DE2305519A1 - Legierung auf silber-cadmium-basis und verwendung derselben fuer elektrische kontakte - Google Patents

Legierung auf silber-cadmium-basis und verwendung derselben fuer elektrische kontakte

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DE2305519A1 DE2305519A DE2305519A DE2305519A1 DE 2305519 A1 DE2305519 A1 DE 2305519A1 DE 2305519 A DE2305519 A DE 2305519A DE 2305519 A DE2305519 A DE 2305519A DE 2305519 A1 DE2305519 A1 DE 2305519A1
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Description

Legierung auf Silber-Cadmium-Basis und Verwendung derselben für elektrische Kontakte
Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Silber-Cadmium-Basis mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, die sich auch durch eine verminderte Oxydationszeit auszeichnet, und sie betrifft ferner daraus hergestellte elektrische Kontakte.
Eines der weitverbreitetsten, im Handel verfügbaren Materialien für elektrische Kontakte ist bekanntlich Silber-Cadmiumoxyd, wie es z. B. in der USA-Patentschrift 2 539 298 beschrieben wird. Nachteilig an diesem bekannten Kontaktmaterial ist jedoch, daß dessen Lichtbogenerosionsrate nicht niedrig genug ist. Erschwerend kommt hinzu, daß beim Versuch, die Lichtbogenerosionsrate zu vermindern, darauf geachtet werden muß, daß die elektrische Leitfähigkeit des Materials nicht wesentlich erniedrigt wird. Es erweist sich ferner als erstrebenswert, für dieses bekannte Material neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen.
Es wurden auch bereits bestimmte Zusatzstoffe vorgeschlagen (vgl. z. B. USA-Patentschrift Nr. 3 694 197), die die Eigenschaften elektrischer Kontaktmaterialien verbessern, z.B. deren Lichtbogenerosionsrate vermindern.
Aufgabe der Erfindung ist es, als elektrische Kontaktmaterialien verwendbare Legierungen auf Silber-Cadmiumoxyd-Basis anzugeben, die sich auszeichnen durch eine verminderte Lichtbogenerosionsrate ohne wesentliche Erniedrigung der elektrischen Leitfähigkeit, durch eine erhöhte Geschwindigkeit der inneren Oxydation des Cadmiums unter Verkürzung der Aufarbeitungszeiten, durch eine feinere MikroStruktur und durch eine Verhinderung der eine Versprödung der Silbermatrix verursachenden Oxydausfällung längs der Korngrenzen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die angegebene Aufgabe dadurch lösbar ist, daß der Legierung Zusatzstoffe genau definierten Typs einverleibt werden·
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— ρ —
Die erfindungsgemäße Legierung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Verunreinigungen 1 bis 30 Gew.-$ Cadmium, 0,001 bis 5 Gew.-% mindestens eines die Lichtbogenerosionsrate vermindernden Zusatzstoffs, Rest Silber enthält.
Bei dem die Lichtbogenerosionsrate vermindernden Zusatzstoffen handelt es sich z. B. um Niob, Mangan, Molybdän, Eisen oder Mickel. Die Zusatzstoffe können für sich allein oder in Kombination miteinander angewandt werden. Zinn kann ebenfalls einverleibt werden in einer Menge von^ 0,001 bis 5 % zusammen mit einem oder mehreren der angegebenen Zusatzstoffe. Oftmals genügt zur Erzielung verbesserter Eigenschaften die Zugabe nur eines einzigen Zusatzstoffes, doch erweist sich für bestimmte Verwendungszwecke die Zugabe von zwei oder mehreren Zusatzstoffen oftmals als zweckmäßig.
Die Erfindung wird durch die beigefügte Zeichnung näher ver- · anschaulicht, in der darstellen:
Figur 1: eine Ansicht der MikroStruktur eines Standard-Silber-9 ^-Cadmiumoxydmaterials ohne Gehalt an Zusatzstoffen bei 54-5-facher Vergrößerung,
70-
Figur 2: eine Ansicht der Mikrοstruktur eines SiIber-9 %-Cadmiumoxydmaterials mit einem Gehalt an 0,05 Gew.-% Uiob bei 54-5-facher Vergrößerung,
Figur 3· eine Ansicht der Makrostruktur eines Silber-9 %-Cadmiumoxydmaterials mit einem Gehalt an 0,30 Gew.-% Mangan bei 54-5-facher Vergrößerung,
Figur 4: eine Ansicht der Mikrostruktur eines Silber-9 %-Cadmiumoxydmaterials mit einem Gehalt an 0,1 Gew.-% Eisen bei 54-5-facher Vergrößerung,
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Figur 5ί eine Ansicht der Mikr ο struktur eines Silber-9 %-Cadmiumoxydmaterials mit einem Gehalt an 0,2 Gew.-% Nickel bei 54-5-facher Vergrößerung und
Figur 6: eine Ansicht der Hikrοstruktur eines Silber-9 %-Cadmiumoxydmaterials mit einem Gehalt an 0,1 Gew.-% Zinn bei 54-5-facher Vergrößerung.
