DE2428146C3

DE2428146C3 - Silber-Metalloxid-Legierung für elektrische Kontakte

Info

Publication number: DE2428146C3
Application number: DE2428146A
Authority: DE
Inventors: Akira Yokohama Shibata (Japan)
Original assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 1974-02-12
Filing date: 1974-06-11
Publication date: 1980-04-30
Also published as: GB1434510A; FR2260629B1; DE2428146A1; DE2428146B2; FR2260629A1; US3933486A

Description

Die Erfindung betrifft eine Silber-Metalloxid-Legierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Kontaktmaterial ist aus der DE-OS 23 03 050 bekannt.

Bei der Herstellung eines Verbund-Kontaktmaterials durch innere Oxidation einer Ag-Legierung mit mehr als 5 Gewichtsprozent Sn, Zn oder Sb traten wesentliche Schwierigkeiten auf. Der Mechanismus der inneren Oxidation kann allgemein so dargestellt werden, daß die gelösten Metallelemente konzentriert um die Mittelpunkte oder Kerne der Oxidation diffundiert werden und fortwährend wie Oxidteilchen wachsen, so daß die Legierungsbasis im Verlauf des Wachstums der Oxidteilchen in reines Silber umgewandelt wird, um den ausreichenden Weg für die Sauerstoffdiffusion zu schaffen. Im Falle von Ag-Sn-, Ag-Sb- und Ag — Zn-Legierungen ist, wenn der geschmolzene Block dieser Legierungen zu einer Platte ausgerollt und einer Oxidation unterworfen wird, der Diffusionskoeffizient der gelösten Metalle in Richtung parallel zu der Plattenfläche größer als in der Richtung senkrecht hierzu, so daß die Diffusion der gelösten Metalle in einer Richtung senkrecht zu der Plattcnoberfläche verlangsamt wird. Unter diesen Bedingungen werden die Oxidschichten örtlich aneinander neben der Plattenfläche angehäuft, wobei schließlich das Fortschreiten der inneren Oxidation in einem frühen Stadium beendet wird.

Wenn beispielsweise ein Block einer Ag —Sn-Legierung geschmolzen und zwecks nachfolgender Oxidation zu einer Platte ausgerollt wird, erfolgt eine Reduzierung des Wachstums der ausgefällten oxidierten Teilchen nebst einer Zunahme im Gehalt von Sn in der Ag-Legierung, wobei die entstehenden kristallinen Teilchen in ihren Abmessungen vermindert werden. Daher wird der Weg der Sauerstoffdiffusion auf Null reduziert, so daß die oxidierten Schichten örtlich angehäuft werden und ein weiteres Fortschreilen der inneren Oxidation behindern. Diese bei der Diffusion der gelösten Metalle durch die Matrix des Ag-Basismatcrials beobachtete Anisotropie wird mit der t-rhöhung der t.cgierungsmetallkon/.cniration in dem Silberbasismaterial gesteigert. Aus diesem Ciriind erwies es sich als sehr schwierig, das Kontaktmaterial einer Ag-Legierung der obigen Art mit einem Gehalt von bis zu 13 bis 15 Gewichtsprozent des gelösten Metallelements herzustellen, wie in dem Fall von Ag - CdO-Kontaktmaterial, welches derzeit für industrielle Zwecke weitgehend verwendet wird.

Zur auswahlmäßigen Oxidation der Ag-Legierung der obigen Art, die lediglich mit beträchtlichen Schwierigkeiten der erwähnten Art einer inneren

to Oxidation unterwerfbar ist, müssen die nichtkristallinen gelösten Metallelemente in Gegenwart der Komgrenzen in Form von Oxiden mit so großer spezifischer Fläche wie möglich ausgefällt werden, während das Wachstum von kristallinem Silberkom verhindert wird;

is auch müssen die Abmessungen der Korngrenzen gering gehalten werden, um das oxidierte Gebilde in seinem Querschnitt zu halten.

Allgemein wird Sauerstoffgas durch das kristalline Silberkorn und die Korngrenzen diffundiert. Die Geschwindigkeiten der Sauerstoffdiffusion in der Nähe der Grenzen ist größer als durch das kristalline Korn, wobei die Oxide das Bestreben zeigen, sich in den Grenzen des kristallinen Silberkorns niederzuschlagen, wenn die Oxidation stattfindet, und zwar als Ergebnis eines reduzierten Diffusionspotentials in dem kristallinen Korn. Mit anderen Worten schreitet die Oxidation auswahlmäßig um die Grenzen des Kristallkorns fort.

