DE2642690A1 - Sinterkontaktwerkstoff fuer elektrische kontakte - Google Patents

Description

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Berlin und München *· VPA TB P 7 5 4« BRD Sinterkontaktwerkstoff für elektrische Kontakte

Die Erfindung betrifft einen Sinterkontaktwerkstoff für elektrische Kontakte aus Silber und mindestens einem eingelagerten oxidischen Metallzusatz.

Derartige Sinterwerkstoffe sind vor allem als Werkstoffe für elektrische Kontakte entwickelt worden. Die Eignung dieser Werkstoffe wird von deren elektrischen Eigenschaften (z.B. elektrischer Widerstand im Inneren des Werkstoffes, Übergangswiderstand an der Kontaktfläche), vom Verhalten im Lichtbogen während des Ein- und Ausschaltens (z.B. Abbrand, Lichtbogenlauf und Lichtbogenlöschung), von Vorgängen während der Stromführung bei geschlossenem Kontakt (z.B. Materialwanderung und Verschweißen der Kontaktstücke, die dann nur unter Kraftaufwendung getrennt werden können, sogenannte Schweißkraft) und mechanischen Eigenschaften (z.B. Elastizität und Härte) bestimmt.

Silber ist vor allem wegen seiner hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit in vieler Hinsicht ein vorteilhafter Werkstoff, hat jedoch einige Mängel, wie z.B. hohen Lichtbogenabbrand, hohe Schweißkraft und geringe Härte. Da Graphit von Silber nur schlecht benetzt wird, erreicht man durch Einlagerung von Graphitteilchen

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in Silber einen Werkstoff mit sehr geringer Schweißkraft, jedoch entsteht hierbei ein poröses, mechanisch nicht sehr stabiles Material, dessen thermische und elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt ist. Als Folge davon kommt es im Lichtbogen zu einer starken lokalen Wärmeentwicklung, wodurch das Silber noch leichter schmilzt, verdampft und verspratzt, so daß auch der Lichtbogenabbrand des Silbers durch die Graphiteinlagerung ungünstig beeinflußt wird. Umgekehrt kann man durch Einlagerung von Metalloxiden in Silber den Lichtbogenabbrand günstig beeinflussen, jedoch wird, abgesehen von einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes, auch die Schweißkraft erhöht.

Häufig werden auch mehrere Metalloxide gleichzeitig in Silber eingelagert, um die günstigen Eigenschaften des einen Metalloxides mit den günstigen Eigenschaften des anderen Metalloxides zu kombinieren. Derartige Werkstoffe können dadurch hergestellt werden, daß das Silber mit den Metallen legiert und anschließend durch innere Oxidation der Legierung in die Metalloxide übergeführt werden. Häufig wird aber auch von einer Mischung aus Silber- und Metalloxid- Pulver ausgegangen, die durch die pulvermetallurgische Technik zum fertigen Werkstoff verarbeitet wird.

Grundsätzlich können jedoch die Wirkungen verschiedener Zusätze nicht beliebig miteinander kombiniert werden, da die Eigenschaften des fertigen Werkstoffes so miteinander verknüpft sind, daß eine Verbesserung einer Eigenschaft zwangsläufig zu Verschlechterungen anderer Eigenschaften führen. Die Eigenschaftsspektren dieser bekannten Werkstoffe sind daher begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Werkstoff auf Silberbasis anzugeben, dessen Eigenschaften durch oxidische Metallzusätze modifiziert sind. Die Eigenschaften des neuen Werkstoffes sollen eine Erweiterung des Eigenschaftsspektrums von Werkstoffen für elektrische Kontakte darstellen und eine weitere Mög- lichkeit bieten, geeignete Werkstoffe für elektrische Kontakte bereitzustellen, deren Eigenschaften den Anforderungen bei bestimmten Schaltaufgaben weitgehend entsprechen.

