DE2012910B2 - SILVER-CADMIUM OXIDE ALLOY FOR HEAVY DUTY ELECTRICAL CONTACTS AND PROCESS FOR THEIR PRODUCTION - Google Patents

SILVER-CADMIUM OXIDE ALLOY FOR HEAVY DUTY ELECTRICAL CONTACTS AND PROCESS FOR THEIR PRODUCTION

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DE2012910B2 DE19702012910 DE2012910A DE2012910B2 DE 2012910 B2 DE2012910 B2 DE 2012910B2 DE 19702012910 DE19702012910 DE 19702012910 DE 2012910 A DE2012910 A DE 2012910A DE 2012910 B2 DE2012910 B2 DE 2012910B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Silber-Cadmiumoxid-Legierung für hochbelastbare elektrische Kontakte und ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a silver-cadmium oxide alloy for heavy-duty electrical contacts and a method for their production.

Silber-Cadmiumoxid-Legierungen werden weit verbreitet als Kontaktwerkstoffe benutzt, beispielsweise für die Starter von Motoren, bei Relais, Schaltern für niedrige und hohe Belastbarkeiten sowie für Allstrommotoren. In erster Linie dienen Silber-Cadmiumoxid-Legierungen als Kontaktwerkstoffe für Wechselstromgeräte, doch gibt es auch zahlreiche Anwendungen bei Kontakten von Gleichstromgeräten. Mit Metalloxidzusätzen zu den bereits bekannten Grundmetallen lassen sich Verbundstoffe herstellen, die für die genannten Anwendungsgebiete günstige Eigenschaftskombinationen besitzen. Durch einen Metalloxidzusatz zu Silber oder Kupfer werden die Festigkeiten von Klebe- oder Schweißbrücken, die Lichtbogenlauf- und Löscheigenschaften sowie das Abbrandverhalten günstig beeinflußt. Auch der Kontaktwiderstand bleibt in einem für die Anwendung brauchbaren Bereich. Die wichtigsten Kontaktstoffe der Gruppe Metall-Metalloxid sind Ag-CdO und Ag-SnO,. Somit können durch Verwendung dieser Metalloxidzusätze Beschädigungen durch Funken oder Lichtbogen verhindert werden und kann vermieden werden, daß die Kontakte aneinander hängenbleiben und verschmelzen oder verschweißen, wobei sie ihre Schaltfähigkeit verlieren.Silver-cadmium oxide alloys are widely used as contact materials, for example for the starters of motors, for relays, switches for low and high load capacities as well as for universal motors. Silver-cadmium oxide alloys are primarily used as contact materials for AC devices, but there are also numerous Applications in contacts of DC devices. With metal oxide additives to the already known Base metals can be used to produce composites that are used for the areas of application mentioned have favorable combinations of properties. Become silver or copper by adding a metal oxide the strength of adhesive or welding bridges, the arc running and extinguishing properties as well the burning behavior has a favorable influence. The contact resistance also remains in one for the application usable area. The most important contact materials in the metal-metal oxide group are Ag-CdO and Ag-SnO ,. The use of these metal oxide additives can result in damage from sparks or arcing can be prevented and the contacts can be prevented from sticking to each other and fuse or weld, whereby they lose their switching ability.

Die bekannten Ag-CdO-Verbundstoffe oder -Legierungen sind jedoch den steigenden Ansprüchen, die an elektrische Kontakte gestellt werden, häufig nicht gewachsen, da sie relativ schnell verschleißen und bei den auftretenden Bogenentladungstemperaturen immer noch zum Verschweißen der Kontakte neigen. Außerdem verfügen die bekannten Legierungen nicht über die bei hochbelastbaren Schaltern erforderlichen mechanischen Festigkeitseigenschaften, insbesondere bei höheren Temperaturen.The known Ag-CdO composites or alloys are, however, the increasing demands that are placed on electrical contacts, often not grown because they wear out relatively quickly and at the arc discharge temperatures that occur, the contacts are still welded tend. In addition, the known alloys do not have the same properties as those used in heavy-duty switches required mechanical strength properties, especially at higher temperatures.

