DE2441695A1

DE2441695A1 - Werkstoff fuer elektrische kontakte

Info

Publication number: DE2441695A1
Application number: DE2441695A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Dr Geide
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-30
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1976-03-11
Also published as: FR2283536A1; SE7509658L; IT1041945B; JPS5150497A

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

Patentansprüche

Werkstoff für elektrische Kontakte unter^s 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.

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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.

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