DE2428147C2

DE2428147C2 - Silber-Metalloxid-Werkstoff für elektrische Kontakte

Info

Publication number: DE2428147C2
Application number: DE2428147A
Authority: DE
Inventors: Akira Yokohama Shibata
Original assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1974-06-11
Publication date: 1983-01-27
Also published as: AU7065474A; US3933485A; HK64981A; DE2428147A1; FR2237969A1; GB1476478A; CA1019598A; FR2237969B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Silber-Metalloxid-Werkstoff für elektrische Kontakte nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Kontaktwerkstoff der genannten Art ist aus der DE-AS 10 33 815 bekanntgeworden, der durch innere Oxidation herstellbar ist. Ais Grundmetail für einen derartigen Verbundwerkstoff kann unter anderem Silber verwendet werden. Als Lösungsmetallelemente kommen dabei neben einer Vielzahl vorgeschlagener Elemente unter anderem auch die Elemente Indium und/oder Zinn in Frage. Da diese Kontaktwerkstoffe schlecht lötbar sind, soll gemäß dieser Druckschrift die Lötbarkeit durch ungleichförmige Oxidation verbessert werden.

Eine solche Aufgabenstellung ist aber sehr speziell und entspricht nicht der üblichen Aufgabenstellung zur Herstellung elektrischer Kontakte, bei denen üblicherweise eine völlig durchgehende gleichförmige innere Struktur, also eine völlig durchgehende innere Oxidation erzielt werden soll. Ob und gegebenenfalls in welchen Mengen unter anderem auch Zinn und/oder Indium zu verwenden sind, um die Kontakteigenschaften bereits bekannter Verbundstoffe für elektrische Kontakte zu verbessern, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aus einer gegenüber dem Anmeldetag der obigen Patentanmeldung späteren Veröffentlichung in dem Sonderdruck »DODUCO-Information - Untersuchungen an Silber-Metalloxid-Verbundwerkstoffen for elektrische Kontakte« im Jahre 1967 ist zu entnehmen, daß beispielsweise bei Silber-Zinn-Legierungen bei oxidierender Glühung störende zusammenhängende Oxidzonen auftreten, die eine gleichmäßige innere Oxidation so und feinkörnige Ausscheidung der betreffenden Oxide verhindern. Pulvermetallurgisch lassen sich jedoch Silber-Zinnoxide mit Gehalten von etwa 5-10% Oxid dagegen in dichter und duktiler Form feinkörnig und gleichmäßig herstellen. SS

Eine Untersuchung von Silber-Indium-Legierungen, die mittels innerer Oxidation hergestellt wurden, ist auch aus der »Zeitschrift für Metallkunde«, 1959, Heft 1, Seite 31—35 bekanntgeworden. Daraus ist insbesondere aus Seite 33 zu entnehmen, daß bei einer Indiumkonzentration über 5% die Dicke der inneren Oxidationszonen ungleichmäßig werden, und daß mit steigendem Indiumgehalt diese Behinderung stärker wird. Die Zone, die sich bei einem Anteil von 10% Indium nach dem Glühen ausbildet, ist dabei kaum noch zu erkennen. μ

Ein durch innere Oxidation hergestellter Silber-Metalloxid-Werkstoff ist auch aus dem Buch »Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte« von H. Schreiner, Springer-Verlag, 1964, Seiten 12 und 164-167, bekanntgeworden, der einen Anteil aus Kadmiumoxid enthält. Ein derartiger Werkstoff für elektrische Kontakte hat bisher häufige Verwendung gefunden, weil diese elektrischen Kontaktwerkstoffe einen relativ gleichmäßigen kleinen Übergangswiderstand, eine geringe Schweißneigung und eine hohe Bogenerosionsfestigkeit aufweisen. Dennoch werden diese positiven Eigenschaften nicht immer als ausreichend gut erachtet Vor allem aber ist auch die Verwendung von Kadmium aufgrund seiner stark giftigen Dämpfe für die bei der Herstellung der Werkstoffe beteiligten Arbeiter gesundheitsschädlich. Darüber hinaus sind in dieser Druckschrift auch Kontaktmaterialien, die zwei verschiedene Metalloxide enthalten, genannt Ein Hinweis auf deren Herstellung durch innere Oxidation fehlt

