DE2441695A1 - Werkstoff fuer elektrische kontakte - Google Patents
Werkstoff fuer elektrische kontakteInfo
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Description
Werkstoff für elektrische Fontakte
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für elektrische Kontakte unter Verwendung eines Basis-Kontaktwerkstoffes mit relativ
hoher mechanischer Härte aus der bekannten Gruppe der sogenannten abbrandfesten Kontaktwerkstoffe (beispielsweise
Wolfram, Molybdän, Platin, Iridium, Palladium, Rhodium, Rhenium)
Sogenannte abbrandfeste (hochschmelzende) Kontaktwerkstoffe
der vorgenannten Art zeichnen sich durch Resistenz gegenüber der relativ sehr hohen thermischen Beanspruchung beim Auftreten
von Gasentladungen mit hiervon ausgelösten Glimm- oder Bogenentladungen aus und reduzieren dadurch spürbar eine für das
Kontaktverhalten überaus schädliche Materialabtragung bzw. Materialwanderung, so dass derartige Kontaktwerkstoffe überall
dort bevorzugt Verwendung finden, wo mit dem Auftreten von Kontaktfeuer gerechnet' werden muss, wie dies beim Schalten
von Stromkreisen mit induktivem oder kapazitivem Charakter. in ganz besonderem Maße der Fall ist. Nun sind allerdings
sämtliche bisher bekannten Kontaktwerkstoffe der vorerwähnten Art gleichzeitig mechanisch relativ hart. Dies ist einerseits
eine an sich wünschenswerte Eigenschaft, weil ein aus solchem
Werkstoff gebildetes Kontaktglied eine wünschenswert hohe mechanische Standfestigkeit besitzt und darüber hinaus die
Ausübung eines wiederum wünschenswert grossen Kontaktdruckes gestattet. Nachteilig wirkt sich dabei jedoch die mit der
mechanischen Härte gleichzeitig gegebene Sprödigkeit des Kontaktwerkstoffes aus, und zwar sowohl hira-chtlich der Lebensdauer
als auch der elektrischen Eigenschaften eines mit derartigen Kontaktwerkstoffen arbeitenden elektrischen Schaltkontaktes.
Von diesen Nachteilen ist die Verkürzung der
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Lebensdauer darin begründet, dass an der kontaktgebenden Oberfläche unter der Einwirkung der beim Schalten aufeinanderprallenden
Kontakte Partikel aus dem spröden Kontaktwerkstoff . ausbrechen, welche schabend in die Kontaktfläche eingreifen,
im Verlaufe weiterer Schaltspiele immer mehr Partikel auskratzen
und schliesslich in solcher Menge vorhanden sein können, dass ein sogenannter Lawineneffekt mit einer totalen Zerstörung
der Kontaktoberfläche eintritt. Insbesondere zeigt sich dieser Effekt beim sogenannten "Trockenschalten", das heisst bei der
Betätigung eines elektrischen Schaltkontaktes im stromlosen Zustand.
Andererseits findet die erwähnte Beeinträchtigung der elektrischen
Eigenschaften ihre Erklärung in der mangelnden plastischen Verformbarkeit des Kontaktwerkstoffe infolge seiner Sprodigkeit.
Nach den neuesten Forschungserkenntnissen auf dem Sektor des Schaltverhaltens elektrischer Kontakte unter Verwendung modernster
Untersuchungsmethoden wie optische Reflexion, felektronenmikroskopisches
Abdruckverfahren zeigt sich nämlich, dass man abweichend von der bis dahin über einen langen Zeitraum herrschenden
klassischen Theorie von Holm betreffend die Beziehungen zwischen dem Engewiderstand, dem spezifischen Widerstand des verwendeten
Kontaktwerkstoffes, den mechanischen Faktoren insbesondere der Elastizität des Kontaktgliedes, der Kontaktkraft und dergleichen,
in erster Linie von der Topographie der kontaktgebenden Metalloberfläche ausgehen und in weit stärkeren Maße als bisher üblich
die Werkstoffeigenschaften und insbesondere die eintretende Verfestigung des Kontaktwerkstoffes sowie die hiervon ausgelösten
Reaktionen bei der Verformung des Kontaktwerkstoffes berücksichtigen muss. Aus diesen neuesten Erkenntnissen letztlich
resultierend ergibt sich unter anderem vordringlich die Forderung nach einer ausreichenden Duktilität, das heisst nach einer
die Dreipunkt-Berührung mit möglichst hohem spezifischem Flächendruck zu jedem Zeitpunkt gewährleistenden plastischen Verformbarkeit
des Kontaktwer-k^-toffes.
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Die erwähnten Nachteile betreffend die Verminderung der Lebensdauer
durch Ausbrechen schabender Partikel aus dem Kontaktwerkstoff und Beeinträchtigung des Kontaktübergangswiderstandes
infolge unzureichender plastischer Verformbarkeit des Kontaktwerkstoffes
zu vermeiden und einen Werkstoff für elektrische Kontakte unter gleichzeitiger Beibehaltung der Vorteile eines
abbrandfesten und mechanisch standfesten Basis-Kontaktwerkstoffes zu schaffen, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.
