DE2251670A1 - Verfahren zur herstellung von karbidhaltigen verbundmetall-kontaktwerkstoffen hoher mechanischer und elektrischer verschleissfestigkeit - Google Patents

Description

• "Verfahren zur Herstellung von karbidhaltigen Verbundmetall-Eontaktwerkstoffen hoher mechanischer und elektrischer VerschleißfestiCkeit lì Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von karbidhaltigen Verbundmetall-Kontaktwerkstoffen hoher mechanischer und elektrischer Verschleißfestigkeit.
• Seit langem sind Silber-Wolframkarbid-, Kupfer-Wolframkarbid-Silber-Nolybdänkarbid und Kupfer-Molybdänkarbid-Kontaktwerkstoffe bekannt. Sie werden besonders dann eingesetzt, wenn eine hohe Verschleißfestigkeit sowie bei extremer Schaltleistung eine hohe Abbrandfestigkeit und geringe Schweißneigung verlangt werden.
• Während z.B. ein handelsübliches Silber-Wolfram-Verbundmetall mit 50 Gew.% Wolfram eine Härte HV von 1300-1500N/mm2 aufweist, wird diese auf Werte von 1400-1600 N/mm² erhöht, wenn statt des Wolframs Wolframkarbid eingesetzt wird. Außerdem wird z.B. bei Silber- Wolframkarbid die bei Silber-Wolfram im Schaltlichtbogen auftretende Silber-Wolframatbildung stark eingeschränkt, so daß der Anstieg des Kontaktwiderstandes mit zunehmender Schaltzahl geringer ist als bei Silber-Wolfram.
• Diese bekannten Werkstoffe werden als Einlagerungs- oder Durchdringungs-Verbundmetalle durch Pressen und Sintern hergestellt.
• Dabei werden entsprechende Mengen der Einzelkomponenten als Pulver zusammengemischt, gemeinsam verpresst und dann gesintert.
• Bei den Durchdringungs-Verbundmetallen wird im allgemeinen der Anteil der Komponente mit hoher elektrischer Leitfähigkeit oder ein Teil davon auf dem Tränkwege durch Infiltration in ein Gerüst des harten Werkstoffs eingebracht.
• Bei der Herstellung dieser Kontaktwerkstoffe ist die hohe Härte und die Verschleißfestigkeit der Wolfram- und Molybdänkarbide ein hemmender Produktionsfaktor. Preßmatritzen und Preßstempel werden von diesen, notwendigerweise sehr feinen Pulvern, während des Preßvorganges stark angegriffen und es ist folglich mit hohem Werkzeugverschleiß zu rechnen.
• Aufgabe der Erfindung ist es nun, diesen Werkaeugverschleiß zu vermindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verzicht auf die Verwendung von Karbidpulvern gelöst. Stattdessen werden erfindungsgemäß die reinen. viel weicheren Metallpulver verpreßt und die Karbide erst, in einem dem Pressen nachfolgenden Wärmebehandlungsverfahren gebildet. Während Karburierungsverfahren in der Stahlvergütung seit langem Stand der Technik sind sind solche Verfahren bei der Herstellung von Sinterkontakten auf Wolfram- oder Molybdänbasis bisher unbekannt.
• Wsien die Werkstoffe erfindungsgemäß nach dem Verpressen durch eine Wärmebehandlung karburiert, so erhält man überraschenderweise Kontaktwerkstoffe mit gegenüber den bekannten, von vornherein karbidhaltigen Werkstoffen, wesentlich verbesserten Eigenschaften hinsichtlich ihres Verschleiß- und Abbianiverhaltens.
• So erleiden z.B. auf herkommliche Art aus 65 Gew.0/o WC und 35 Gew.% Ag hergestellte Kontakte bei kurzzeitiger Lichtbogeneinwirkung (7 KV, 95 KA) einen um 1o-3o % höheren Abbrandverlust als wenn sie erfindungsgemäß durch Karburierung eines W-Gerusts und anschließende Infiltration hergestellt wind.
