DE2351226A1 - Metallischer werkstoff mit eingelagerten zusaetzen sowie herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Metallischer werkstoff mit eingelagerten zusaetzen sowie herstellungsverfahren hierzu

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DE2351226A1 DE19732351226 DE2351226A DE2351226A1 DE 2351226 A1 DE2351226 A1 DE 2351226A1 DE 19732351226 DE19732351226 DE 19732351226 DE 2351226 A DE2351226 A DE 2351226A DE 2351226 A1 DE2351226 A1 DE 2351226A1
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Description

Dr. -Ing. Herbert Moser
Patentanwalt 75Karlsruhe,Nowackan!age1S
A 670
Anmelder: G-. Haur Pforzheim
Metallischer Werkstoff mit eingelagerten Zusätzen sowie Herstellungsverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft einen metallischen Werkstoff mit eingelagerten, vorzugsweise nicht-metallischen Zusätzen, insbesondere einen Kontaktwerkstoff für elektrische Kontakte. Außerdem werden vorteilhafte Verfahren zur Herstellung eines solchen angegeben.
Als Werkstoff für elektrische Schaltkontakte wird vorwiegend Silber und dessen Legierungen verwendet, weil diese Kontaktwerkstoffe neben einer sehr hohen, elektrischen Leitfähigkeit eine hinreichende Oxidationsbeständige keit und günstige Eigenschaften hinsichtlich des Übergangswiderstandes aufweisen. Bei hochbelasteten Schaltkontakten, bei denen im Schaltvorgang Lichtbogen auftreten, zeigen diese vorbekannten Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis eine unerwünschte Schweißneigung, ein Verkleben der Kontakt-
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-z-
flächen "bzw. eine Materialwanderung zwischen den Kontaktstücken und eine ungünstig hohe Abbrandrate.
Zur Überwindung dieser lachteile sind die Kontaktwerkstoffe durch Zusätze zum Silber bzw. Silberlegierungsgrundmaterial verbessert worden. Bekannte Zusatzstoffe sind dabei Metalloxide, wie Cadmiumoxid, Zinnoxid, i-iagnesiumoxid, Zinkoxid, Bleioxid usw., welche in" feinverteilter Form in das Grundmaterial eingelagert werden. Derartige Kontaktwerkstoffe besitzen geringeren Abbrand, geringere Schweißkraft beim Schalten und einen relativ niedrigen Kontaktwiderstand. Das Einbringen der Oxide in die Silbergrundmasse erfolgt dabei im wesentlichen nach zwei bekannten Verfahren:
Beim pulvermetallurgischen Verfahren wird eine Mischung aus Silberpulver und Hetalloxidpulver gepreLt und anschließend gesintert.
Bei dem Verfahren der inneren Oxidation wird eine Legierung des Silbers mit einem unedleren Metall, wie z.3o Cadmium, Zink oder Zinn, in oxidierender Atmosphäre geglüht. Der Sauerstoff diffundiert dabei in das Innere der Legierung und reagiert mit dem unedleren Legierungsbestandteil unter Bildung von feindispers verteiltem Oxid.
