DE2152327A1

DE2152327A1 - Material fuer elektrische Kontakte mit geringer Kontaktkraft und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2152327A1
Application number: DE19712152327
Authority: DE
Inventors: Davies Terrence Ardern
Original assignee: Plessey Co Ltd
Current assignee: Plessey Co Ltd
Priority date: 1970-10-21
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1972-04-27
Also published as: GB1313359A; FR2111546A5; CA967787A; US3778257A; DE2152327B2; DE2152327C3

Description

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

München 71,

r. 42 20.Oktober 1971

Unser Zeichen: fr \2 346

The PLESSEY Company Limited 2/60, Vicarage Lane Ilford, Essex England

Material für elektrische Kontakte mit geringer Kontaktkraft und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Material für elektrische Kontakte mit geringer Kontaktkraft und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Sie betrifft ferner Kontakte aus einem derartigen Material. Das erfindungegemäße Material zeichnet sich dadurch aus, daft es aus einem Gemisch aus Silber und Rutheniumoxyd besteht, wobei der Gewichtsanteil des Rutheniumoxydes im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 13,0% bezogen auf das Atomgewicht liegt. Besonders vorteilhaft ist ein Rutheniumoxyd-Anteil von etwa 1,3 Gewichtsprozent bezogen auf das Atomgewicht.

Bin geeignetes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Materials besteht darin, daß feines unregelmäßiges Silberpulver mit ultrafeinem Rutheniumpulver gemischt wird, wobei das Rutheniumpulver gleichmäßig in der Mischung verteilt ist und sein Gewichtsanteil im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10,0% bezogen auf das Atomgewicht beträgt, daß die Mischung in eine gewünschte Form gepreßt wird, daß ferner der Preßling in einer geeigneten Atmosphäre

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über eine Zeitspanne erwärmt wird, die ausreicht, um den Preßling su sintern, daB ferner der gesinterte Profiling innen oxydiert wird, um das metallische Ruthenium in Rutheniumoxyd umzuwandeln.

Die Erfindung umfaßt ferner einen Kontakt, der nach vorstehendem Verfahren hergestellt ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend im einzelnen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Material, das sich insbesondere für Kontakte mit kleiner Kontaktkraft eignet, besteht aus einer Mischung aus Silber und Rutheniumoxyd, wobei die Konsentration des Rutheniumoxydes belogen auf das Atomgewicht im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 13,0 Gewichtsprozent variieren kann. Besonders geeignet ist auch aus wirtschaftlichen Gründen ein Rutheniumoxyd-Anteil von etwa 1,3 % bezogen auf das Atomgewicht. Die Herstellung erfolgt auf metallurgischem Weg, da Vakuum- und Gasschmelstechniken sich nicht eignen, well es nicht möglich ist, die Ruthenium-Phase fein und gleichmäßig in dem Silber au verteilen.

Erfindungsgemäß wird daher feines unregelmäßiges Silberpulver und ultrafeines Rutheniuropulver innig zusammengemischt, so daß der Gewichtsanteil des Rutheniums an der Mischung im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10,0 % bezogen auf das Atomgewicht beträgt. Die innige Mischung erfolgt zweckmäßigerweiee durch trockenes Trommeln und Mahlen über eine Zeit von etwa 2 bis etwa 24 Stunden. Die enge Mischung der Pulverpartikel kann aber auch erreicht werden durch trockenes Trommeln in Anwesenheit von Glaskugeln oder durch Mahlen unter Azeton.

Die Größe und Form der Metallpulverpartikel ist von großer Wichtigkeit bei der Herstellung einer optimalen Mischung aus Silber und Rutheniumoxyd und beide Pulver sollten vorzugsweise so fein sein, als es wirtschaftlich möglich ist. Xn der Praxis wird daher Silber verwendet, das mit Sieben von etwa 300 bis 350 Maschen ausgesiebt wird (vorzugsweise sind die durchschnittlichen Abmessungen kleinez

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als 20 Mikron), während die Größe der Partikel des Rutheniumpulvers unter 5 Mikron Durchmesser liegen und vorzugsweise kein Rutheniumpartikel einen gröBeren Durchmesser als 5 Mikron hat. Die Verwendung feiner Pulver gewährleistet, daft eine feine gleichmäßige Verteilung des Rutheniums in dem fertigen Kontaktmaterial erreicht wird und daß eine schnelle Oxydation der Silber-Ruthenium-Legierung erleichtert wird, die innen oxydiert wird, um eine feine gleichmäßige Verteilung des Rutheniumoxydes im Silber su erhalten.

