DE2446698A1 - Zweischichten-sinterkontaktstueck fuer elektrische schaltgeraete - Google Patents

Zweischichten-sinterkontaktstueck fuer elektrische schaltgeraete

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DE2446698A1 DE19742446698 DE2446698A DE2446698A1 DE 2446698 A1 DE2446698 A1 DE 2446698A1 DE 19742446698 DE19742446698 DE 19742446698 DE 2446698 A DE2446698 A DE 2446698A DE 2446698 A1 DE2446698 A1 DE 2446698A1
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Description

Zweischichten-Sinterkontaktstück für elektrische Schaltgeräte
Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweisehichten-Sonterkontaktstück für elektrische Schaltgeräte, insbesondere Niederspannungsschaltgeräte, bestehend aus einer ersten Schicht (Kontaktschicht) aus dispersionsgehärtetem Silber mit Metalloxid oder Metalloxiden als Härtungszusatz und einer zweiten Schicht (Trägerschicht) aus einem Metall mit einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen 30 und 60 (m/n»mm ) oder mit guten Löt- oder guten Schweißeigenschaften.
Zweischichten-Sinterkontaktstücke mit einer ersten Schicht aus diepersionsgehärtetem Silber mit Metalloxid oder Metalloxiden als Härtungszusatz und einer zweiten Schicht aus einem Metall mit guten Löt- oder mit guten Schweißeigenschaften sind bekannt. Dispersionsgehärtetes Silber mit Metalloxid-AusScheidungen wurde bisher für elektrische Kontaktstücke für die Kontaktschicht eingesetzt, wobei der Metalloxidgehalt bis zu 15 Gew.# betrug. Für die Trägerschicht wurde Reinsilber, Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle verwendet. Für Zweischichten-Kontakt stücke, die mit dem Trägermetall widerstandsgeschweißt werden sollen, ist für die zweite Schicht Nickel, Eisen bzw. Monell verwendet worden. Für die Auswahl der Metalle für die zweite Schicht auf der Kontaktstückrückseite hat man sich bisher für die plastischen Metalle bzw. Metallegierungen entschieden, weil diese die gewünschten guten Löt- bzw. guten Schweißeigenschaften aufweisen.
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- 2 - VPA 74/7592
Bei der bisher bekannten Technik für die pulvermetallurgische Herstellung von Zweischichten-Sinterkontaktstücken z.B. aus Silber-Metalloxid für die erste Schicht und Beinsilber für die zweite, lötfähige Schicht sind für optimale Preß- und Sinterbedingungen für die beiden Schichten unterschiedliche Preßdrucke und damit Raumerfüllungsgrade im Preßzustand erforderlich. Bei zu niedrigem Preßdruck ist die Silber-Metalloxidschicht nicht ausreichend kantenbeständig; bei zu hohem Preßdruck wird zwar die Silber-Metalloxid-Schicht günstig verdichtet, jedoch werden in der Silberschicht Gaseinschlüsse erzeugt. Bei der Sinterung führen diese Graseinschlüsse zu einer Dichteabnahme der Silberschicht bzw. auch zu kleinen Blasen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Zweischichten-Sinterkontaktstücke dahingehend zu verbessern, daß bei ihrer pulvermetallurgischen Herstellung, insbesondere bei der Sinterung, in der zweiten Schicht keine Gaseinschlusse bzw. keine Blasenbildungen auftreten und eine höhere Festigkeit in der Grenzschicht zwischen der ersten und zweiten Schicht erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auch die zweite Schicht aus einem dispersionsgehärteten Metall mit Metalloxid als Härtungszusatz besteht.
Die zweite Schicht kann z.B. aus dispersionsgehärtetem Silber oder aus dispersionsgehärtetem Kupfer bestehen.
Als Härtungszusatz für die erste Schicht aus dispersionsgehärtetem Silber eignen sich insbesondere ein oder zwei Oxide der Metalle Kupfer, Zink, Kadmium, Zinn, Blei, Indium, Lanthan, Oer, Antimon, Wismut, Tellur, Molybdän, Mangan, Kalzium, Eisen, Kobalt oder Nickel. Für die zweite Schicht aus dispersionsgehärtetem Silber ist besonders vorteilhaft ein Oxid der Metalle Magnesium, Kalzium, Aluminium, Silizium, Titan, Zirkon, Chrom, Eisen, Kobalt oder Nickel.