• Bei der Durchführung des Erfindungsgedankens tritt also zu der erstrebten Verbesserung des Herstellungsverfahrens in überraschender Weise eine bedeutende Qualitätsverbesserung hinzu, Zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung geht man im einzelnen wie folgt vor: Das später zu karburierende-Metall wird in Form von feinkörnigen Metallpulvern oder Metalloxidpulvern-mit einem, wenn erforderlich, die Sinterung fördernden Zusatz, wie z.B. Nickelpulver, zu einem gut riesel- und preßfähigen Ansatz gemischt und in bekannter Weise in die Form der gewünschten Kontakte gepreßt.
• Um die Preßfähigkeit zu verbessern, können noch preßerleichternde Zusätze wie z.B. Metallstearate, Metallseifen, Wachse oder Paraffine zugesetzt werden. Die Preßlinge werden - in Graphitpulver eingebettet - bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung in und CO-haltiger reduzierender/Atmosphäre sowohl zu Metall reduziert, wenn vom Oxid ausgegangen wird, als auch zu einem stabilen , porösen Gerüst zusammengesintert und über die Gasphase bzw. Eontaktdiffusion in stabiles Karbid umgewandelt. Die Sinterung kann durch den Zusatz von für die Sinteraktivierung bekannten Metallen schon bei loooOC einsetzen, so daß die notwendige Gerüststabilität schon vor dem Beginn des Aufkohlungsprozesses, der ab etwa 12500C einsetzt, erreicht wird.
• Zur Karburierung sind die Presslinge in Graphitpulver eingebettet und werden in der beim Sintern üblichen Schutzgasatmosphäre wie z.B. Wasserstoff oder gespaltenem Ammoniak oder H2- und/oder 00-haltigen Gasen auf die eigentliche Reaktionstemperatur aufgeheizt.
• Die Karburierung verläuft umso schneller, je höher diese Reaktion temperatur liegt. Praktisch reichen jedoch leicht zu beherrschende Temperaturen von ca. 130o-15oo°C aus, um in wirtschaftlich vertretbaren Zeiten gute Aufkohlungsergebnisse zu erzielen, Bei der Karburierung ist die Porosität von großem Nutzen, weil dadurch auch das Innere der Preßlinge über die Gasphase aufgekohlt wird.
• Daß aber auch die Kontaktdiffusion eine wesentliche Rolle spielt, ist daran zuerkennen, daß die Härte des Werkstoffes von der Oberfläche in- Richtung Kern allmählich abnimmt. Sollte es jedoch notwendig sein, die Kontaktstücke ganz durchzukarburieren, so kann man dies durch eine entsprechende Ausdehnung der Reaktionszeit erreichen. Es ist aber auch möglich, den Prozess der inneren Karburierung zu beschleunigen indem der zu verpressenden Metallpulvermischung Anteile von Graphitpulver in möglichst feiner Verteilung, beispielsweise als Ruß, zugesetzt werden, um während des Re aktions ablaufes auch im Inneren des Körpers Kontaktdiffusion zu erhalten. Dabei ist der Graphitzusatz so gering zu wählen, dass er restlos in Karbid umgewandelt wird, weil GraAitreste die nachfolgende Tränkung erschweren. NachSinterung und Karburierung des Gerüstes aus hochschmelzendem und daher abbrandiestem Material wird es mit dem üblichen Trännprozess mit dem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit infiltriert.
• Um Werkstoffe unterschiedlicher Zusammensetzung in Bezug auf da s Verhältnis von der--hochwarmfesten zur zur besonders gut elektrisch leitfähigen Eomponente herstellen zu können, ist es erforderlich, beim Aufbau des Karbidgerüstes das Porenvolumen zu steuern. Hierzu gibt es verschiedene Wege.
