DE2360458B1 - Schaltkontakt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltkontakt für ein Schutzgasrelais. Er weist einen Kontaktträger aus einem Nickel und/oder Eisen enthaltenden Werkstoff, insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff wie einer Eisen-Nickel-Legierung auf. Die Kontaktschicht besteht aus Molybdän, Wolfram oder Rhenium mit darin eingelagertem Edelmetall.

Molybdän, Wolfram und Rhenium snd für Schaltvorgänge, bei denen Lichtbogen auftreten, geschätzte Kontaktwerkstoffe, weil sie hohe Verdampfungswärme mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit und geringer Schweißneigung verbinden. Es handelt sich hierbei jedoch um polykristalline Werkstoffe, bei denen die interkristalline Bindung sehr viel weniger ist als die intrakristalline Bindung, und deren Härte infolge Bearbeitung zunimmt.

Schaltvorgänge stellen häufige, sich widerholende Schlag- und Reibbewegungen des Schaltkontaktes dar. Durch sie wird ein allmähliches Zerbröckeln des Kontaktwerkstoffes an der Oberfläche der Kontaktschicht zu mehr oder weniger feinem Pulver verursacht. Es bilden sich Spitzen und Löcher aus, und Pulverteilchen haufen sich zwischen den Kontaktflächen an. Das führt zu verlängerten Lichtbogenbrenndauern und erhöhtem Kontaktwiderstand während des Schaltvorganges und letztlich zu vorzeitiger Zerstörung des Schaltkontaktes. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 18 02 932 ist ein elektrischer Schaltkontakt bekannt. Hierbei ist auf

ίο einen Kontaktträger aus einer Eisen-Nickel-Legierung unter Vakuum eine Kontaktschicht unter anderem aus Molybdän, Wolfram oder Rhenium durch Hochfrequenz-Plasma-Zerstäubung dieser Metalle niedergeschlagen. Auf die Kontaktschicht ist dann noch eine zusätzliche, bei Kontaktgabe nicht klebende und nicht verschweißende Schicht aus einem Edelmetall aus der Gruppe Gold, Silber, einem Metall der Platingruppe oder aus einer Edelmetallbasis-Legierung eines Metalls dieser Gruppe — das ist eine Legierung, deren Hauptbestandteil ein Edelmetall dieser Gruppe ist — aufgetragen, um die Reibung und damit verbundene Erosion herabzusetzten. Diese Maßnahme hat aber, wie sich gezeigt hat, nur einen relativ kurzzeitigen Erfolg, weil die . zusätzliche Schicht aus Edelmetall bzw. einer Edelmetallbasis-Legierung nur sehr dünn ist und damit bald ab- bzw. durchgerieben ist.

Bekannt sind aus der deutschen Patentschrift 6 81 403 elektrische Kontaktwerkstoffe, bei denen feinkristallines Pulver aus Molybdän oder Wolfram mit Gold, Silber oder Platin vergossen ist. Hierbei kommt es auf die bloße mechanische Einlagerung des harten Metalls in das weiche bzw. die Verbindung des harten Metalls durch das weiche nach Art eines Bindemittels an. Die feinkristallinen Molybdän- oder Wolframpulverteilchen sind vollständig mit weichem Metall umhüllt. Diese Kontaktwerkstoffe besitzen zwar einen niedrigen Kontaktwiderstand, jedoch kann damit die Lichtbogenbrenndauer, das Kleben und Verschweißen nicht wirksam verhindert werden.

Aus der deutschen Patentschrift 9 07 205 sind aus Wolfram- und Platinpulver gesinterte Kontaktwerkstoffe bekannt. Bei ihnen wird die Kontaktschichtoberfläche durch die häufigen Schlag- und Reibbeanspruchungen während der Schaltvorgänge pulverisiert.