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- 3 - VPA 74/7592
Besteht die zweite Schicht aus dispersionsgehärtetem Kupfer, ist es besonders vorteilhaft, als Härtungszusatz ein Oxid der Metalle Magnesium, Aluminium, Titan oder Zirkon zu verwenden.
Besteht die Kontaktschicht aus dispersionsgehärtetem Silber mit zwei Metalloxiden als Härtungszusatz, so können beispielsweise folgende Metalloxid-Kombinationen verwendet werdent CdO OuO, CdO CaO, CdO ZnO, CdO In2O,, CdO I»ax0y, CdO CeO, CdO SnO2, CdO PbO, CdO Sb3O3, CdO Bi3O3, CdO Te2O3, GdO MoO3, CdO MnO2, CdO Pe3O3, CdO CoO, CdO NiO.
ZnO CuO, ZnO CaO, ZnO In3O3, ZnO LaO, ZnO CeO, ZnO SnO2* ZnO PbO, ZnO Sb3O3, ZnO Bi3O3, ZnO Te3O3, ZnO MoO3, ZnO MnO3, ZnO Pe3O3, ZnO CoO, ZnO NiO.
CuO CaO, CuO In2O3, CuO LaO, CuO CeO, CuO SnO2, CuO PbO, CuO Sb3O3, CuO Bi2O3, CuO Te2O3, CuO MoO3, CuO MnO2, CuO Pe3O3, CuO CoO, CuO NiO.
Der Effekt der Dispersionshärtung des Silbers oder Kupfers kann entweder durch Mischung von Pulver mit feinteiligen Oxidzusätzen, durch gemeinsame Fällung, Zersetzung und innerer Oxidation oder durch Innenoxidation von Legierungspulver erzielt werden. Die Metall-Metalloxid-Pulvermischung bzw. die Metall-Metalloxid-Verbundpulver werden durch Pressen, Sintern und Nachverdichten zur Kontakt- bzw. zur zweiten Schicht verarbeitet.
Anhand der Zeichnung und von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 ein Kontaktstück gemäß der Erfindung im Schnitt mit
einer balligen Kontaktschicht, Pig. 2 ein Kontaktstück gemäß der Erfindung im Schnitt in
Brückenform,
Pig. 3 in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit der
Dichte vom Preßdruck für eine AgNiO 0,25-Sdiieht, Pig. 4 in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit der Dichte vom Preßdruck für eine Reinsilberschicht.
In den- Figuren 1 und 2 sind Ausführungsbeispiele für Ausführungsformen von Kontaktstücken gemäß der Erfindung dargestellt.
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Pig. 1 zeigt ein Kontaktstück mit einer balligen Kontaktschicht und mit einer ebenen Trägerschicht 2. Fig. 2 zeigt ein Kontaktstück in Brückenform, wie es in üblicher Weise für die Doppelunterbrechung in Niederspannungs-Schaltgeräten eingesetzt wird. Hier besteht die Kontaktschicht 1 aus zwei Kontaktstückbereichen, die von der Trägerschicht 2 überbrückt werden. Die Trägerschicht 2 ist hier so ausgebildet, daß sie gleichzeitig der eigentliche Träger für die Kontaktschicht ist.
In den nachfolgenden Beispielen werden einzelne vorteilhafte Zusammensetzungen für die Kontaktschichten und die Trägerschichten angegeben.