Das Pulvergemisch wird dann verdichtet und zusammengepreßt unter Verwendung der gewünschten Formen für die elektrischen Kontakte« Das Verpressen erfolgt sweckmäßigerweise mit einem Druck in der Größenordnung von 1,56 bis 3,12 Tonnen je Quadratsentimeter (10 bis 20 Tonnen je Quadratsoll), wodurch man eine Roh-Dichte von etwa 70% der theoretischen maximalen Dichte erhält. Die Preßlinge werden dann gesintert durch Erhitzen in einer neutralen oder redusierenden Atmosphäre, z.B. bei 90IN₂ZlOtH₂, und swar über eine Xeit von wenigstens einer Stunde. Die obere Teraperaturgrense für das Sintern sind 960,5°C, d.h. der Schmelzpunkt des Silbers. Um die Sintergeschwindigkeit su maximieren wird zweckmäßigerwelse eine Temperatur gerade unterhalb des Schmelzpunktes angewandt, beispielsweise etwa 93O°C. Durch das Sintern wird die Dichte des Kontaktmaterials auf etwa 80 bis 90% der maximalen theoretischen Dichte gesteigert, wobei die effektiv erreichbare Dichte von der Sinterseit und der Sintertemperatur abhängt. Bei Silber-Ruthenium-Legierungen, die in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert werden, tritt eine Zunahme der Abmessungen des Preßlings bei der nachfolgenden inneren Oxydation Infolge einer Zunahme des Volumens des Materialee auf, wenn das Ruthenium in Rutheniumoxyd umgewandelt wird und infolge der Erzeugung von Taschen mit Dampf, der sich durch die Reaktion von Sauerstoff mit gelöstem zurückgebliebenen Hasserstoff bilden kann. Der letzgenannte Effekt kann vermieden werden, indem die Mischung in einer

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neutralen Atmosphäre gesintert wird.

Die weichen Silberpartikel können kalt verschweißen, wenn das Zusammenpressen bei hohen Drücken durchgeführt wird, beispielsweise bei etwa 6 Tonnen je Quadratxentimeter (40 Tonnen je Quadratzoll) und diese Verschweißung führt su Taschen oder Kammern von in dem rohen Preßling eingeschlossener Luft. Diese Lufttaschen expandieren während des Slnterns und können daher eine Verformung und selbst eine Erweiterung des Preßlings hervorrufen. Es ist daher wichtig, βichertusteilen, daß hohe Preßdrücke in dieser Größenordnung hierbei vermieden werden.

Die gesinterten Preßlinge werden dann innen oxydiert durch Erwärmen in Luft bei einer Temperatur in der Größenordnung von §30°C und über eine Zelt von wenigstens einer Stunde. Diese Oxydation wan-* delt die unter der Oberfläche liegenden Partikel des metallischen Rutheniums in dem Silber (Ag) vollständig in Rutheniumoxyd (RuO₂) um. Metallpartikel in größeren Tiefen werden dagegen nur teilweise an Ihren Oberflächen oxydiert·

Rutheniumoxyd ist ein elektrisch leitendes Oxyd, das einen sehr kleinen elektrischen spezifischen Widerstand hat und es 1st in den Kontaktmaterial als feine gleichmäßige Dispersion enthalten. Die Dichte des Kontaktmaterials kann dann, wenn gewünscht, auf wenigstens 95t der maximalen theoretischen Dichte durch einen Preßvorgang mit einem Druck in der Größenordnung von etwa 6 bis 7 Tonnen je Quadratsentimeter (40 bis «Tonnen je Quadrat soll) gesteigert werden.

Das auf diese Heise hergestellte Xontaktmaterial hat einen geringen konstanten Kontaktwiderstand bei kleinen Kontaktkräften über eine Xeit von Jahren und unter atmosphärischen Bedingungen, bei denen die bekannten Kontaktmaterialien auf Silberbasis, wie x.B» Silber-* Cadmlumoxyd oder Silber allein anlaufen und korrodieren würden.