Dies wird durch einen Sinterkontaktwerkstoff aus Silber und mindestens einem eingelagerten oxidischen Metallzusatz erreicht,

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wobei der Metallzusatz gemäß der Erfindung einen gegenüber stabilen Metalloxiden unterstöchiometrisehen Sauerstoffgehalt aufweist. Der oxidische Metallzusatz enthält somit weniger Sauerstoff, als der Stöchiometrie in dem Falle entspricht, daß der Metallzusatz vollständig in Form stabiler Oxide vorliegt.

Ein derartiger Sinterkontaktwerkstoff kann z.B. dadurch hergestellt werden, daß eine innige Mischung, die aus einem Pulver einer Silber-Metall-Legierung und einem Pulver eines Metalloxides hergestellt wird, unter Luftabschluß gepreßt und gesintert wird. Da durch atomare Platzwechselvorgänge, die durch die hohe Sintertemperatur beschleunigt werden, ein Teil der Metallatome der Legierung mit den Metalloxidmolekülen des Metalloxidpulvers zusammentreten, bilden sich hierbei Mischoxide mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt. Bei diesem Werkstoff handelt es sich also nicht um ein bloßes Nebeneinander einer Silber-Metallegierung und eines Metalloxides, sondern es entsteht ein neuer Werkstoff, dessen Eigenschaften von den Eigenschaften einer Silber-Metall-Legierung oder eines Silber-Metalloxid-Sinterwerkstoffes verschieden sind. Dies ermöglicht es, die Eigenschaften verschiedener Kontaktwerkstoffe in einem Werkstoff miteinander zu vereinen. So können z.B. durch geeignete Wahl der oxidischen Metallzusätze Werkstoffe für elektrische Kontakte hergestellt werden, die hinsichtlich Abbrand, Schweißkraft und/oder elektrischem Widerstand besonders günstig liegen.

Zur Herstellung des Kontaktwerkstoffes wird bevorzugt ein Weg beschritten, bei dem ein Silber/Metalloxid-Verbundpulver, das z.B. durch innere Oxidation eines Legierungspulvers erhalten wird, und ein Metallpulver, das z.B. durch Elektrolyse hergestellt wird, miteinander vermischt, zu einem Kontaktstück verpreßt und unter Luftabschluß gesintert werden. Die Teilchengröße der verwendeten Pulver liegt bevorzugt unter 60 μιη. Das Pressen kann vorteilhaft bei Drücken zwischen 500 und 1000 MN/m erfolgen. Die Sinterung kann insbesondere während einer halben bis zwei Stunden unter Schutzgasatmosphäre erfolgen, bei Temperaturen, bei denen der unoxidierte Metallzusatz in flüssiger Phase vorliegt. Durch KaIt- oder Wannnachpressen kann der Werkstoff verdichtet und so die Endform des Kontaktstückes erhalten werden. Ist ein Halbzeug mit Richtgefüge erwünscht, so können große Preßkörper gesintert und danach stranggepreßt oder walzverformt werden.

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Benutzt man für die Herstellung des Legierungspulvers und des Metalloxidpulvers das gleiche Metall als Ausgangsmaterial, so erhält man einen Sinterkontaktwerkstoff mit nur einem oxidischen Metallzusatz. Vorteilhaft kann man jedoch auch von verschiedenen Metallen ausgehen, wobei dann Mischoxide der verschiedenen Metalle erhalten werden. Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Kombination der Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes.

Vorteilhaft beträgt der Sauerstoffgehalt des Sinterkontaktwerkstoffes 50 bis 95 %, insbesondere 60 bis 90 % des stöchiometrischen Sauerstoffgehaltes. Durch chemische Analyse der Metallzusätze und des Sauerstoffgehaltes kann die unterstöchiometrische Sauerstoffkonzentration im fertigen Werkstoff eindeutig nachgewiesen werden. Häufig sind im Vergleich zu Werkstoffen mit stöchiometrisehen Oxidzusätzen auch Unterschiede im Gefüge des Werkstoffes feststellbar.