Beispiel 1
Zweischichten-Kontaktstück, bestehend aus AgCdOI2 (Gewichtsprozente) für die Kontaktschicht und aus AgNiO 0,25 (Gewichtsprozente) für die lötfähige Trägerschicht. Das AgNiO-PuIver wird durch Verdüsen einer AgNi-Schmelze erhalten. Die Teilchengröße liegt bei < 0,2 mm. Das AgNi-Verdtisungspulver wird bei 8000C an Luft vollständig inneroxidiert. Dafür ist eine Glühdauer von etwa 1 Stunde ausreichend. Durch feine NiO-Ausscheidungen im Silbergitter entsteht ein dispersionsgehärtetes AgNiO-Pulver. Es besitzt sehr gute Pließeigenschaften. Die Fließdauer im 60°-Trichter mit 4 mm Düsendurchmesser beträgt 20 Sekunden pro 100 g. Gegenüber dem bisher verwendeten Reinsilberpulver ist keine Granulation erforderlich. In eine Stahlmatrize wird in bekannter Weise eine Pulverschicht aus dem AgNiO 0,25-Pulver gefüllt. Unmittelbar darauf wird für die Kontaktschicht eine Pulverschicht aus AgCdO12-Verbundpulver gefüllt. Dieses Pulver ist ebenfalls durch Druckverdüsung einer AgCd-Schmelze erhalten worden und nach Trocknen und Absieben auf < 0,2 mm bei 8000C während 1 Stunde an Luft vollständig inneroxidiert. Diese beiden dispersionsgehärt.ten Metallpulverschichten werden mit einem Preßdruck von 600 MN/m gemeinsam zu einem Formteil verdichtet. Die Sinterung erfolgt bei 85O0C während 1 Stunde an Luft. Die Sinterung erfolgt bei 8500C während 1 Stunde an Luft. Die weitere Verdichtung erfolgt durch Kaltnachpressen mit 800 MN/m bzw. durch Warmnachpressen nach Vorwärmen des KontaktStückes auf 8000C mit 600 MN/m .Der Gasgehalt im Kontaktstück kann in einem Blasentest,d.h.
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" 5 " VPA 74/7592
in einer darauffolgenden Wärmebehandlung nachgewiesen werden. Das Kontaktstück gemäß der Erfindung wurde im Vergleich zu einem zweiten Kontaktstück mit der gleichen Kontaktschicht, jedoch mit einer Reinsüberschicht als zweite Schicht (Trägerschicht) der folgenden Wärmebehandlung unterzogen und beurteilt. Die Temperatur für die Wärmebehandlung betrug 8000C, die Dauer 50 Minuten an Luft. Das Kontaktstück mit der Trägerschicht aus Reinsilber zeigt viele kleine Bläschen, während das Kontaktstück mit der Trägerschicht aus dispersionsgehärtetem AgNiO keine Blasen zeigt. Es lassen sich zwar beide Kontaktstücke durch Kalt- oder Warmnachpressen zur gleichen Kontaktstückform verdichten, doch zeigt das Kontaktstück mit der Trägerschicht aus dispersionsgehärtetem AgNiO keine Blasen beim darauffolgenden Hartlöten auf das Trägerteil. Eine Blasenbildung tritt selbst dann nicht auf, wenn ein steiler Temperaturgradient bei der Erwärmung auf Lottemperatur, z.B. einer Erwärmung in 4 Sekunden auf 75O0C, angewendet wird. Demgegenüber zeigen die Kontaktstücke mit einer Reinsilberschicht als Trägerschicht Ausfälle infolge Blasenbildung. Da auch der Gasgehalt in der Kontaktschicht niedriger ist, wurde bei Abbrandversuchen ein bis zu 25 % niedrigerer Abbrandwert bei dem Kontaktstück mit der dispersionsgehärteten Trägerschicht aus AgNiO25 gemessen. Die Abbrandrate der Kontaktschicht beträgt 78.TO"6 bis 85'10"6 cm5 A~1s~1 und liegt damit erheblich niedriger als bei einem Zweischichten-Kontaktstück gleicher Zusammensetzung mit einer Reinsilberschicht als Trägerschicht (Abbrand = 100-10"6 bis 109'10"*6 cm5 A~1s~1). Der Abbrandwert wurde auf einer Prüfappäratur bestimmt, die in Z.Metallkd. j>3_ (1972) H.10, S.651 bis 654 genau beschrieben ist.
In Pig. 3 ist in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit der Dichte der Trägerschicht aus AgNiO 0,25 vom Preßdruck dargestellt. Auf der Abszisse ist der Preßdruck P (MN/m ), auf der linken Ordinate die Dichte $ (g/cm ) und auf der rechten Ordinate der Raumerfüllungsgrad r abgetragen.. Kurve zeigt die Dichte $ in Abhängigkeit vom PreSdruck P für den Preßzustand, Kurve 12 für den Sinterzustand, Kurve 13 für den Nachpreßzustand und Kurve 14 für den Nachsinterzustand.