Erreicht wird dies gemäss der Erfindung dadurch, dass dem
Basis-Kontaktwerkstoff zumindest im Bereich.der kontaktgebenden Oberfläche in atomarer Bindung mit ihm ein prozentualer Anteil
eines Kontaktmetalles beigefügt ist, das durch an sich bekannte
Effekte im Rahmen der Gitterstruktur bzw.'Gitterbindung der Kristalle des Basis-Kontaktwerkstoffes die Duktilität des
Basis-Kontaktwerkstoffes erhöht und/oder einer VersprÖdung des Basis-Kontaktwerkstoffes durch das Eindringen von gitterstörenden
Fremdstoffen entgegenwirkt.
Ein nach dieser Lehre gemäss der vorliegenden Erfindung aufgebauter
Kontaktwerkstoff besitzt praktisch ungeschmälert alle Vorteile der eingangs erwähnten sogenannten abbrandfesten
Kontaktwerkstoffe, jedoch darüber hinaus eine erhöhte Duktulität,
welche einerseits ein Ausbrechen von Werkstoffpartikeln an der kontaktgebenden Oberfläche weitestgehend ausschliesst und
andererseits gleichzeitig einen niedrigen und konstanten Kontaktübergangswiderstand
gewährleistet. Weiterhin ist der Kontaktwerkstoff in seinem inneren Gefüge in hohem Maße geschützt vor
dem Eindringen von Fremdstoffen, welche den Kontaktwerkstoff versprö.den und so die aus den erwähnten mechanischen und elektrischen
Gesichtspunkten angestrebte erhöhte Duktilität gefährden könnten. Insbesondere wertvoll ist der zuletzt genannte Schutz
bei Verwendung des Kontaktwerkstoffes für die nach dem derzeitigen
Stand der Technik bevorzugt benützten sogenannten Schutzgaskontakte, das heisst für elektrische Schaltkontakte,
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deren Kontakteinrichtung innerhalb eines gasdicht gekapselten und mit inertem Gas gefüllten Gehäuses arbeitet, weil dort
zwar unerwünscht aber praktisch nicht immer vermeidbar zumindest Spuren schädlicher Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und gegebenenfalls
kleinere Spaltmengen von Kohlenstoff vorhanden sein können.
Soweit die noch nicht restlos erforschten Zusammenhänge und Einwirkungen fremder Metalle in die kristalline Gitterstruktur
eines metallischen Basis-Werkstoffes eine Erklärung in Übereinstimmung mit der einschlägigen Literatur zulassen, ist die
beim Kontaktwerkstoff gemäss der vorliegenden Erfindung eintretende
Erhöhung der Duktilität und die Abwehr gegen das Eindringen von gitterstörenden Fremdstoffen darin begründet, dass das dem
•Basis-Kontaktwerkstoff beigefügte Kontaktmetall Fehlstellen in der Gitterstruktur besetzt und so die Gitterbindung festigt
und/oder das Gitter aufweitet, so dass die Atomteilchen grössere Bewegungsfreiheit gewinnen und dass schliesslich die von dem
beigefügten Kontaktmetall besetzten Fehlstellen im Gitter des Basis-Kontaktwerkstoffes das Eindringen von die Gitterbindung
störenden Fremdstoffen wie Gase, Kohlenstoff oder dergleichen verhindern.
Für die praktische Realisierung der Erfindung ist bisher vordringlich
das Metall Molybdän (Mo) als Basis-Kontaktwerkstoff untersucht worden, weil dieser Kontaktwerkstoff seiner technisch
guten Eigenschaften und gleichzeitig preislich vertretbaren Gestehungskosten wegen im hier bevorzugt interessieranden
Anwendungsbereich für elektrische Schaltkontakte der Fernmeldetechnik in grösserem Rahmen Verwendung findet. Von diesem Metall
Molybdän als Basis-Kontaktwerkstoff ausgehend, haben sich mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes als
besonders effektvoll in der angestrebten Wirkung erwiesen. So sieht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, dass dem
Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein Anteil bis zu 40 Atom-%Rhenium (Rhe) beigefügt ist.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht vor, dass
dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein Anteil von 0,026 ktom-% Aluminium (Al) beigefügt ist.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es
vorgesehen, dass dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein Anteil von 0,15 Atom-% Cer (Ce) beigefügt ist. · "
Nach einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein Anteil von
0,5 Atom-% Vanadin (V) beigefügt sein.
Bei allen vorgenannten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
kann es nach den bisher erfassten Erkenntnissen als gesichert angenommen werden, dass die angestrebte und auch
verwirklichte Erhöhung der Duktilität durch eine bereits
besprochene, Besetzung von Fehlstellen in der Gitterstruktur des Basis-Kontaktwerkstoffes eintritt.