Der Cadmiumgehalt der erfindungsgemäßen Legierungen kann zwischen etwa 1 und 50 Gew.-% variieren und der Einfluß steigender Mengen an Cadmium ergibt sich aus der folgenden Tabelle I.
Vorzugsweise liegt Cadmium in Mengen von bis zu 25 Gew.~%, in besonders vorteilhafter Weise in Mengen von bis zu 15 Gew.-% vor.
Tabelle I
Einfluß von Cd auf die Eigenschaften von Silber
elektr. Leit-
fähigkeit elektrische Leitfähigkeit %IACS * % bez. auf Ag
100
69 60 50
♦ International Annealed Copper Standard
Von den erfindungsgemäß verwendbaren Zusatzstoffen erweist sich Niob als besonders wirksam. Wird Niob für sich allein verwendet, so sollte es vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis etwa 0,5 Gew.-%, in besonders vorteilhafter Weise von 0,01 bis 0,3 Gew.-%, einverleibt werden. Cadmium liegt vorzugsweise in
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Material Gew .#3d0 Vol.? iCdO fähigkeit
Gew.% Ag 0 0 %IACS *
100 10 12, 6 108
90 15 18, 6 75
85 Ag 20 25 65
80 Gew.% 55
einer Konzentration von nicht mehr als etwa 20 °/o, vor. Die Lichtbogenerosionsrate derartiger niobhaltiger Legierungen liegt unter 1,5 mg/kc (mg pro Kilozykel) Betrieb -und "beträgt oftmals nur 1,02 mg/kc oder noch weniger, wohingegen etwa 1,7 mg/lcc für ein entsprechendes Material ohne Niobzusatz gefunden werden.
Ein besonders interessanter Vorteil des niobZusatzes liegt darin begründet, daß Mob die Geschwindigkeit der inneren Oxydation der aus Silber und Cadmium aufgebauten Grundlegierung etwas erhöht. Bei Zusatz von Niob kann daher zur inneren Oxydation entweder eine niedrigere Temperatur und/oder eine geringere Zeitspanne bei gleicher Temperatur verwendet werden.
Ein weiterer erfindungsgemäß verwendbarer Zusatzstoff ist Mangan. Hangan wird vorzugsweise in einer Menge von 0,05 bis 3 %, in besonders vorteilhafter Weise von- 0,1 bis 2 %, angewandt. Cadmium liegt vorzugsweise in einer Konzentration von nicht mehr als etwa 25 % vor. Mangan neigt zur Bildung abgetrennter Korngrenzen, was die Verarbeitbarkeit des Materials verbessern kann wie in Figur 3 gezeigt. Mangan erhöht offensichtlich die Geschwindigkeit der inneren Oxydation.
Ein weiterer erfindungsgemäß verwendbarer Zusatzstoff ist Eisen. Eisen wird vorzugsweise in einer Menge von 0,001 bis 1,0 %, in besonders vorteilhafter Weise von 0,01 bis 0,5 % verwendet. Cadmium liegt vorzugsweise in einer Konzentration von nicht mehr als 25 % vor. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist die Teilchengröße feiner als im zusatzstofffreien Silber-Cadmiumoxyd-Material. Die Lichtbogenerosionsrate liegt in der Regel unter 1,50 mg/kc, oftmals unter 1,10 mg/kc. Eisen erhöht offensichtlich etwas die Geschwindigkeit der inneren Oxydation. -
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Zusatzstoff ist Nickel. Nickel wird vorzugsweise in einer Menge von 0,005 bis 2 %, in besonders vorteilhafter Weise von 0,1 bis 1 %, angewandt. Cadmium liegt vorzugsweise in einer Konzentration von nicht mehr als 25 % vor. Nickel scheint die Geschwindigkeit der inneren Oxydation leicht zu erhöhen. Die Lichtbogenerosionsrate nickelhaltiger Legierungen beträgt in der Regel weniger als 1,31 mg/kc. Die Mikrοstruktur derartiger Legierungen ist aus Figur 5 ersichtlich.