Aus der britischen Patentschrift 1 012 584 ist bereits bekannt, daß sich die Härte und gleichzeitig die Kornfeinung von Silber-Cadmiumoxid-Legierungen durch Zusatz geringer Mengen von Oxiden mit großer Stabilität, wie Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Berylliumoxid, Kalziumoxid, Titanoxid, Natriumoxid usw. steigern lassen. Dabei wurde bei einer mit 0,2 % Mg versetzten Legierung eine Vickershärte von 150 bis 160 kg/mm2 und bei einer mit 0,5 % Mg versetzten Legierung eine Vickershärte von 200 kg/mm2 erzielt. Der Zusatz derartiger Metalle mit stabilen Oxiden, wie beispielsweise Magnesiumoxid, ist jedoch mit Nachteilen behaftet, da dadurch die Sauerstoffdiffusion behindert wird. Oberhalb bestimmter Grenzgehalte wird das Material spröde und neigt zur Rißbildung.From British patent specification 1 012 584 it is already known that the hardness and at the same time the grain refinement of silver-cadmium oxide alloys by adding small amounts of oxides with great stability, such as magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, beryllium oxide, calcium oxide, titanium oxide, sodium oxide, etc. let increase. A Vickers hardness of 150 to 160 kg / mm 2 was achieved with an alloy mixed with 0.2% Mg, and a Vickers hardness of 200 kg / mm 2 with an alloy mixed with 0.5% Mg. However, the addition of such metals with stable oxides, such as magnesium oxide, has disadvantages, since it hinders the diffusion of oxygen. Above certain limits, the material becomes brittle and tends to form cracks.

Aus Schreiner, »Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte«, Springer-Verlag, 1964, Seiten 164 bis 173, ist bereits bekannt, durch innere Oxydation der homogenen Ag-Cd-Legierung den heterogenen Ag-CdO-Verbundstoff zu erzeugen, wobei die im Silber legierte Unedeknetallkomponente durch Glühen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zwischen 600 und 800° C in das Oxid überfuhrt wird. Das CdO ist dabei im Ag-Grundmetall in sehr feiner und gleicher Verteilung enthalten. Ferner ist aus dieser Veröffentlichung bereits bekannt, daß die innere Oxydation einer dichten Ag-Cd-Sinterlegierung bei Oxydationstemperaturen zwischen 600 und 800° C zu dem gleichen Ergebnis führt wie bei einer entsprechend zusammengesetzten Schmelzlegierung.From Schreiner, "Powder metallurgy electrical contacts," Springer-Verlag, 1964, pages 164 bis 173, is already known, by internal oxidation of the homogeneous Ag-Cd alloy to produce the heterogeneous Ag-CdO composite, with the in silver alloyed base component by annealing in an oxygen-containing atmosphere between 600 and 800 ° C is converted into the oxide. The CdO in the Ag base metal is very fine and the same Distribution included. Furthermore, it is already known from this publication that internal oxidation a dense Ag-Cd sintered alloy at oxidation temperatures between 600 and 800 ° C to the same The result is the same as with a correspondingly composed fusible alloy.