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" 6 ~ VPA 74/7592
Pig. 4· zeigt eine gleichartige Darstellung für ein Reinsilberpulver, das durch Yerdüsung hergestellt wurde. Pig. 21 zeigt die Dichte J> in Abhängigkeit vom Preßdruck P für den Preßzustand, Kurve 22 für den Sinterzustand, Kurve 23 für den Nachpreßzustand und Kurve 24 für den Nachsinterzustand.
Beim Vergleich der Kurvenverläufe in Fig. 3 und Pig. 4 wird deutlich, daß bei AgNiO 0,25 bei der Nachsinterung des nachgepreßten Sinterteiles über den gesamten Druckbereich praktisch kein Dichteabfall auftritt (Kurve 14), während bei Heinsilber ein vom verwendeten Preßdruck abhängiger Dichteabfall auftritt (Kurve 24).
Beispiel 2
Kontaktstück mit einer Kontaktschicht aus AgCdOI2Bi2O, 0,6 und einer zweiten Schicht aus AgMgO 0,3. Wie im Beispiel 1 werden dispersionsgehärtete inneroxidierte Legierungspulver verwendet, die durch Druckverdüsung der Schmelze hergestellt sind. Pur die Kontaktschicht wurde ein AgCdBi-Verdüsungspulver der Teilchengröße <0,2 mm bei 75O°C vollständig inneroxidiert. Pur die Trägerschicht wurde eine AgMg-Legierung der Teilchengröße < 0,2 mm bei 80O0C während 1 Stunde an Luft vollständig inneroxidiert. Das daraus hergestellte Kontaktstück hat eine Größe von 15x16x2,5 nmr. Die beiden Pulversehichten wurden übereinandergefüllt. Die Füllhöhe für die AgMgO-Sehicht betrug 0,8 mm, die gesamte Füllhöhe für die beiden Schichten betrug 7 mm. Mit einem Preßdruck von 600 MN/m wurden beiden Schichten zu einem Kontaktstückformteil verdichtet. Die Sinterung erfolgte bei 85O0C während 1 Stunde an Luft. Durch Nachpressen mit 800 MN/m bzw. Warmnachpressen nach Erwärmung des Sinterkörpers auf 8000C erfolgte die Verdichtung mit 600 M/a2.
Sine Warmbehandlung des nahgepreßten Sinterkontaktstückes zeigte ebenfalls keine Blasen und praktisch keinen Dichteabfall. Die Kontaktstücke lassen sich auf einen Lötautomaten mit induktiver Erwärmung in einem Arbeitstakt von 8 Sekunden einwandfrei auf das Trägermetall hartlöten, ohne daß Blasen entstehen. Der Bindeanteil in der Lotschicht beträgt mehr als 70 #. -7-
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- 7 - VPA 74/7592
Beispiel 3
Das Zweischichten-Kontaktstück besteht aus einer Kontaktschicht aus AgOdO10SnOp 0,2 Sb2O, 0,3 und einer Trägerschicht aus mit TiO2 dispersionsgehärtetem Kupfer GuTiO2 0,4·. Für die Trägerschicht wird Elektrolyse-Kupferpulver der Teilchengröße <0,2 m mit sehr feinteiligem TiO2 ( < 10 μπι)-Pulver innig gemischt und in einer Rührwerkskugelmühle naß gemahlen und anschließend getrocknet. Für ein in Fig. 2 dargestelltes Brtickenkontaktstück wird zuerst die Kontaktschicht in die Stahlmatrize gefüllt und nach Nachstellen der Stempel die Pulverschicht für die Trägerschicht aus CuTiO0 0,4 darübergeschichtet. Beide Schichten
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wurden mit 600 WS/m zu einem kantenbeständigen Formteil gemeinsam verdichtet. Die Sinterung erfolgte bei 75O0C während 1 Stunde in Stickstoff, Das gesinterte Formteil wurde alt 800 MN/m bei 70O0C warmnachverdichtet. Das Entgraten des maßgenauen Formteils erfolgte durch eine Trommelnachbehandlung.
Weitere spezielle Beispiele sind in der nachfolgenden Tabelle für die erste und zweite Schicht angeführt. Die Zahlenangaben bedeuten Gewichtsprozente. Die angeführten speziellen Beispiele können mit jeder der angegebenen zweiten Schicht gepaart werden.