Mach einer anderen Aueführungeform der Erfindung werden die rohen Silber-Rutheniura-Preßlinge mit einem Druck in der Größenordnung von etwa 1,5 Tonnen je cm/Quadrat verpreßt und dann in Luft bei

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einer Temperatur von etwa 93O°C und Über eine Seit in der Größenordnung von einer Stunde gesintert. Bei diesem Sintern wird gleichseitig das Kontaktmaterial gesintert und das Ruthenium au RuO-oxydiert. Die Rutheniumpartikel, die ganz unter der Oberfläche der Preßlinge liegen, werden oxydiert und die Dichte des Kontaktmaterials wird von 70% auf etwa 80% der maximalen theoretischen Dichte gesteigert»

Wie vorher kann die Dichte des Materials, wenn gewünscht, danach auf wenigstens S5% des theoretischen Hartes durch einen Preßvorgang bei einem Druck in der Größenordnung von € bis 7 Tonnen je Quadratsentimeter (40 bis 50 Tonnen je Quadratsoll) gesteigert werden«

Das nach dieser Methode hergestellte Kontaktmaterial hat ebenfalls einen kleinen konstanten Kontaktwiderstand bei geringen Kontaktkräften über lange Seiträume in korrodierenden Atmosphären. Das gleichseitige Sintern und Oxydieren der rohen Sllber-Ruthenium-Preslinge führt au einer Schrumpfung wenn der Anfangedruck bei etwa 1,5 Tonnen je Quadratsentimeter lag. Bei einem Anfangsdruck von etwa 3 Tonnen je Quadratsentimeter tritt eine Expansion auf. Wenn während des »intern· das Silber rakristalllslert und das Kornwachstum beginnt, so wachsen die Körner bis sie auf ein Rutheniumoxydpartikel treffen« Die Rutheniumoxydpartikel setsen einem weiteren Korawachstum Widerstand entgegen und verbleiben an den Korngrensen, um diese effektiv in ihrer Lage su verankern. Das Kutheniumoxyd des erfindungsgemä· hergestellten Xontaktmaterials ist daher überwiegend an den Korngrensen des Silbers angeordnet.

Der Kontaktwiderstand des erfindungsgemäBen Materials wird in der nachfolgenden Tabelle mit demjenigen von Silber und Silber-Cadmium-Oxyd (AgCdO) verglichen.

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Kontakt kraft	Silber	KONTAKTWIDERSTAND	Ag- 1,3IRuO₂	(Ohm)	Ag- 3,9IRuO₂
(Gram»)	3,32	Ag- lOICdO		Ag- 2,6IRuO₂	0,150
7,0	2,90	0,36	0,034	0,165	0,030
10,3	2,50	0,13	0,008	0,011	0,009
13,6	2,15	O,O32	0,009	0,005	0,003
17,0	0,28	0,014	0,006	0,009	0,003
20,3	0,20	O,Oil	0,003	0,006	0,003
23,6	0,12	-	0,004	0,006	0,005
27,0	0,13	0,007	0,003	0,010	0,003
30,3	-	-	0,003	0,012	0,003
33,6	0,04	-	0,002	0,012	0,004
37,O	0,006	0,008

Der Kontaktwiderstand ist al* Funktion der Kontaktkraft angegeben, nach de« die Kontakte 21 Stunden lang einer feuchten R₂S Atmosphäre ausgesetst waren, d.h. einer Atmosphäre, die 700,0m H₂S und 17,0 mm H₂O enthält·

Sind Xontakte »it Abmessungen geringer Tolerant erforderlich, so sollte eine übermäßige Schrumpfung des Preslings bein Sintern vermieden «erden. Die bein Sintern auftretende Schrumpfung hingt direkt von dem anfänglichen Preßdruck ab, mit dem die rohen Preßlinge susammengepreflt werden, weshalb die richtige Wahl des Anfangs-Frefidruckes unter diesen Umständen von Bedeutung ist. Ein Vorteil des Silber-Rutheniumoxydes liegt darin, daß es leicht mit Weichlot lötbar ist, daß es ferner leicht angestaucht werden kann, um einen NUt su formen und daß es auch hart gelötet werden kann.