Die mit Hilfe der inneren Oxydation und unter Verwendung geringer Zusätze von Metallen mit stabilen Oxiden hergestellten Ag-CdO-Legierungen besitzen jedoch noch immer nicht die für die Verwendung in hochtbelasteten elektrischen Kontakten angestrebten Eigenschaften, bei denen es insbesondere auf große Verschleißfestigkeit, geringe Verschweißneigung und ausgezeichnete Hochtemperaturfestigkeit ankommt.Those with the help of internal oxidation and with the use of small additions of metals with stable However, Ag-CdO alloys made by oxides still do not have the ones for use in highly stressed electrical contacts desired properties in which it is in particular to high wear resistance, low tendency to weld and excellent high temperature resistance arrives.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Silber-Cadmiumoxid-Legierung zu schaffen, die bei Verwendung als Werkstoff für hochbelastete elektrische Kontakte herkömmlichen Ag-CdO-Legierungen überlegen ist, und ferner ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung derartiger Kontaktwerkstoffe gestattet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen der Kornfeinung dienenden, an sich bekannten Gehalt an Oxid des Kalziums, Magnesiums, Aluminiums und/oder Titans bis insgesamt 0,3 % und zusätzlich bis insgesamt 2,0 °/o an Oxid des Antimons, Zinns und/oder Zinks neben 10 bis 20% Kadmiumoxid und Silber als Rest. Das zur Erzeugung dieser erfindungsgemäßen Legierung bestimmte Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine erfindungsgemäß zusammengesetzte, erschmolzene und anschließend gekühlte Legierung vor der inneren Oxydation einem Schmiedevorgang mit hohem Verformungsgrad unterworfen wird.The invention is therefore based on the object of providing an improved silver-cadmium oxide alloy create the conventional Ag-CdO alloys when used as a material for highly stressed electrical contacts is superior, and also to provide a method which enables the manufacture of such Contact materials permitted. According to the invention, this object is achieved by one of the grain refinements serving, known content of oxide of calcium, magnesium, aluminum and / or titanium up to a total of 0.3% and additionally up to a total of 2.0% of oxide of antimony, tin and / or zinc next to 10 to 20% cadmium oxide and silver as the remainder. That for the production of this alloy according to the invention certain manufacturing processes are characterized in that a composite according to the invention, melted and then cooled alloy before internal oxidation Forging process is subjected to a high degree of deformation.

Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich durch besonders große mechanische Festigkeit selbst bei hohen Temperaturen aus. Ferner ist sie äußerst verschleißfest und besitzt nur geringe Verschweißneigung, jedoch gute thermische und elektrische Leit-The alloy according to the invention is characterized by particularly high mechanical strength itself at high temperatures. Furthermore, it is extremely wear-resistant and has only a low tendency to weld, but good thermal and electrical conductivity

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fähigkeitseigenschaften und einen Verdampfungs- bung der Kristalle zeigt sich bei der mikroskopischenCapability properties and evaporation of the crystals can be seen in the microscopic

punkt. Da die erfindungsgemäße Legierung außer- Untersuchung der erhaltenen Legierung, Gemäß denPeriod. Since the alloy according to the invention also investigates the alloy obtained, according to the

dem einen niedrigen Kontaktwiderstand aufweist, ist angestellten umfangreichen Versuchen und Messun-which has a low contact resistance, extensive tests and measurements

sie als Kontaktwerkstoff für Starkstrom- und Hoch- gen sind die angegebenen Anteilsbereiche für Silber,As a contact material for high-voltage and high-voltage currents, the specified percentage ranges for silver,

belastungskontakte besonders geeignet. 5 Cadmium und die metallischen Bestandteile der er-load contacts particularly suitable. 5 Cadmium and the metallic components of the

Bei Schmelz- und Gießvorgängen im Laufe der wähnten Gruppe II kritische Werte, welche die innereIn melting and casting processes in the course of the mentioned group II critical values, which the inner

Herstellung der Legierung spielen Cadmium und Oxydation der Legierung ermöglichen. Der genannteMaking the alloy play cadmium and allow the alloy to oxidize. The said

Kalzium die Rolle eines Desoxydationsmittels für Temperaturbereich ist kritisch für das Erzielen desCalcium's role of a deoxidizer for temperature range is critical for achieving that

Silber, das ein Grundmetall der Legierung darstellt. gewünschten Aufbaues der resultierenden LegierungSilver, which is a base metal of the alloy. desired structure of the resulting alloy

Die erwähnten weiteren Legierungsbestandteile ein- io mit dispergierten, gehärteten Körnern,The other alloy components mentioned above with dispersed, hardened grains,

schließlich Kalzium ermöglichen einen feinteiligen In den folgenden Ausführungsbeispielen der Erfin-finally calcium allow a finely divided In the following embodiments of the invention