Demgegenüber lässt sich eine ebenfalls bereits besprochene
Gitteraufweitung mit dadurch erreichter grösserer Bewegungsfreiheit der Atomteilchen und einer letztlich· dadurch bewirkten
Duktilität erreichen, wenn gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung 4em Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän
(Mo) das Metall Zirkonium (Zr) oder nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung das Metall Hafnium (Hf)
als Kontaktmetall beigefügt ist.
Eine Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass dem Basis-Kontaktwerkstoff
Molybdän (Mo) ein aus zumindest zwei der vorgenannten
Metalle bestehendes Kqntaktmetall beigefügt ist. Auf diese Weise kann sowohl eine Stärkung der Gitterbindung
durch Besetzung etwaiger Fehlstellen durch das Kontaktmetall als gleichzeitig auch eine Gitteraufweitung.erreicht werden.
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Was die Art der Verbindung des Basis-Kontaktwerkstoffes mit dem Kontaktmetall angeht, so bieten sich hierfür mehrere
Alternativen von an sich bekannter Art an.
So kann gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der
Werkstoff aus einer durch Erschraalzung des Basis-Kontaktwerkstoffes
und des Kontaktmetalles gewonnenen Legierung bestehen.
Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann jedoch
das Kontaktmetall dem Basis-Kontaktwerkstoff durch elektrostatisch -thermische Aufstäubung beigefügt sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes kann in der V/eise gewonnen werden, dass das Kontaktmetall dem
Basis-Kontaktwerkstoff durch Eindiffundierung beigefügt ist.
Schliesslich liegt es im Rahmen der Erfindung, den Werkstoff auch in der Weise zu schaffen, dass das Kontaktmetall dem
Basis-Kontaktwerkstoff durch Aufdampfen beigefügt ist.
12 Patentansprüche
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Claims (12)
- PatentansprücheWerkstoff für elektrische Kontakte unters Verwendung eines Basis-kontaktweiKstoffes mit relativ hoher mechanischer Härte aus der bekannten Gruppe der sogenannten abbrandfesten Kontaktwerkstoffe (beispielsweise Wolfram, Molybdän, Platin, Iridium, Palladium, Rhodium, Rhenium), dadurch gekennzeichnet, dass dem' Basis-Kontaktwerkstoff zumindest im Bereich der kontaktgebenden Oberfläche in atomarer Bindung mit ihm ein prozentualer Anteil eines Kontaktmetalles beigefügt ist, das durch an sich bekannte Effekte im Rahmen der Gitterstruktur bzw. Gitterbindung der Kristalle des Basis-Kontaktwerkstoffes die Duktilität Jes Basis-Kontaktwerkstoffes erhöht und/oder einer Versprödung des Basis-Kontaktwerkstoffes durch das Eindringen von gitterstörenden Fremdstoffen entgegenwirkt.
- 2. Werkstoff nach Patentanspruch 1 unter Verwendung von Molybdän (Mo) als Basis-Kontaktwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein Anteil bis zu 40 Atom-% Rhenium (Rhe) beigefügt ist.
- 3. Werkstoff nach Patentanspruch 1 unter Verwendung von Molybdän (Mo) als Basiskontaktwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basiskontaktwerkstoff Molybdän (Mo) eir» Anteil von 0,026 Atom-?£ Aluminium (Al) beigefügt ist.
- 4. Werkstoff nach Patentanspruch 1 unter Verwendung von Molybdän (Mo) als Basis-Kontaktwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basiskontaktwerkstoff (Mo) ein Anteil von 0,15 Atom-% Cer (Ce) beigefügt ist. .
- 5. Werkstoff nach Anspruchanspruch 1 unter Verwendung von Molybdän (Mo) als Basiskontaktwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein Anteil von 0,5 Atom-% Vanadin (V) beigefügt ist.VPA 9/61 σ/4215609811/0160
- 6. Werkstoff nach Patentanspruch 1 unter Verwendung von Molybdän (Mo) als Basis-Kontaktwerkstoff, dadurch gekennzeichnet r dass dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) Zirkonium (Zr) als Kontaktmetall beigefügt ist.
- 7. Werkstoff nach Patentanspruch 1 unter Verwendung von Molybdän (Mo) als Kontakt-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) Hafnium (Hf) als Kontakt-Metall beigefügt ist.
- 8. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet",' dass dem Basis-Kontaktwerkstoff Molybdän (Mo) ein aus zumindest zwei der vorgenannten Metalle bestehendes Kontaktmetall beigefügt ist.
- 9· Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff aus einer durch Erschmelzung des Basis-Kontaktwerkstoffes und des Kontaktmetalles gewonnenen Legierung besteht.
- 10. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmetall dem Basis-Kontaktv*erkstoff durch elektrostatisch-thermische Aufstäubung beigefügt ist.
- 11. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmetall dem Basis-Kontaktwerkstoff durch Eindiffundierux:g beigefügt ist.
- 12. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmetall dem Basis-Kontaktwerkstoff durch Aufdampfen beigefügt ist.6ü98 1 1 /O 1 60
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