Als Ausgangsmetalle für die oxidischen Metallzusätze kommen z.B. Cd, Zn, Sn, Ni oder Mg in Frage. Es können aber auch andere Metalle verwendet werden, deren Oxide bei der pulvermetallurgischen Herstellung von Kontaktwerkstoffen dem Silber üblicherweise zugesetzt werden. Da man je nach Art der verwendeten Metallzusätze unterschiedliche Werkstoffeigenschaften erhält, richtet sich die Auswahl der zu verwendenden Zusätze nach den jeweiligen Anforderungen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten wird ein Werkstoff gesucht, der gleichzeitig einen geringen Lichtbogenabbrand und eine geringe Schweißkraft aufweist. Für diese Anwendung hat sich als besonders vorteilhaft ein Sinterkontaktwerkstoff erwiesen,

der gemäß der Erfindung auf folgende Weise hergestellt ist: 35

Durch innere Oxidation eines Legierungspulvers aus 88 Gewichtsteilen Ag und 12 Gewichtsteilen Cd wird ein Verbundpulver hergestellt. Eine Mischung aus 95 Gewichtsprozent des Verbundpulvers und 5 Gew.# Elektrolysekupferpulver, deren Teilchengröße unter 60 μπι liegt, wird mit einem Preßdruck von 600 bis 800 MN/m zu

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einem Formteil (Kontaktstück) verpreßt. Während die eutektische Temperatur für AgCu bei 780 ⁰C liegt, erfolgt die Sinterung des Preßkörpers bei etwa 820 ⁰C. Es wird etwa eine Stunde in Stickst off atmosphäre gesintert. Hierbei tritt eine flüssige Phase auf, die die atomaren Platzwechselvorgänge beschleunigt und bewirkt, daß Cu-Atome im Inneren der AgCdO-Verbundpulverteilchen mit CdO-Molekülen zusammentreten und ein (CdCu)-Mischoxid bilden. Für diese Oxidbildung steht nur der im CdO gebundene Sauerstoff zur Verfügung, der nicht zur Bildung von stabilen CuO-MoIekülen ausreicht. Das Mischoxid weist also einen unterstöchiometrisehen Sauerstoffgehalt auf. Das Formteil wird anschließend durch Nachpressen weiter verdichtet und in die Endform gebracht.

In einem Prüfschalter (beschrieben in der Zeitschrift "Werkstofftechnik", 7.Jahrg. 1976) wurden die auf diese Weise hergestellten Kontaktstücke unter einem Einschaltstrom I = 1000 A und einem Ausschaltstrom I = 1500 A geprüft. Zum Vergleich wurden Kontaktstücke aus einem AgCdOCuO-Verbundwerkstoff herangezogen, die auf üblichem pulvermetallurgischen Wege hergestellt wurden und das gleiche Verhältnis Ag:Cd:Cu aufwiesen wie der erfingunsgemäße Sinterkontaktwerkstoff. Zur Bewertung der Schalteigenschaften der Kontaktstücke wurde die Summe der Schweißkraft (gemessen in N) und des Abbrandes (gemessen in mg pro 1000 Schaltungen) unter Normbedingungen herangezogen. Die Kontaktstücke aus dem erfindungsgemäßen Sinterkontaktwerkstoff zeigten dabei einen im Vergleich etwa 30 % günstigeren Wert.

Sie eignen sich daher insbesondere zum Einbau in Niederspannungs* schaltgeräten, z.B. Schütze, wo sie eine Erhöhung des Einschalt-Vermögens ermöglichen.

3 Patentansprüche
0 Figuren

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Claims (3)

1. tentansprüche

   76P 7 5 48 BR 2642690

   Λ J Sinterkontaktwerkstoff für elektrische Kontakte aus Silber und mindestens einem eingelagerten oxidischen Metallzusatz, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallzusatz einen gegenüber stabilen Metalloxiden unterstöchiometrisehen Sauerstoffgehalt aufweist.
2. 2. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt 50 bis 95 % des stöchiometrisehen Sauerstoffgehalt es beträgt.
3. 3. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffgehalt 60 bis 90 % des stöchiometrisehen Sauerstoff gehaltes beträgt.

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   ORIGINAL INSPECTED