Aus der DE-AS 11 53 178 ist zur Verbesserung der Formbarkeit insbesondere von Silber-Kadmiumoxid-Werkstoffen lediglich zu entnehmen, daß vor der Oxidation Zusätze von 0,001 bis 1% NicKel, Eisen, Molybdän, Kobalt, Chrom, Titan und/oder Vanadium zugegeben werden können.

Aus dem Buch von A. Keil »Werkstoffe für elektrische Kontakte«, Springer-Verlag, 1960, Seiten 184/185, sind Werkstoffe für elektrische Kontakte auf der Grundlage Ag/CdO und Ag/SnU2 bekanntgeworden, die durch Mischen von Pulvern Pressen und Sintern hergestellt werden. Aus diesem Buch ist nur zu entnehmen, daß lediglich im Falle des Cadmium der Werkstoff auch mittels innerer Oxidation hergestellt werden kann.

Darüber hinaus ist aus der DE-PS 10 50 551 ein Verfahren zur Herstellung eines auf pulvermetallurgischem Wege zu verarbeitenden Verbundwerkstoffes auf Siiber-Cadmiumoxid-Basis bekanntgeworden. Bedarfsweise kann Kadmiumoxid durch andere Oxide ersetzt werden.

Aus der US-PS 36 94 197 sind Kontaktwerkstoffe auf Cadmiumbasis bekanntgeworden, deren elektrische Eigenschaften durch geeignete Zusätze verbessert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen dahingehend verbesserten Kontaktwerkstoff für elektrische Kontakte zu schaffen, der auch in tieferen Bereichen des Kontaktwerkstoffes eine gleichmäßigere Oxidation und damit auch ein besseres Abbrandverhalten ermöglicht, ohne daß die Verschweißungsfestigkeh beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Während der inneren Oxidation diffundiert der Sauerstoff in die inneren und tieferen Bereiche der Legierung, in der fein ausgefällte Teilchen der gelösten Elemente verteilt sind, im vorliegenden Fall Sn. Dies bedeutet, daß die Diffusionsgeschwindigkeit von Sn in der Legierung für die Tiefe der inneren Oxidation wesentlich ist, insbesondere in einer Anfangsphase, wo die Eindringgeschwindigkeit des Sauerstoffs in die Legierungsoberfläche auf einem verhältnismäßig niedrigen Wert liegt. Aber auch zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das gelöste Sn gegen die ausgefällten Oxidkerne in der Legierung diffundiert und als Oxidteilchen um die Kerne wächst, ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Sn wichtig. Daher muß die Diffusionsgeschwindigkeit von Sn für eine erfolgreiche innere Oxidation der Sn-haltigen Legierung gesteigert werden. Vorzugsweise sollte das Verhältnis der Diffusionsgeschwindigkeiten von

Sauerstoff und Zinn nahe beim Wert 1 liegen. Diese Forderung wird durch Zugabe von Indium zu der Legierung erreicht, weil dieses Element eine Löslichkeit in Zinn, eine hohe Affinität zu Sauerstoff und höhere Reaktionsgeschwindigkeit in Verbindung mit Sn als Sn allein aufweist. Außerdem sind die Schmelz- und Siedepunkte von SnO₂ und In₂O₃ höher als diejenigen von Ag, was eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit des Kontaktwerkstoffes bedingt

Durch die Weiterbildung nach dem Patentanspruch 2 wird die Bildung besonders gleichförmiger Mikrokristal-Ie im Bereich der inneren Oxidation bewirkt