Wie bereits erwähnt, sind auch Zusatzstoffkombinationen verwendbar. Gewünschtenfalls können zwei oder mehrere Zusatzstoffe verwendet werden, um die angestrebten Eigenschaften zu erhalten. Andererseits sind oftmals zwei Zusatzstoffe ausreichend zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften. !Typische geeignete derartige Kombinationen sind z. B. Nickel und Eisen sowie Mangan und Eisen. Ein erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise verwendbarer, besonders wirksamer zusätzlicher Zusatzstoff ist Zinn. Zinn wird vorzugsweise in Mengen von etwa 0,05 bis 3 %, in besonders vorteilhafter Weise von etwa 0,12 bis 2 % verwendet. Bei Zusatz von Zinn sollte die Oadmiumkonzentration vorzugsweise nicht über etwa 25 Gew.-% liegen. Ferner kann Cadmium teilweise durch Zinn ersetzt sein bis zu einer Menge von etwa 5 % Zinn. Die Zugabe von Zinn führt dazu, daß Cadmium in dorn- oder spikeähnlicher Form ausfällt wie aus Figur 6 ersichtlich. Bei Zugabe von Zinn beträgt die Lichtbogenerosionsrate in der Regel unter 1,4 mg/kc, oftmals nur 1,36 mg/kc oder weniger. Bei Zugabe von Zinn, unter etwa 0,5 % ist eine gewisse Tendenz zur Erhöhung der Geschwindigkeit der inneren Oxydation erkennbar.
Niob, das die Erosions- oder Abnutzungsrate etwas vermindert, führt zu einer Erhöhung der Oxydationsrate. Mangan, das hohe Oxydationsraten und eine Verfeinerung der Teilchen bewirkt, stellt einen sinnvollen Partner für Nickel-oder Eisen dar, weiche die Lichtbogenerosionsrate in vorteilhafter Weise ver-
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mindern, andererseits jedoch einen nur geringen Effekt .auf die Oxydationsrate oder Teilchengröße der Cadmiumpartikel ausüben. Kombinationen von Zusatzstoffen können auch auf der Basis mechanischer Eigenschaften, z. B. Festigkeit und/oder Duktilität, zusätzlich zu den Kriterien Verminderung der Lichtbogenerosionsrate und Erhöhung der Oxydationsrate, zusammengestellt werden.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern. Beispiel 1
Silber und 9 % Cadmium sowie 0,05 % Mob als Zusatzstoff wurden aufgeschmolzen und zu einem Block vergossen. Der Block wurde sodann zu einer Bramme von etwa 3»2 mm (1/8 Zoll) Dicke verwalzt. Prägestücke mit der Konfiguration eines elektrischen Kontaktes wurden aus der Bramme ausgestanzt in Form eines rechten kreisförmigen Zylinders von etwa ^i^ mm. (3/8 Zoll) Durchmesser und etwa 3,2 mm (1/8 Zoll) Höhe.
Diese Prägestücke wurden bei 8000C 96 Stunden lang in Luft oxydiert.
Die Mikrostruktur eines derartigen oxydierten Prägestücks ist in Figur 2 gezeigt.
Das erhaltene, 0,05 Gew.-# Hiob als Zusatzstoff enthaltende Material wurde unter folgenden Bedingungen getestet: 215 Volt, 150 Amp., Wechselstrom, Leistungsfaktor 45 bis 55 %% unter einem Arbeitszyklus von 1/7 Sekunden ein- und 6/7 Sekunden ausgeschaltet, wobei sich zeigte, daß die Lichtbogenerosionsrate (Gewichtsverlust) 1,0.2 mg/kc (mg pro Kilozykel Betriebsbedingung) betrug, wohingegen die Lichtbogenerosionsrate des unter den gleichen Bedingungen getesteten, zusatzstofffreien Ag-CdO-Materials 1,65 mg/kc betrug.
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Die Gehäusedicke des aus der Ag-9 Od-O,05 Mb-Legierung hergestellten Kontaktes betrug nach 96 Stunden Oxydation bei 8000C 1,23 π™» wohingegen die Gehäusedicke der zusatzstofffreien Ag-9 Cd-Legierung unter diesen Bedingungen nur 1,14 mm betrug.
Auf einer Volumprozentbasis für Ag-CdO-IOrmkörper ist eine Leistungsbegrenzung aufgrund abnehmender elektrischer Leitfähigkeit zu erwarten und aus der unten angegebenen Tabelle II ersichtlich, die auch noch weitere Testergebnisse wiedergibt.
Beispiel 2
Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt jedoch mit der Ausnahme, daß anstelle von 0,05 % Niob 0,03 % Mangan verwendet wurden.