Nach dem Erfindungsgedanken wird nunmehr eine Spurmenge von Bi zugegeben, die in der Lage ist, eine feste Lösung mit Ag bei einer höheren Temperatur zu bilden, jedoch kaum Neigung zeigt, die feste Lösung bei Umgebungstemperatur zu bilden, und zwar im Hinblick auf ein Abhängigmachen des Kristallkorns vom Schmieden und Walzen der Silberlegierung auf kleine Abmessungen und im Hinblick auf eine Herbeiführung der inneren Oxidation der Ag-Legierung mit einem ziemlich großen Anteil von gelösten Metallelementen.

Das Element Bi bildet bei höherer Temperatur eine feste Lösung mit Ag und Sn, was als gelöstes Metall verwendet wird, ist jedoch nicht in der Lage, eine solche feste Lösung bei Umgebungstemperatur zu bilden. Bei Zugabe zu der Ag-Legierung, welche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, verhält sich das Element Bi im Sinne einer Behinderung des Wachstums von kristallinem Silberkom und fördert die Diffusion gelöster Metalle in den Grenzflächen des Kristallkorns anstatt durch das Krtstallkorn. Wenn die Legierung einer inneren Oxidation ausgesetzt wird, werden daher dünne Oxidfilme in denCrcnzflachen des

V) Kristallkorns in einer Weise gebildet, welche die Leitfähigkeit des entstehenden Kontaktmaterials nicht ungünstig beeinflußt; auf diese Weise wird das Material mit einem auswahlmäßig oxidierten Gebilde ausgestattet.

v-, Der Durchschnittsdurchmesser des kristallinen Silberkorns des Kristallgebildes des entstehenden zusammengesetzten Legierungsmaterials betrug weniger als 50 μπι, während die Dünnfilme, bestehend aus ausgefällten Oxiden der gelösten Metalle, in den Grenzflächen

M) des Kristallkorns beobachtet wurden. Man konnte auch feststellen, daß weniger als 0,5% F.isenmctalle giiristigcrweise zugegeben werden könnten, um Risse daran /u hindern, sich zum Zeilpunkt der inneren Oxidation als F.rgebnis der gesleigerlen Geschwindigkeit der Auflö-

M sung von Metallelemenlen in der Ag-Legierung aus/ubilden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Legierung, bestehend aus 8,5 Gewichtsprozent Sn, 0,1 Gewichtsprozent Bi, Rest Silber, wurde einem Schmiede- und Ausrollvorgang zur Bildung einer Platte unterworfen, welche danach einer inneren Oxidation bei einer Temperatur von 650⁰C unter einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wurde. Das auf diese Weise erhaltene Material für elektrische Kontakte wies folgende Kennwerte auf:

Tabelle 1

Härte:

Leitfähigkeit:

Dichte:

Rockwell-F-Härte90
⁴⁰·⁶ OT (70%/ACS)
10,05 g/cm³

Beispiel 2

Eine Legierung mit 6 Gewichtsprozent Sb, 3 Gewichtsprozent Sn, 0,1 Gewichtsprozent Bi und Rest Ag wurde einem Schmiede- und Walzvorgang zur Bildung einer Platte von 2 mm Dicke unterworfen. Die erhaltene Platte wurde einer inneren Oxidation über 72 Stunden bei einer Temperatur von 650⁰C in einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt Das auf diese Weise erhaltene Verbund-Legierungsmaterial für elektrische Kontakte hatte folgende Kennwerte:

Härte:

Leitfähigkeit:

Dichte:

Rockwell-F-Härte95

10,02 g/cm*

Beispiel 3

Eine Legierung mit 1 Gewichts) "ozent Zn, 8 Gewichtsprozent Sn, 0,1 Gewichtsprozeni Bi und Rest Ag wurde einem Schmiede- und Walzvorgang zur Bildung einer Platte von 2 mm Dicke unterworfen. Die erhaltene Platte wurde über 72 Stunden bei einer Temperatur von 650⁰C in einer oxidierenden Atmosphäre einer inneren Oxidation unterworfen. Das auf diese Weise erhaltene Verbund-Legierungsmaterial für elektrische Kontakte hatte folgende Kennwerte:

Härte:

Leitfähigkeit:

Dichte:

Rockwell-F-Härte 93

(67%/ACS)

10,01 g/cm*

Mit den nach den obenerwähnten Beispielen erhaltenen Legierungen wurde eine Vergleichsuntersuchung durchgeführt, wobei übliche Ag—Cd-Legierungen, wie sie nach dem Verfahren e'er inneren Oxidation erhalten wurden, hinsichtlich solcher Eigenschaften wie Vcrschweißungssicherheit und Abnützungsgeschwindigkeit gemäß den internationalen Normen gegenübergestellt wurden. Die Ergebnisse sind aus den folgenden Tabellen 1,2 ersichtlich.