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Legierung bestehend aus 8 Gewichtsprozent Sn, 3 Gewichtsprozent Γη, 0.2 Gewichtsprozent Ni, Rest Ag wurde zu einer Platte von 2 mm Dicke durch Gießen und Auswalzen geformt und einer inneren Oxidation bei 70O⁰C über 48 Stunden unterworfen. Die Mikrostniktur des Werkstoffes itn Querschnitt war ähnlich üblichen Ag-CdO Werkstoffen, und es ergaben sich folgende Kennwerte:

20

Härte:

spez. Widerstand:

Dichte:

85 Rockwell-F-Einheiten
2^99 uiicm (Leitfähigkeit: IACS 75)
10,03 g/cm³

25

Beispiel 2

Eine Legierung begehend aus 8 Gewichtsprozent Sn, 5 Gewichtsprozent In, 0,5 Gewichtsprozent Mg. Rest Ag wurde zu einer Platte von 2 mm Dicke durch Auswalzen geformt und einer inneren Oxidation bei 700⁰C über 48 Stunden unterworfen. Die MikroStruktur des Werkstoffes im Querschnitt war ähnlich dem eines üblichen Ag-CdO Werkstoffes, der durch innere Oxidation hergestellt wurde, wobei sich folgende Kennwerte ergaben:

Härte:

spez. Widerstand:

Dichte:

95 Rockwell-F-Einheiten
2,652 uXlcm (Leitfähigkeit
IACS 65)
10,03 g/cm³

45

Es wurde eine Vergleichsuntersuchung hinsichtlich Verschweißungsfestigkeit und Abbrand mit den obigen Werkstoffen und üblichen Kontaktwerkstoffen aus Silber und Kadmiumoxid durchgeführt. Das Resultat ergibt sich aus den folgenden Tabellen 1 und 2.

(1) Untersuchung hinsichtlich Verschweißungsfestigi Es herrschten folgende Untersuchungsbedingungen;

Spannung:

Anfangsstrom;

Kontaktdruck;

240V=
7500 A
ca.2N(200p)

Die Anzahl des Auftretens einer Verschweißung gemäß der folgenden Tabelle 1 ist ein Mittelwert aus zwanzig Messungen für je vier Gruppen von Proben.

Tabelle 1

15 Material Anzahl der
Verschweißungen

1. Ag-Cd 14% 10

2. Ag-Cd 14%-Ni 13% 12

3. Ag-Sn 8%-In 3%-Ni 0,2% 0

4. Ag-Sn 8%-In 5%-Mg 0,5% 0

Die Proben 3 und 4 sind Werkstoffe gemäß den Beispielen 1 und 2. Die Proben hatten einen Außendurchmesser von 6 mm und eine Dicke von 2 mm.

(2) Gemessener Abbrand bei einer Untersuchung gemäß ASTM bei folgenden Bedingungen:

30 Spannung:

Strom:

Kontaktdruck:

Öffnungsdruck:

Frequenz:

210V=
5OA

ca. 4 N (400 p)
ca. 6 N (600 p)

60 Schaltvorgänge pro Minute Anzahl der Schaltvorgänge insgesamt:100 000

Die durchschnittliche Abbrandmenge wurde für vier Gruppen von Proben gemessen, wie sie für die Untersuchung auf Verschweißungsfestigkeit verwendet wurden.

Tabelle 2

Material

Abbrandmenge
(in mg)

1. Ag-Cd 14%

2. Ag-Cd 14%-Ni 0,3%

3. Ag-Sn 8%-In 3%-Ni 0,2%

4. Ag-Sn 8%-In 5%-Mg 0,5%

12,0

10,5

6,5

8,5

Claims

Patentansprüche;

1, Silbermetalloxidwerkstoff aus einer innerlich oxidierten Legierung, für elektrische Kontakte, mit einem Gehalt an Zinnoxid und Indiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung einen Zinnanteil von 5 bis 10 Gew.-% und einen Indiumanteil von 1 bis 6 Gew.-%, Rest Silber, aufweist
2. Silbermetalloxidwerkstoff nsch Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt an Eisen- oder Erdalkalimetallen bis zu 0,5 Gew.-%.