Außerdem besitzen solche gesinterten Kontaktwerkstoffe ein nicht unbeachtliches Porenvolumen und enthalten infolgedessen eine Menge eingeschlossener Gase, die die Zerstäubung des Kontaktwerkstoffes durch Lichtbogen begünstigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schaltkontakt der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß ein Pulverisieren der Oberfläche der Kontaktschicht durch Schlag- und Reibbeanspruchungen auch für lange Dauer wirksam vermieden wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Kontaktschicht aus Kristallsäulen aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, einer Wolfram-Rhenium- oder Molybdän-Rhenium-Legierung besteht, die nebeneinander liegen und sich im wesentlichen in senkrechter Richtung zu der der Kontaktschicht zugekehrten Kontaktträgeroberfläche erstrecken, und längs der Kristallsäulen von der Kontaktfläche her ein Edelmetall oder eine Edelmetallbasis-Legierung eindiffundiert ist. Schaltkontakte, bei denen das Edelmetall oder die Edelmetallbasis-Legierung mindestens bis zur Hälfte, vorzugsweise mehr als dreiviertel der Dicke der Kontaktschicht durchsetzen, haben sich als vorteilhaft er-

wiesen.

Die erfindungsgemäße Kontaktschicht des elektrischen Schaltkontaktes weist ein fadenförmiges Gefüge auf, das aus nebeneinanderliegenden Kristallsäulen aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Wolfram-Rhenium- oder Molybdän-Rhenium-Legierungen besteht und bei dem feine Fäden aus Edelmetall oder einer Edelmetallbasis-Legierung längs der Korngrenzen, also längs der Kristallsäulen verlaufen. Die Löslichkeit des Edelmetalls bzw. der Edelmetallbasis-Legierung in Molybdän, Wolfram oder Rhenium ist sehr gering, so daß die Kristallsäulen durch das Edelmetall im wesentlichen ungestört bleiben. Es tritt keine Legierungsbildung zwischen dem Edelmetall bzw. der Edelmetallbasis-Legierung und dem Molybdän, Wolfram oder Rhenium ein.

Durch die erfindungsgemäße Kontaktschicht ist sichergestellt, daß einerseits an der Kontaktfläche stets die vorteilhaften Eigenschaften von Molybdän, Wolfram und Rhenium, nämlich hohe Verdampfungswärme und geringe Schweißneigung, erhalten bleiben und andererseits während der gesamten Lebensdauer des Schaltkontaktes an dessen Kontaktfläche immer eine genügende Menge, aber nicht im Überschuß, an Edelmetall oder einer Edelmetallbasis-Legierung vorliegt, um als Schmiermittel die Reibung und die damit verbundene Erosion herabzusetzen. So ist eine lange Lebensdauer des Schaltkontaktes bei gleichbleibend niedrigem elektrischen Widerstand gewährleistet. Außerdem ist sichergestellt, daß der Edelmetallverbrauch gering und damit der Schaltkontakt kostensprarend herstellbar ist.

Kontaktschichten, bei denen die Kristallsäulen aus einer Wolfram-Rhenium- oder einer Molybdän-Rheniun:-Legierung bestehen, haben sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen. Dabei haben sich Legierungen bewährt, die zwischen 10 und 50 Gewichtsprozent Rhenium, Rest Wolfram, oder zwischen 5 und 50 Gewichtsprozent Rhenium, Rest Molybdän, enthalten.

Als Edelmetalle haben sich vor allem Gold, Silber oder ein Metall der Platingruppe oder Basislegierungen der genannten Metalle bewährt.

Um eine Diffusion von Nickel und/oder Eisen aus dem Kontaktträger in die Kontaktschicht zu verhindern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zwischen beiden eine diese Diffusion hemmende Sperrschicht anzuordnen.

In der Figur ist im Vertikalschnitt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltkontaktes dargestellt.