• Beiden Werkstoffen mit hohem Wolfram- oder Molybdängehalt und geringem Silber- oder Kupfergehalt ist man in der Lage, den gewinschten Porenraum durch die Höhe des Preßdruckes bei der Formgebung sowie durch Temperaturhöhe und Zeit der Sinterung vor der Karburierung zu steuern. Auch Temperaturhöhe und Reaktionszeit beim Karburieren üben noch einen gewissen Einfluß auf den Porenanteil aus. Will man das Porenvolumen auf mehr als 50 Vol.% erhöhen, so ist dies in an sich bekannter Weise durch Zugabe porenbildender Füllstoffe zur zu verpressenden Pulvermischung möglIch. Diese Füllstoffe werden während des Erwärmungsprozesses zersetzt oder verflüchtigt und entweichen unter Zurücklassung zusätzlichen Porenraumes. Als Füllstoffs kommen Salze wie z.B. leichtfldchtiges Ammoniumkarbonat, Zelluloseprodukte, wie z.B. das rückstandslos verbrennende Zellacol, Stearate, Metallseifen und Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Paraffin, in Frage, die alle während der Erwärmung ausgetrieben werden. Auch Metallsalze wie z B Natriumchlorid sind grundsätzlich geeignet, jedoch müssen diese nach dem Vorsintern ausgewaschen werden.
• Ausführungsbeispiele: 1.) Ein mit loo N/mm2 verpreßter Körper aus No-Pulver wurde in Graphitpulver eingebettet, in H2-Atmosphäre 9o Minuten auf l3oo0C erwärmt und anschließend bei 1100° C mit Cu infiltriert. Es ergab sich ein dichtes Durchdringungsverbundmetall aus 65 Gew.% MoC und 35 Gew.% Cu. Die Vickershärte HV lo, gemessen auf der Außenhaut, beträgt 4000-4500 N/mm2, die elektrische Leitfähigkeit 14-18 m/flmm2.
• 2.) Ein mit loo N/mm2 verpreßter Körper aus W-Pulver mit 0,01 Gew. % Ni wurde in Graphitpulver eingebettet, in H2-Atmosphäre 60 Minuten auf 1400°C erwärmt und anschließend Durchdringungsmit Cu infiltriert. Der entstandene/Verbundkörper besteht aus 70 Gew.% WC und 30 Gew.% Cu. Die Härte HV 10 auf der Außenhaut beträgt 4000-4500 N/mm2, die elektrische Leitfähigkeit 18-22 3.) Ein mit 100N/mm2 verpreßter Körper aus Mo-Pulvern mit 1 Gew.% G und 5 Gew.% Zinkstearat wurde in Graphitpulver eingebettet und in H2-Atmosphäre 5o Minuten auf 1300° G erwärmt und anschließend bei 1050°C mit Ag infiltriert.
• Das entstandene Durchdringungsverbundmetall besteht aus 50 Gew.% MoC und 50 Gew.% Ag. Die Härte HV lo auf der Au@ßenhaut beträgt 2500-3000 N/mm2, die elektrische Leitfähigkeit 20-24 m/#mm2.
• 4.) Ein mit loo N/mm2 verpreßter Körper aus W-Pulver mit 3 Gew.% C, o,ol Gew.% Ni und 5 Gew.% Zinkstearat wurde in Graphitpulver eingebettet, in H2-Atmosphäre 60 Minuten auf 15000C erwärmt und anschlicßend bei 1100°C mit Ag infiltriert. Das entstandene Durchdringungsverbundmetall besteht aus 60 Gew.% WC und @0 Gew.% Ag. Die Härte HV-lo auf der Außenhaut beträgt 2000-2500 N/mm2, die elektrische Leitfähigkeit 24-28 m/r2mm2.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung- von Kontaktwerkstoffen aus durch Infiltrieren hergestellten Durchdringungsverbundwerkstoffexi mit Karbidanteilen dadurch gekennzeichnet, daß die Karbidphasen erst nach der Verpressung der karbidfreien Metallpulver Mer Metallo@idpulvermischungen mit oder nach der Sinterung durch Karburierung über Direktkontakt mit Graphit und über die Gasphase gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufkarburierung die Metalle Wolfram und/oder Molybdän eingesetzt werden, die anschließend mit Silber und/oder Kupfer infiltriert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des für den Infiltranten notwendigen Porenraumes durch Zusätze von J?tillstoffen wie z.B. Salze, Zelluloseprodukte, Stearate, Metallseiten oder Paraffine eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den karbidfreien Netallpulvermischungen bereits vor dem Verpressen ein geringer Teil an hochleitfähigem Metallpulver zugesetzt wird, dsssen größerer Teil jedoch nach dem Karburierungsverfahren infiltriert wird.