Bei der pulvermetallurgischen Herstellung des Kontaktmaterials kann sich eine ungleichmäßige Mischung der pulverförmigen Bestandteile ergeben« Es können ferner beim Preß- und Sintervorgang Entmischungen stattfinden, welche
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KonzentrationsSchwankungen bedingen. Die pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffe bieten außerdem gewisse Schwierigkeiten bei der spanlosen Verformung, weil sie, insbesondere bei hohem Anteil der Nichtmetall-Komponenten, nur eine geringe Duktilität aufweisen,- ·
Werden die Kontaktwerkstoffe nach dem Verfahren der inneren Oxidation hergestellt, so ist die Konzentration des I-Ietalloxids vorgegeben durch die Löslichkeit des Legierungsmetalls in Silber und durch das Auftreten der sogenannten äußeren Oxidation. Diese Erscheinung verhindert durch die bildung sauerstoffundurchlässiger, zusammenhängender Oxidöciiichten das weitere^ Eindringen des Sauerstoffs und damit die selektive Oxidation der unedleren Legierungsbestandteile ivi Inneren des Silbergrundmaterials. So ist es beispielsweise nicht möglich, Legierungen mit mehr als 2 Gew. 1» Zinn einer inneren Oxidation zu unterwerfen. Die Kinetik des Ab-1επίs der inneren Oxidation bedingt außerdem einen Korngrößen-.gradient des Oxids von der Oberfläche in das Innere des Werkstoffes. Dies hat zur Folge, daß die an sich geforderte Gleichmäßigkeit der Oxidkorngröße nicht eingehalten werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen metallischen Werkstoff mit eingelagerten, vorzujsweise nichtmetallischen Zusätzen, insbesondere einen Kontaktwerkstoff für elektrische Kontakte zu schaffen, bei den eine gewünschte Verteilung des Zusatzstoffes und gege- ^leicimiäßige Korngrößen erreicht werden können.
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Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß in das metallische Grundmaterial mindestens ein pulverförmiger Anteil in faserförmiger Verteilung eingelagert ist. Bei einem solchen Werkstoff lassen sich der Anteil der eingelagerten Zusätze und deren Verteilung nahezu beliebig festlegen, Ein derartiger metallischer Werkstoff eignet sich nicht nur als Kontaktwerkstoff, sondern erscheint auch als Elektrodenwerkstoff, bzw. zur mechanischen Verstärkung bestimmter metallischer Grundstoffe, bei der Herstellung von Bauelementen in der Reaktortechnik und von Supraleitern anwendbar. Metallische Werkstoffe mit eingelagerten Fasern gehören zum Stande der Technik, jedoch war es bisher offensichtlich unbekannt, anstelle kontinuierlicher, homogener Fasern Fasern aus Pulvermaterial in einen metallischen Werkstoff einzulagern.
In das metallische Grundmaterial können vorteilhaft faserförmig Oxide, wie GdO, SnO2, ZnO, Al2O5, HgO, CaO, ZrO2, PbO sowie Mischungen solcher Oxide, eingelagert v/erden. Sine weitere vorteilhafte Möglichkeit kann in der Einlagerung faserförmig verteilter, intermetallischer Verbindungen, wie IbTi, gegeben sein. Schließlich lassen sich in das metallische Grundmaterial auch zunächst pulverförmig vorliegende, hochschmelzende Metalle, wie Wolfram, Molybdän, in faserförmiger Verteilung einlagern. Weitere vorteilhafte, einlagerungsfähige Metallverbindungen sind Garbide, Nitrite, Boride u„ä., ferner Graphit, Glas und organische Pulver, Als Grundmaterial eignen sich für Kontaktwerkstoffe Silber und Kupfer, bzw. Legierungen, welche
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- 5 in ihrem überwiegenden Anteil aus diesen Stoffen bestehen·
Es kann ferner zweckmäßig sein, daß die faserförmig gestalteten Einlagerungen im Grundmaterial in einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung vorliegen. Eine vorteilhafte gleichmäßige Verteilung läßt sich gegebenenfalls dadurch erreichen, daß die Einlagerungen im Grundmaterial im wesentlichen parallel liegen. Die Dicke der einzelnen Ein- ~ lagerungen soll dabei vorteilhaft in der Größenordnung von /U liegen.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines solchen metallischen Werkstoffes kann in der Weise ausgeführt werden, daß Rohre aus Matrix-Material mit den einzulagernden pulverförmigen Zusätzen gefüllt und nach entsprechendem Verschluß derart spanlos verformt werden, daß ein Manteldraht mit eingelagerter Seele des Zusatzstoffes entsteht, und daß die Manteldrähte gebündelt und gemeinsam so weit spanlos verformt werden, daß das Kernmaterial in Adern von weniger als 10 /U Dicke vorliegt, während das Mantelmaterial der einzelnen Manteldrähte zu einer gleichmäßigen Matrix verbunden wird. Dabei lassen sich sowohl Manteldrähte mit gleichen Zusatzstoffen als auch solche mit ungleichen Zusatzstoffen oder mit unterschiedlichem Kernquerschnitt zusammenschließen* Die Pulvereinfüllung kann nach verschiedenen Verfahren, gegebenenfalls zweckmäßig unter Vakuum bzw» unter Einwirkung von Ultraschall, erfolgen. Weiterhin kann die Verwendung von Pulverpreßlingen zweckmäßig sein.