(I) Prüfung auf Verschweißungssicherheit. Es herrschten folgende Prüfungsbedingungen:

Spannung:	240 V
Anfangsstrom:	7000 Λ
Kontaktkraft:	0.2 N

Die Zahl des Auftretens einer Verschweißung gemäß der folgenden Tabelle I ist ein Mittelwert aus /wanzig Messungen für je fünf Gruppen von Proben.

Material

Anzahl der
Verschweißungen

1. Ag-Cd 15% 10

2. Ag-Sn 8,5 %-Bi 0,1% 0
ίο 3. Ag-Sb 6%-Sn 3%-Bi 0,1 % 1

4. Ag-Zn 1,0%-Sn 8%-Bi 0,1 % 0

Die Proben 2, 3 4 waren erfindungsgemäß durch innere Oxidation der Legierungen der obigen Zusammensetzung hergestellte Stoffe. Die Untersuchungsproben hatten einen Außendurchmesser von 6 mm und eine Dicke von 2 mm.

(2) Verbrauchsmessung bei der Untersuchung gemäß den internationalen Vorschriften gemäß A.S.T.M. Es herrschten folgende Untersuchungsbedingungen:

Die durchschnittliche Verbrauchsgeschwindigkeit jo wurde für die fünf Gruppen von Untersuchungsproben gemessen, wie sie für die Prüfung auf Verschweißungssicherheit verwendet wurden.

Spannung:	200V =
Strom:	5OA
Kontaktkraft:	0,4 N
Öffnungskraft:	0,6 N
Frequenz:	70 pro Minute
Anzahl der Schaltvorgänge:	50 000

Tabelle 2

Material

Verbrauch (in mg)

1. Ag-Cd 15% 22

2. Ag-Sn 8,5%-Bi 0,1% 20

3. Ag-Sb 6%-Sn 3%-Bi 0,1 % 24

4. Ag-Zn 1,0%-Sn 8%-Bi 0,1 % 18

Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäß erhaltene Material eine angenähert ähnliche Verbrauchsgeschwindigkeit und eine günstige-

K) re Verschweißungssicherheit gegenüber dem üblichen Ag-CdO-Material aufweist. Obgleich in den obigen Beispielen mäßige Mengen von gelösten Metallelementen und Wismut in Silberlegierungen verwendet wurden, war sichergestellt, daß die Legierungen nach

Vi der Erfindung 5 bis 20 Gewichtsprozent Sn, Zn oder Sb oder eine Gruppe dieser Elemente und 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent Bi enthalten konnten, ohne daß die physikalischen Eigenschaften ungünsiig beeinflußt wurden.

m> Rs wurde auch sichergestellt, daß weniger als 0.5% Eisenmetall günstigerweise zugegeben werden konnten, um die Ausbildung von Rissen zum Zeitpunkt der inneren Oxidation als Ergebnis der Steigerung im Verhältnis von gelösten Metallen zur Silberbasis zu

h"> verhindern.

Claims

Patentansprüche:

1. Ag-Metalloxid-Legierung für elektrische Kontakte mit einem Gehalt an innenoxidierten Zn-, Sn- oder Sb-Metallelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelemente aus der Gruppe umfassend Sn, Zn und Sb einen Gehalt von 95 bis 20 Gewichtsprozent aufweisen und daß ferner 0,01 bis 1,0 Gewichtsprozent Bi enthalten sind, wobei die gelösten Metalle der Silberbasis in Form einer festen Lösung enthalten sind.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Durchmesser der Korngrenzen des Silberbasismaterials weniger als 50 μπι beträgt und daß dünne Schichten der Oxide von Sn, Zn oder Sb und der Oxide von Bi in den Korngrenzen niedergeschlagen sind.

3. Material nach einem der Ansprüche 1, 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von weniger als 0,5 Gewichtsprozent an Eisenmetallen.