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1. Schioht
2. Schicht
AgCdO12
AgCdOI2Bi2O, 0,6 AgCdOIOMgO 0,3 AgCdO12Sb2O5 0,1 AgGdOIOCuO 1,5 AgCdO12PbO 0,8 AgCdOIOSnO2 0,2 Sb2O5 0,3 AgCuOSMnO 0,3 AgZnO9CeO2 0,5 AgZnO7Sb2O5 0,3 AgZn07Fe,0. 0,2 AgCuO8ZnO 0,6 SnO2 0,7 AgCu09Sb2O3 0,3 ZnO 0,2 AgNiO 0,3 C3
AgNiO 0,2
AgNiO 1,0
AgMgO 0,3
AgCaO 0,3
AgAl2O3 0,5 AgSiO2 0,4 AgTiO2 0,2 AgZrO2 0,3 AgCr2O, 0,8 AgPe3O4 0,2 AgCoO 0,2
CuNiO 0,2
CuMgO 0,15 CuAl2O3 0,2 CuSiO2 0,2 CuTiO2 0,25 CuZrO2 0,3 CuCr2O3 0,2 CuFe3O4 0,2 CuCoO 0,2
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Darüber hinaus können Zweischichten-Kontaktstücke gemäß der Erfindung auch mit einer Kontaktschicht und mit einer Trägerschicht nach den weiter oben angegebenen Beispielen hinsichtlich des Metalloxidzusatzes zur Dispersionshärtung aufgebaut sein.
10 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (10)

- 10 - VPA 74/7592 JEatentansurüche ( 1. /Bi
1./Sweischiehten-Sinterkontaktstück für elektrische Schalt- ^geräte, insbesondere Niederspannungsschaltgeräte, bestehend aus einer ersten Schicht (Kontaktschicht) aus dispersionsgehärtetem Silber mit Metalloxid oder Metalloxiden als
Härtungszusatz und einer zweiten Schicht (Trägerschicht)
aus einem Metall mit einer elektrischen Leitfähigkeit zwischen 30 und 60 m/nmm , dadurch gekennzeichnet, daß auch die zweite Schicht (2) aus einem dispersionsgeharteten Metall mit
Metalloxid als Härtungszusatz besteht.
2. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) aus dispersionsgehärtetem Silber besteht.
3. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) aus dispersionsgehärtetem Kupfer besteht.
4. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus
dispersionsgehärtetem Silber mit einem oder zwei Oxiden der Metalle Kupfer, Zink, Kadmium, Zinn, Blei, Indium, Lanthan, 0er, Antimon, Wismut, Tellur, Molybdän, Mangan, Kalzium,
Elsen, Kobalt oder Nickel als Härtungszusatz und die zweite Schicht (2) aus dispersionsgehärtetem Silber mit einem Oxid der Metalle Magnesium, Kalzium, Aluminium, Silizium, Titan, Zirkon, Chrom, Bisen, Kobalt oder Nickel als Härtungszusatz besteht.
5. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus
dispersionsgehärtetem Silber mit einem oder zwei Oxiden der Metalle Kupfer, Zink, Kadmium, Zinn, Blei, Lanthan, Cer,
Antimon, Wismut, Tellur, Molybdän, Mangan oder Kalzium als
Härtungszusatz und die zweite Schicht (2) aus dispersionsgehärtetem Kupfer mit einem Oxid der Metalle Magnesium,
Aluminium, Titan oder Zirkon besteht. -11-
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VPA 74/7592
6. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus AgGdO12 und die zweite Schicht (2) aus AgNiO 0,25 besteht.
7. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus AgCdO12 und die zweite Schicht (2) aus CuAl2O5 0,3 besteht.
8. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus AgCdO12Bi2O5 0,6 und die zweite Schicht (2) aus AgMgO 0,3 besteht.
9. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus AgCdOI2BipO, 0,6 und die zweite Schicht (2) aus CuTiO2 0,4 besteht.
10. Zweischichten-Sinterkontaktstück nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) aus AgCdOIOSnO2 O5 0,3 und die zweite Schicht (2) aus CuTiO2 0,4 besteht,
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