Es kann ferner zweckmäßig seins daß bei der spanlosen Ver-
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formung der Rohre zur Bildung der Hanteldrähte und/oder bei der spanlosen Verformung der gebildeten Manteldrähte zwischen die Verformungsvorgänge geeignete Zwischenglühungen vorgenommen werden.
Ein weiterer Vorteil kann gegebenenfalls dadurch erzielt werden, daß die Hanteldrähte' in einem iiohrkörper aus i.atrixmaterial gebündelt und mit diesem gemeinsam spanloa verformt werden. Ein solcher Rohrkörper läßt sich in verschiedenen eckigen, kreisringfö'rmigen oder elliptischen Querschnittsformen herstellen. Iiach Erreichen des -gewünschten FaserqUerschnitts kann der Iiohrkörper als ieil der Matrix beibehalten werden»
Für verschiedene Anwendungsfälle erscheint es jedoch zweckmäßig, den Rohrkörper nach dem Erreichen des gewünschten Faserquerschnitts durch chemische und/oder spanabhebende Verfahren bzw. durch elektrolytische Verfahren wieder zu entfernen. -Dabei kann gegebenenfalls ein leicht ablösbares Material für den Rohrkörper verwendet werden.
Eine wichtige Verbesserung kann u.U. dadurch erreicht v/erden, daß der fertige, durch spanlose Verformung hergestellte Formkörper, welcher die pulverförmigen Anteile in faserförmiger Verteilung enthält, anschließend einer solchen ',1Urmebehandlung unterzogen wird, bei der die einzelnen Pulverkorner dec Kernmaterials zu kontinuierlichen Fasern zusauime'nsintern.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung lassen sich somit metal-
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lisclie Werkstoffe mit eingelagerten, vorzugsweise nichtmetallischen Zusätzen - insbesondere Kontaktwerkstoffe für hochbelastbare elektrische Kontakte - herstellen welche günstige physikalische Eigenschaften mit Vorteilen des Herstellungsverfahrens verbinden«
Ausführungsbeispiel:- ' ■
In ein einseitig geschlossenes Feinsilberrohr von 13 mm Außendurchmesser und einer Wandstärke von 3 mm wurde Gadmiumoxidpulver mit Korngrößen unter lyu eingefüllt« Die Verdichtung des Pulvers erfolgte durch mechanisches Rütteln bei einer Frequenz von ca. 50 Hz und zusätzliches Nachpressen mittels eines Stößels, der in eine hydraulische Presse eingespannt war.
iiach dem Füllen wurde das noch offene Rohrende zugeschweißt. Das Rohr wurde nun durch Hämmern auf den Durchmesser von 8 mm spanlos verformt. Im Anschluß daran erfolgten verschiedene Ziehvorgänge mit einer Querschnittsminderung von jeweils 20 l/>. Die Zwischenglühungen wurden bei einer Temperatur von ca. 300 G vorgenommen. Bei einer Abmessung der Kanteldrähte von etwa Ü.3 mm Durchmesser wurden diese gebündelt-und in ein Silberrohr mit einem Außendurchmesser von etwa 21) mm bei einer Wandstärke von 0.5 mm eingelegte Dieser Formkörper wurde durch Ziehen so weit verformt, bis sich ein Durchmesser des eingebetteten, pulverförmigen Kernmaterials von ca«, 5 thai ergab,, Der Außendurchmesser des metallischen Verbundwerkstoffes betrug in diesem Stadium ca. 2" mm. Der G-ewichtsprozentsatz des eingelagerten Oadmiumoxids lag bei dem fertigen Verbundwerkstoff bei etwa 1ü Sew$.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigen:
Figur 1: einen Querschnitt durch einen Rohrkörper mit eingelagerten Manteldrähten,
Figur 2: einen Querschnitt durch den verformten Eohrkörper nach Fig. 1,
Figur 3: einen Querschnitt durch eineoKontaktniet mit eingelagerten Fasern.