Die Erosionsrate von Kontakten, die aus einer oxydierten Ag-9Cd-Legierung mit einem Gehalt an 0,1 % Mn hergestellt worden waren, betrug 1,09 mg/kc. Mangan als Zusatzstoff für die angegebene Legierung tendiert außerdem zur Bildung abgetrennter Korngrenzen, was die Verarbeitbarkeit des Materials erhöhen und außerdem die Partikelgröße stark vermindern kann wie aus Figur 3 ersichtlich. Weitere Testergebnisse sind aus der folgenden Tabelle II ersichtlich.
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- 8 Tabelle II
Einfluß von Zusatzstoffen auf das Ag-CdO-Material
Bei
spiel
Nr.		 Legie
rungs-
zusatz
%		 Senatzg. der
relativen
durchschnitt
lichen CdO-
Partikelgröße		 Erosions-
reate
mg/kc		 Gehause
tiefe
mm nach
96 Std.
bei 800 0C		 Elektr.
Leit
fähig
keit
% IACS
keiner 1,00 1,65 1,14 15
1 Mb 0,05 1,00 1,02 1,23 80
2 Mn 0,3 0,20" .1,37 1,36 \ 74
Beispiel 3
Silber und 9 % Cadmium sowie Eisen als Zusatzstoff in den in der unten angegebenene !Tabelle III angegebenen Mengen wurden aufgeschmolzen und in Blockform vergossen. Der Block wurde sodann zu einer Bramme von etwa 3,2 mm (1/8 Zoll) Dicke verwalzt. Prägestücke mit der Konfiguration des elektrischen Kontaktes gleichen Formats wie in- Beispiel 1 beschrieben wurden aus der Bramme ausgestanzt.
Diese Prägestücke wurden bei;800°C 96 Stunden lang in Luft oxydiert. Die MikroStruktur eines derartigen oxydierten Prägestücks läßt (wie in Fig. 4 gezeigt) eine etwas feinere Teilchengröße als diejenige des zusatzstofffreien Ag-GdO-Materials (vgl. Figur 1) erkennen. Die Testung des 0,1 % Eisen als Zusatzstoff enthaltenden Materials unter den Bedingungen 215 V, 150 A, Wechselstrom, mit einem Leistungsfaktor von 45 bis 55 % und dem in Beispiel 1 angegebenen Arbeitszyklus ergab eine Lichtbogenerosionsrate'(Gewichtsverlust) von. etwa 1,10 mg/kc Betrieb, wegegen die Lichtbogenerosionsrate des unter den gleichen Bedingungen getesteten zusatzstoff-
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freien Ag-CdO-Materials 1,65 mg/kc betrug. Weitere Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III aufgeführt.
Tabelle III
Einfluß von Zusatzstoffen auf das Ag-CdO-Material
Schätzg. der Gehäuserelativen tiefe durchschnitt- Erosions- mm nach fähig-Bsp. Legierungs- liehen CdO- rate 96 Std. keit Hr. zusätze (#) Partikelgröße mg/kc bei 8000C IACS%
keiner 0 ,1 1 ,0 1 ,65 1 ,131 75
3 (a) Fe O ,2 0 ,5 1 ,10 1 ,22 83
(b) Fe 0 ,8 1 ,21 1 ,31 83
Beispiel 4·
Silber und 9 % Cadmium sowie die in der unten angegebenen Tabelle IY aufgeführten Mengen an Nickel als Zusatzstoff wurden aufgeschmolzen und in eine Blockform vergossen. Der Block wurde sodann in eine Bramme von etwa 3,2 mm (1/8 Zoll) Dicke verwalzt. Prägestücke mit der Konfiguration des elektrischen Kontakts wurden in gleicher Ausgestaltung wie in Beispiel 1 beschrieben aus der Bramme ausgestanzt.
Die erhaltenen Präge stücke wurden bei 8000C 96 Stunden lang in Luft oxydiert.
Die Mikr ο struktur der oxydierten Prägestücke ließen (wie aus Figur 6 ersichtlich) eine etwas feinere Partikelgröße als diejenige des zusatzstofffreien Ag-GdO-4Iaterials (vgl. Figur 1) erkennen.
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Das Material mit einem Gehalt an 0,1 % Zusatzstoff wurde unter den Bedingungen 215 V, I50 A, Wechselstrom, mit einem Leistungsfaktor von 45 bis 55 % unter dem in Beispiel 1 angegebenen Arbeitszyklus getestet, wobei sich eine Lichtbogenerosionsrate (Gewichtsverlust) von 0,77 mg/kc Betriebsablauf ergab. Demgegenüber betrug die Lichtbogenerosionsrate des unter den gleichen Bedingungen getesteten zusatzstoffreien Ag.-CdO-Materials 1,65 mg/kc, wie aus Tabelle IV ersichtlich. In der folgenden Tabelle IV sind auch noch weitere Testergebnisse aufgeführt.