Über einem vorgegebenen Oberflächenbereich des Kontaktträgers 1 ist eine Kontaktschicht 2 angeordnet. Zwischen beiden ist die Sperrschicht 3 vorgesehen, die eine Diffusion von Nickel und/oder Eisen aus dem Kontaktträger in die Kontaktschicht wirksam verhindert. Die Kontaktschicht 2 besteht aus nebeneinanderliegenden Kristallsäulen 4 aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, einer Wolfram-Rhenium- oder Molybdän-Rhenium-Legierung. Sie wird in der Weise hergestellt, daß die genannten Werkstoffe unter vermindertem Druck durch Kondensation aus der Gasphase auf der Sperrschicht niedergeschlagen werden. Entlang den Kristallsäulen ist ein Edelmetall 5 oder eine Edelmetallbasis-Legierung eindiffundiert. Dazu wird die aus den Kristallsäulen bestehende Kontaktschicht eine Schicht aus Edelmetall oder einer Edelmetallbasis-Legierung aufgebracht und der Schaltkontakt bei einer Temperatur von mehr als 850° C so lange gehalten, bis das Edelmetall eindiffundiert ist. Es verbleibt dann nur noch eine sehr dünne Restschicht 6 aus Edelmetall. Von einer 2 μπι dicken Goldschicht, die auf eine 10 μπι dicke, aus Molybdän-Kristallsäulen bestehende Kontaktschicht aufgebracht wurde, ist nach einer Zeit von 30 Minuten bei Aufrechterhaltung einer Temperatur von 1000° C Gold etwa 8 μπι tief in die Kontaktschicht eindiffundiert. Von einer zum Vergleich auf ein gewalztes Molybdän-Blech aufgebrachten, 2 μηι dicken Goldschicht diffundierte unter gleichen Bedingungen Gold kaum merklich in das Molybdän-Blech hinein. Hierdurch wird deutlich, daß die Säulenstruktur der Kontaktschicht wesentlich mit zu ihrer erfindungsgemäßen Ausbildung beiträgt; denn nur dadurch ist die beanspruchte Verteilung des Edelmetalls oder der Edelmetallbasis-Legierung in der Kontaktschicht gewährleistet.

Es hat sich besonders bewährt, eine Sperrschicht aus Molybdän auf den Kontaktträger durch Walzplattieren aufzubringen. Dies hat den Vorteil, daß auf Grund der Textur der walzplattierten Sperrschicht parallel zur Kontaktträgeroberfläche die Diffusion von Edelmetall oder der Edelmetallbasis-Legierung in den Kontaktträger wirksam verhindert wird. Ebenso werden Diffusionen von Kontaktträger-Werkstoff in die Kontaktschicht hierdurch vermieden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schaltkontakt für ein Schutzgasrelais, der einen Kontaktträger aus einem Nickel und/oder Eisen enthaltenden Werkstoff, insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff wie einer Eisen-Nickel-Legierung und einer Kontaktschicht aus Molybdän, Wolfram oder Rhenium mit darin eingelagertem Edelmetall, aufweist, d a durch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (2) aus Kristallsäulen (4) aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, einer Wolfram-Rhenium- oder Molybdän-Rhenium-Legierung besteht, die nebeneinander liegen und sich im wesentlichen in senkrechter Richtung zu der der Kontaktschicht (2) zugekehrten Kontaktträgeroberfläche (t) erstrecken, und längs der Kristallsäulen (4) von der Kontaktfläche her ein Edelmetall (5) oder eine Edelmetallbasis-Legierung eindiffundiert sind.

2. Schaltkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall (5) oder die Edelmetallbasis-Legierung mindestens bis zur Hälfte, vorzugsweise mehr als dreiviertel der Dicke der Kontaktschicht (2) durchsetzen.

3. Schaltkontakt nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Säulen der Kontaktschicht (2) aus einer Wolfram-Legierung bestehen, die zwischen 10 und 50% Rhenium Rest Wolfram enthält.

4. Schaltkontakt nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Säulen der Kontaktschicht (2) aus einer Molybdän-Legierung bestehen, die zwischen 5 und 30% Rhenium Rest Molybdän enthält.

5. Schaltkontakt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kontaktträger (1) und der Kontaktschicht (2) eine die Diffusion von Nickel und/oder Eisen in die Kontaktschicht (2) hemmende Sperrschicht (3) angeordnet ist.

6. Schaltkontakt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (3) aus einer auf den Kontaktträger (1) walzplattierten Molybdän-Schicht besteht.