das 4- bis 5 fache zu steigern, daß zur Erhöhung der Sprödigkeit und der Abbrandfestigkeit der mit
2 Oil
mindestens zwei der Unedelmetalle Calcium, Antimon, Magnesium, Beryllium, Aluminium, Zinn, Mangan, Wismut und/oder Zirkonium zusätzlich legierte Werkstoff nach, der Innenoxidation diese Unedelmetalle als Oxide im Bereich von 0,5 bis 6 e/o, vorzugsweise 0,5 bis 2·/», Rest Silber enthält und ein Gefügebild aufweist, bei dem in der grobkörnigen Silbermatrix die feinkörnigen Unedelmetalloxide mit einer Korngröße von unter 0,1 um an den Korngrenzen angereichert ausgeschieden sind.
Im Gegensatz zur allgemein verbreiteten Ansicht der Fachwelt hat sich überraschend gezeigt, daß das Abbrandverhalten dieser spröden Werkstoffe sich von dem Abbrandverhalten der duktilen Werkstoffe vor deren Schälen nicht unterscheidet.
Dieses Verhalten des Werkstoffes gemäß der Erfindung widerspricht der bisherigen Annahme der Fachwelt.
Die Oxid-Ausscheidung des neuen erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff es erfolgt extrem feinkörnig ao (ß = 0,1 μπι), vorzugsweise an den Korngrenzen der Silbermatrix angereichert und in erheblich geringerem Maße auch fein verteilt im Ag-Korn.
Weit überdurchschnittlich gutes Abbrandverhalten zeigen folgende innenoxydierte Legierungen (Oxydation in sauerstoffhaltig«^ Atmosphäre bei 600 bis 850cQ:
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 - 3e 0,3 - Ca 0,3.
Die aufgeführten Werkstoffe sind spröde und lassen sich nur sehr schwer verformen.
Die Sprödigkeit allein ist jedoch kei., hinreichendes Kriterium für eine hohe Abbrandfestigkeit. Ein Zusatz von beispielsweise 0,1% Mn für sich allein zu der AgCd-Legierung erhöht zwar die Härte und die Sprödigkeit des oxydierten Werkstoffes erheblich, jedoch sinkt gleichzeitig die Lebensdauer auf etwa die Hälfte eines AgCdO-Werksioffs ohne Zusätze, der gut verformbar ist. Erst die Zugabe noch eines zweiten Elements der oben aufgezählten Reihe ergibt den unerwarteten Effekt.
45
Ausführungsbeispiel
Aus 86,7 »/,Ag, 12<y„Cd, 0,5% Sb, 0,5% Sn und 0,3 % 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 65O0C in inertem Gas mit einer Silberplatte nach bekanntem Walzplattierverfahren plattiert, um später einwandfrei auf dem Kontaktträger lötbar zu sein. Aus dem immer noch weichen Blech werden nun die KontaktpJättchen ausgestanzt, z. B. in Abmessungen von 16 · 16 · 2,1 mm. Diese Kontaktplättchen werden nun 11 Tage lang bei 7000C unter 1 atü Sauerstoff innenoxydiert. 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 gleicher Form, die nach den pulvermetallurgischen Verfahren Pl und P2 bzw. durch innere Oxydation (Öl) einer bekannten Legierung hergestellt wurden.
Die Kontaktstücke wurden in einem Luftschutz eingebaut; die Schaltungen wurden mit Wechselstrom von U = 380 Volt, / = 310 Amp Ein- und Ausschaltstrom bei einem Leistungsfaktor cosy = 0,38 im Tippbetrieb (VDE) 600mal pro Stunde vorgenommen.
Tabelle 1
Werkstoff Herstellungs
verfahren		 Maximale Schaltzahl
AgCdO 12
AgCdO 12
AgCdO 12
gemäß
Erfindung		 Pl
Ol
P2		 60 000 bis 120 000
210 000 bis 280 000
300 000 bis 450 000
500 000 bis 750 000
Neben der erheblich höheren Lebensdauer ist auch das Erscheinungsbild der Kontaktstücke nach dieser extremen Beanspruchung bemerkensv «rt. Die Oberfläche der Kontaktstücke aus dem neuen Werkstoff ist trotz des Auftretens vieler Mikrorisse sehr gleichmäßig abgetragen und weist im Vergleich zur Oberfläche von Kontaktstücken aus AgCdO, die mit den bekannten Verfahren hergestellt sind, keine Silberanreicherung und keine Schmelzperlen am Rande auf.
Aus diesen Gründen, nämlich geringer Abbrand, gleichmäßiger Abbrand und keine Schmelzperlenbildung, eignet sich der Werkstoff der Erfindung im Gegensatz zu den bekannten AgCdO-Werkstofen nach Pl, P2 und Ol auch für schnellschaltende Niederspannungs-Leistungsschalter.

Claims (1)

  1. 2 Oil
    Patentanspruch:
    Schmelzmetallurgisch hergestellter innenoxidierter Kontaktwerkstoff auf Silber-Kadmiumoxid-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Sprödigkeit und der Abbrandfestigkeit der mit mindestens zwei der Unedelmetalle Calcium, Antimon, Magnesium, Beryllium, Aluminium, Zinn, Mangan, Wismut und/ oder Zirkonium zusätzlich legierte Werkstoff nach der Innenoxidation diese Unedelmetalle als Oxide im Bereich von 0,5 bis 6e/o, vorzugsweise 0,5 bis 2 %, Rest Silber enthält und ein Gefügebild aufweist, bei dem in der grobkörnigen Silbermatrix die feinkörnigen Unedelmetalloxide mit einer Korngröße von unter 0,1 μΐη an den Korngrenzen angereichert ausgeschieden sind.
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