Aufbau der Legierung, da sie sich an den Intergranu- dung sind alle Prozentanteile in GewichtsprozentenStructure of the alloy, since it is attached to the intergranular surface, all percentages are percentages by weight

larteilen bzw. Korngrenzen der Kristalle fein ver- angegeben,lar parts or grain boundaries of the crystals are finely specified,

teilen, wodurch eine grobkörnige Kristallbildung ver- B e i s d i e 1 1divide, causing a coarse-grained crystal formation. B e i s d i e 1 1

bindert wird. Die resultierende Legierung wird daher 15binds. The resulting alloy therefore becomes 15

zu einem geeigneten Kontaktmaterial, das eine gute Eine Silber-Cadmium-Legierung aus 13 °/o Cg, thermische und elektrische Leitfähigkeit, einen hohen 0,5 °/o Sn, 0,5 %Sb, 1 % CaO und 85,9 °/o Ag wurde Verdampfungspunkt sowie einen niedrigen Kontakt- in herkömmlichem Verfahren durch Schmelzen und widerstand hat, schwer oxydierbar ist und neben Glühen erhalten. Diese Legierung wurde einem höchster Verschleißfestigkeit eine große Härte be- 20 Schmiedevorgang mit hohem Verformungsgrad untersitzt. In gewissem Umfang hängen die typischen worfen und anschließend einer inneren Oxydation in Eigenschaften der Legierung als Kontaktwerkstoff Sauerstoff-Atmosphäre bei 1 at und 720° C untervon der Legierungszusammensetzung ab, doch be- zogen, so daß sich erfindungsgemäßes Kontaktmatesteht auch eine Abhängigkeit von der Form und den rial ergab. Die Eigenschaften eines elektrischen Kon-Abmessungen des Kontaktes sowie von den Strom- 25 taktes, der aus dem resultierenden Kontaktwerkstoff kreisbedingungen. Umfangreiche Untersuchungen aus Silber-Cadmiumoxid-Legierung aufgebaut war, haben gezeigt, daß die erfindungsgemäße Silber- wurden untersucht. Es zeigte sich, daß sowohl die Cadmhimoxid-Legierung mit der angegebenen Zu- Verschleißfestigkeit als auch die Widerstandsfähigsammensetzung insbesondere in bezug auf ihre keit gegen ein Kontaktschweißen gegenüber her-Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß und Kon- 30 kömmlichen Silber-Cadmiumoxid-Legierungen um taktverschweißen den herkömmlichen Werkstoffen 60 bis 80 °/o überlegen waren,
weit überlegen ist.A silver-cadmium alloy of 13% Cg, thermal and electrical conductivity, a high 0.5% Sn, 0.5% Sb, 1% CaO and 85.9 ° / o Ag has evaporation point as well as a low contact - in conventional processes by melting and has resistance, is difficult to oxidize and is preserved in addition to annealing. This alloy was subjected to the highest wear resistance, great hardness, and a forging process with a high degree of deformation. To a certain extent, the typical thrown and subsequent internal oxidation in the properties of the alloy as a contact material, oxygen atmosphere at 1 at and 720 ° C below, depend on the alloy composition, but related, so that the contact material according to the invention is also dependent on the shape and shape the rial revealed. The properties of an electrical Kon dimensions of the contact as well as the current cycle, the circuit conditions from the resulting contact material. Extensive investigations made of a silver-cadmium oxide alloy have shown that the silver according to the invention have been investigated. It was found that both the cadmium oxide alloy with the specified resistance to wear and tear, as well as the resistance composition, especially with regard to their ability to contact welding, resistance to wear and conventional silver-cadmium oxide alloys to tact weld the conventional materials 60 to 80 per cent were superior,
is far superior.