In Figur 1 sind in einem Rohrkörper 1 aus Matrixmaterial 20 Metalldrähte 2 eingelagert, welche jeweils aus einem Pulverkern 3 und einem Mantel 4 aus dem gleichen Maxtrixmaterial bestehen.
Figur 2 läßt die Querschnittsform des verformten Verbundkörpers erkennen.
In der vergrößerten Schnittdarstellung nach Figur 3 ist ein Kontaktniet gezeigt, bei dem in eine Silbergrundmasse 5 faserförmig verteiltes Gadmiumoxid 6 in gleichmäßiger Verteilung eingelagert ist. Der Durchmesser des liietkopfes beträgt etwa 4 mm, der Schaftdruchmesser 2 mm. Der Kontaktniet, welcher zur Verwendung bei hochbelastbaren Schaltkontakten bestimmt ist, besitzt eine Höhe von 8 mm.
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Claims (1)

  1. - 9 -Ansprüche
    1. Metallischer Werkstoff mit eingelagerten, vorzugsweise nichtmetallischen Zusätzen, insbesondere Kontakt-. werkstoff für elektrische'Kontakte, dadurch gekennzeichnet, daß in das metallische Grundmaterial mindestens ein pulverförmiger Anteil in faserförmiger Verteilung eingelagert ist.
    2. Hetallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das metallische Grundmaterial faserförmig angeordnete Oxide eingela- · gert sind.
    3. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß in das metallische Grundmaterial faserförmig verteilte intermetallische Verbindungen eingelagert sind.
    4. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das metallische Grundmaterial hochschmelzende Metalle in faserförmiger Verteilung eingelagert sind.
    5. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß in das metallische
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    Grundmaterial Graphit in faserförmiger Verteilung eingelagert ist.
    6. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern im Grundmaterial in einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung vorliegen.
    7. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1 und 6, d adu.rch gekennzeichnet, daß die Fasern im Grundmaterial im wesentlichen parallel liegen.
    8. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet, daß die Dicke der Fasern in der Größenordnung von Ai liegt.
    9. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial wenigstens in seinem überwiegenden Anteil aus Feinsilber besteht.
    10. Metallischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial wenigstens in seinem überwiegenden Anteil aus Kupfer besteht.
    1-1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Rohre aus Hatrix-
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    material mit den einzulagernden Zusätzen in Pulverform gefüllt -und nach entsprechendem Verschluß derart spanlos verformt werden, daß ein Manteldraht mit eingelagerter Seele des Zusatzstoffes entsteht und daß die Hanteldrähte gebündelt und gemeinsam so weit spanlos verformt werden, daß das Kernmaterial in' Adern von weniger als 10/U Dicke vorliegt, während . das Hantelmaterial der einzelnen Hanteldrähte zu einer gleichmäßigen Matrix verbunden wird.
    Xi, Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei der spanlosen Verformung der Kohre zur Bildung der Manteldrähte und/ oder bei der spanlosen- Verformung der gebündelten Iianteldrähte zwischen die Verformungsvorgänge Zwischenglühungen eingeschaltet sind.
    13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hanteldrähte in einem iiohrkörper aus Matrixmaterial gebündelt und mit diesem gemeinsam spanlos verformt werden.
    14o Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkörper nach Errechung des gewünschten Faserquerschnitts abgelöst wird. ;
    15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der fertige durch span-
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    lose Verformung hergestellte Formkörper, welcher die pulverförmigen Anteile in faserförmiger Verteilung enthält, einer solchen Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der die einzelnen Pulverkörner des Kernmaterials zu kontinuierlichen Fasern zusammensintern.
    16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen Zusätze in vorgepreßter Form in die Rohre eingebracht werden.
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