Mach einer weiteren Au»führung·form der Erfindung wird das Ruthenium-Metallpulver durch Ruthenium-Oxydpulver er sets t, und «war so, daß

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der

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der Gewichtsanteil des Rutheniumoxydes in dem Gemisch Silber-Ruthenlumoxyd im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 13,0 % bezogen auf das Atomgewicht liegt. Die Silber-Rutheniunoxyd-Mischung wird dann verpreßt und in einer inerten Atmosphäre gesintert, wie oben beschrieben. Obgleich man auf diese Welse ein Silber-Rutheniumoxys>Material erhält, das für bestimmte Anwendungsfälle geeignet sein kann, führt es jedoch su einer weniger günstigen Verteilung der Oxyd-Partikelgröße und xu einer schlechteren Verteilung der Oxydpartikel in der Silber-Matrix.

- 7 - Patentansprüche

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

insbesondere Material für elektrische Kontakte/mit geringer Kontaktkraft, dadurch gekennzeichnet , daß es aus einer Mischung aus Silber und Rutheniumoxyd besteht, und daß der Anteil des Rutheniumoxydes im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 13,0 % bezogen auf das Atomgewicht liegt.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Rutheniumoxydes etwa 1,3% bezogen auf das Atomgewicht beträgt.
3. Elektrischer Kontakt, gekennzeichnet durch ein Material nach Anspruch 1 oder 2.
4. Verfahren zur Herstellung eines Materials für elektrische Kontakte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß feines, unregelmäßiges Silberpulver mit ultrafeinem metallischen Rutheniumpulver zu einer Mischung gemischt wird, in der das Ruthenium gleichmäßig verteilt ist und sein Anteil im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 10,0 % bezogen auf das Atomgewicht liegt, daß die Mischung in eine Form gepreßt wird und der Preßling in einer geeigneten Atmosphäre über eine vorgegebene Zeit erwärmt und gesintert wird, und daß der gesinterte Preßling wenigstens teilweise innen oxydiert wird, um das metallische Ruthenium in Rutheniumoxyd umzuwandeln.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern und das Oxydieren des Preßlings gleichzeitig erfolgt indem der Preßling über eine vorgegebene Zeit in Luft erwärmt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung mit einem Druck von etwa 1,56 Tonnen je Quadratzentimeter verpreßt wird und daß das gleichzeitige Sintern und Oxydieren bei einer Temperatur von etwa 93O°C und über eine Zeit von etwa einer Stunde erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung mit einem Druck von etwa 1,56 bis etwa 3,12 Tonnen je Quadratzentimeter verpreßt wird, und daß das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von etwa 85O°C bis etwa 94O°C über eine Zeit von wenigstens einer Stunde erfolgt, und daß die Innenoxydation in Luft bei einer Temperatur von etwa

erfolgt.

von etwa 93O°C und über eine Zeit von wenigstens einer Stunde
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung in einer reduzierenden Atmosphäre vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierende Atmosphäre aus etwa 90%N_o und etwa 1OtH₇ besteht.
10. Verfahren zur Herstellung eines Materials für elektrische

Kontakte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t , daß feines unregelmäßiges Silberpulver mit feinem Rutheniumoxydpulver zu einer Mischung gemischt wird, in der der Anteil des Rutheniumoxydpulvers im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 13,0 t bezogen auf das Atomgewicht liegt, daß die Mischung in eine Form verpreßt und in einer inerten Atmosphäre über eine vorgegebene Zeit erwärmt und gesintert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung mit einem Druck von etwa 1,56 bis

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etwa 3,12 Tonnen je Quadratzentimeter verpreßt wird und daß das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von etwa 850 bis etwa 94O°C über eine Zeit von wenigstens einer Stunde erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Preßlinge zur Steigerung ihrer Dichte verpreßt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verpreßung mit einem Druck im Bereich von etwa 6 bis etwa 7 Tonnen je Quadratzentimeter erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern bei einer Temperatur von etwa 93O°C durchgeführt wird.

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