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Silber- B e i s ρ i e 1 2
Cadmiumoxid-Legierung der angegebenen Art istIn a process for making a silver biscuit ρ ie 1 2
Cadmium oxide alloy is of the type indicated

erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Legierung aus 35 Eine Silber-Cadmium-Legierung mit 10 °/o Cd, den angegebenen, nichtoxydierten Elementen ge- 0,3 % Mg (50 %)-Ni(50 °/o) wurde nach herkömmschmolzen und gegossen wird, worauf eine innere lichem Verfahren durch Schmelzen und Glühen erOxydation durch Nachbehandlung in oxydierender halten. Diese Legierung wurde einem Schmiedevor-Atmosphäre, z. B. in Sauerstoff, bei erhöhter Tempe- gang mit hohem Verformungsgrad unterworfen und ratur vorgenommen wird. 40 anschließend bei einer Temperatur von 730° C einerthe invention provides that an alloy of 35 A silver-cadmium alloy with 10% Cd, the specified, non-oxidized elements 0.3% Mg (50%) - Ni (50%) was melted according to conventional methods and is cast, followed by an internal process of melting and annealing keep in oxidizing state by post-treatment. This alloy was created in a forge atmosphere, z. B. in oxygen, subject to increased temperature and a high degree of deformation temperature is made. 40 then one at a temperature of 730 ° C

Die Erzeugung der erfindungsgemäß zusammenge- inneren Oxydation in Sauerstoff-Atmosphäre untersetzten Ag-CdO-Legierung erfolgt im einzelnen wie zogen. Anschließend wurden die Verschleißfestigkeit folgt: und die Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktschwei-Reduce the generation of the internal oxidation according to the invention in an oxygen atmosphere Ag-CdO alloy takes place in detail as drawn. Subsequently, the wear resistance follows: and the resistance to contact welding

Ein Gemisch von höchstens 0,3 °/o wenigstens ßen bei Kontakten aus der resultierenden Silbereines der Elemente einer aus Ca, Mg, Al und Ti 45 Cadmiumoxid-Legierung verglichen. Es wurde gebestehenden ersten Gruppe I, von höchstens 2,0 % funden, daß die Werte bei der erfindungsgemäßen wenigstens eines der Elemente einer aus Sb, Sn und Legierung um etwa 70 % denjenigen bei herkömm-Zn bestehenden zweiten Gruppe II, von 10 bis 20 °/o liehen Legierungen überlegen waren.
Cd und von Ag als Restanteil wird geschmolzen undA mixture of at most 0.3% at least ßen for contacts from the resulting silver one of the elements of a Ca, Mg, Al and Ti 45 cadmium oxide alloy compared. It was found that existing first group I, of at most 2.0%, that the values in the case of at least one of the elements according to the invention of a second group II consisting of Sb, Sn and alloy by about 70% compared to those in conventional Zn, from 10 to 20 ° / o borrowed alloys were superior.
Cd and Ag as the remainder are melted and