Tabelle IV
elektr.
Legierungs- Gew.-Verlust Leitfähig- Härte Gehäusezusammensetzung mg/kc keit %IACS RF tiefe mm
Ag-9Cd-O,15 Ni 1,51 · 84 40 1,55
0,1 Ni 0,77 84 25 1,22
0,2 Ni 0,95 85 27 1,22
Standard-Ag-9Cd 1,65 75,0 45 1,15
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Claims (29)

Ρ a t e n t ansprüehe
1. Legierung auf Silber-Gadmium-Basis mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß sie neben Verunreinigungen 1 bis 50 Gew.-% Cadmium, 0,001 bis 5 Gew.-% mindestens eines die Lichtbogenerosionsrate vermindernden Zusatzstoffs, Rest Silber enthält.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff aus Niob, Molybdän, Mangan, Eisen oder Nickel besteht.
3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,001 bis 5 Gew.-% Zinn enthält.
4·. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,001 bis 1 Gew.-% Niob enthält.
5- Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 0,3 Gew.-% Niob enthält.
6. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,001 bis 1 Gew.-% Mangan enthält.
7. Legierung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 1 Gew.-% Mangan enthält.
8. Legierung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 0,5 Gew.-% Mangan enthält.
9. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,05 bis 5 Gew.-% Eisen enthält.
10. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,001 bis 1,0 Gew.~% Eisen enthält.
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11. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,1 bis 2 Gew.-% Eisen enthält.
12. legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,05 bis 5 Gew.-% Nickel enthält.
13· Legierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,001 "bis 1,0 Gew.-% Nickel enthält.
14. Legierung nach Anspruch 1J, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 1 Gew.-% Nickel enthält.
15· Legierung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 0,3 Gew.-% Uiekel enthält.
16. Legierung nach Ansprüchen 1 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß sie nicht mehr als 25 Gew.-% Cadmium enthält.
17· Legierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie nicht mehr als 15 Gew.-% Cadmium enthält.
18. Elektrischer Eontakt aus einer Legierung nach Ansprüchen 1 bis 17-
19· Elektrischer-Eontakt nach Anspruch 18 unter RückbeZiehung auf Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Lichtbogenerosionsrate von nicht über 1,3 mg/kc unter einem Arbeitszyklus von 6/7 Sekunden aus- und 1/7-Sek. eingeschaltet unter 215 V, 150 A, Wechselstrom, Leistungsfaktor 45 bis ^ %.
20. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 18 unter Kückbeziehung auf Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Lichtbogenerosionsrate von nicht über 1,3 mg/kc unter einem Arbeitszyklus von 6/7 Sek. aus- und 1/7 Sek. eingeschaltet unter 215 V, 150 A, Wechselstrom, Leistungsfaktor 45 bis 55 %.
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-43 -
21. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 18, -unter Rückbeziehung auf Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Lichtbogenerosionsrate von nicht über 1,5 mg/kc unter- einem Arbeitszyklus von 6/7 Sek. aus- und 1/7 Sek. eingeschaltet unter 215 V, 150 A, Wechselstrom, Leistungsfaktor 45 bis 55 %·
22. Elektrischer Kontakt nach Anspruch 18 unter Rückbeziehung auf Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Lichtbogenerosionsrate von nicht über 1,5 mg/kc unter einem Arbeitszyklus von 6/7 Sek. aus* und 1/7 Sek. eingeschaltet unter 215 V, 150 A, Wechselstrom, Leistungsfaktor 45 bis 55 %·
23. Verfahren zur Verminderung der Oxydationszeit von Silber-Cadmium-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß man der Legierung mindestens einen aus Niob, Molybdän, Mangan, Eisen oder Nickel bestehenden Zusatzstoff in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-% einverleibt.
24. Verfahren, nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß man der Legierung außerdem 0,001 bis 5 Gew.-% Zinn einverleibt.
25· Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß man. Niob in einer Menge von 0,01 bis 1 Gew.-% einverleibt.
26. Verfahren nach Anspruch 23 > dadurch gekennzeichnet, daß man Mangan in einer Menge von 0,01 bis 1 Gew.-% einverleibt.
27. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß man Eisen in einer Menge von 0,001 bis 1,0 Gew.-% einverleibt.
28. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß man Nickel in einer Menge von 0,001 bis 1,0 Gew.-% einverleibt.
29. Verwendung einer Legierung nach Ansprüchen 1 bis 17 zur Herstellung elektrischer Kontakte.
309832/1012
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