anschließend geglüht. Dabei entsteht unter Verhin- 50 Beispiel3
derung einer Grobkornbildung durch die metallischen Bestandteile der ersten Gruppe I eine Legie- Durch Schmelzen und Glühen wurde in herkömmrung aus den angegebenen metallischen Bestand- lichem Verfahren eine Silber-Cadmium-Legierung teilen. Die Legierung wird zwecks Feinkornbildung mit 20 °/o Cd, 0,5 °/o Sn, 0,5 °/o Sb, 0,1 %> Al erzeugt, einem Schmiedevorgang mit hohem Verformungs- 55 Die Legierung wurde einem Schmiedevorgang mit grad unterworfen und anschließend einer inneren hohem Verformungsgrad unterworfen und einer inOxydation bei einer Temperatur etwa zwischen 650 neren Oxydation in Sauerstoff-Atmosphäre bei und 730° C in Sauerstoffatmosphäre unterzogen, wo- 730° C unterzogen. Die Verschleißfestigkeit und die bei auf die Verhinderung von Grobkorn zu achten Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktschweißen wurist. Am Ende dieses Vorganges sind die interkristal- 60 den bei Kontakten aus der resultierenden Silberlinen Anteile der Trägerpartikel von einem Oxidwall Cadmiumoxid-Legierung und aus herkömmlichen umgeben und besteht der Träger aus einem Grund- Silber-Cadmiumoxid-Legierungen verglichen. Die körper mit dispergierten, gehärteten Grobkörnern. Ergebnisse zeigten, daß die Werte bei Kontakten mit Die derart hergestellte Legierung zeigt insgesamt der erfindungsgemäßen Legierung denjenigen mit hereinen harten und schuppenartigen Aufbau. 65 kömmlichen Legierungen um etwa 70 °/o überlegenthen annealed. This results in 50 Example3 under precaution
By melting and annealing, a silver-cadmium alloy was split from the specified metallic constituent processes in the conventional manner. For the purpose of fine grain formation, the alloy is produced with 20% Cd, 0.5% Sn, 0.5% Sb, 0.1%> Al, a forging process with high deformation subjected and then subjected to an internal high degree of deformation and subjected to inOxydation at a temperature approximately between 650 neren Oxidation in an oxygen atmosphere at and 730 ° C in an oxygen atmosphere, where- 730 ° C subjected. The wear resistance and the resistance to contact welding, which should be paid attention to the prevention of coarse grains. At the end of this process, the intercrystalline parts of the carrier particles from the resulting silver lines are surrounded by an oxide wall of cadmium oxide alloy and conventional and the carrier consists of a basic silver-cadmium oxide alloy. The bodies with dispersed, hardened coarse grains. Results showed that the values on contacts with the alloy produced in this way shows, overall, the alloy according to the invention that has a hard and flaky structure. 65 superior to conventional alloys by about 70 per cent

Dieser Aufbau und die Anordnung bzw. Umge- waren.This structure and the arrangement or surroundings.

Claims (5)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Silber-Cadmiumoxid-Legierung für hochbelastbare elektrische Kontakte, gekennzeichnet durch einen der Kornf einung dienenden, an sich bekannten Gehalt an Oxid des Kalziums, Magnesiums, Aluminiums und/oder Titans bis insgesamt 0,3 % und zusätzlich bis insgesamt 2,0 % an Oxid des Antimons, Zinns und/oder Zinks neben 10 bis 20% Cadmiumoxid und Silber als Rest.1.Silver-cadmium oxide alloy for heavy-duty electrical contacts, characterized by a grain refining per se known content of oxide of calcium, magnesium, aluminum and / or Titanium up to a total of 0.3% and an additional up to a total of 2.0% of antimony oxide, tin and / or zinc in addition to 10 to 20% cadmium oxide and silver as the remainder. 2. Verfahren zur Herstellung einer Silber-Cadmiumoxid-Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erschmolzene und anschließend geglühte Legierung vor der inneren Oxidation einem Schmiedevorgang mit hohem Verformungsgrad unterworfen wird.2. A method for producing a silver-cadmium oxide alloy according to claim 1, characterized characterized in that a melted and then annealed alloy before the inner Oxidation is subjected to a forging process with a high degree of deformation. 3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf eine Legierung aus 85,9 °/o Ag, 13 % Cd, 0,5 % Sn, 0,5 °/i> Sb und 1,0 % CaO.3. Application of the method according to claim 2 to an alloy of 85.9% Ag, 13% Cd, 0.5% Sn, 0.5% Sb and 1.0% CaO. 4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf eine Legierung aus 10 °/o Cd, 0,3 % Mg(50 <Vo)-Ni(5O o/o), Rest Ag.4. Application of the method according to claim 2 to an alloy of 10 ° / o Cd, 0.3% Mg (50 <Vo) -Ni (5O o / o), remainder Ag. 5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf eine Legierung aus 20 % Cd, 0,5 °/o Sn, 0,5 °/o Sb, 0,1 0Zo Al, Rest Ag.5. Application of the method according to claim 2 to an alloy of 20% Cd, 0.5% Sn, 0.5% Sb, 0.1 0 Zo Al, remainder Ag.
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