DE2709278B2

DE2709278B2 - Sinter-Tränkwerkstoff für elektrische Kontaktstucke und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2709278B2
Application number: DE772709278A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Rothkegel; Horst Prof. Dr. Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1979-03-08
Also published as: US4153755A; DE2709278A1; IT1093835B; JPS53108810A; FR2382758A1; DE2709278C3; GB1552310A; FR2382758B1; IT7820449A0

Description

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Die Erfindung betrifft einen Sinter-Tränkwerkstoff für elektrische Kontaktstücke, bestehend aus einem mit Silber und/oder Kupfer gefüllten Gerüst aus Wolfram, Silber und/oder Kupfer und einem Zusatz eines benetzungsfördernden Metalles wie Eisen, Nickel, Kobalt, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Wegen seiner hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit ist Silber ein bevorzugtes Material für elektrische Kontaktstücke. In einem Lichtbogen, wie er beim Öffnen und Schließen von Kontakten häufig entsteht, verdampft und verspratzt das an der Kontaktfläche derartiger KontaktstUcke liegende Silber jedoch leicht, was zu einem großen Materialverschleiß (Abbrand) führt. Ferner neigen silberne Kontaktstücke vor allem beim prellenden Schließen von Koniakten leicht zum Verkleben und Verschweißen, so daß sie nur unter Kraftaufwendung (»Schweißkraft«) wieder voneinander getrennt werden können. Vor allem in Niederspannungsschaltgeräten werden daher meist Kontaktslücke verwendet, die im Silber eingelagerte Graphit teilchen enthalten, wodurch die Schweißkrafl wesentlich herabgesetzt wird. Diese KontaktstUcke zeigen auch nur einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand. Da Graphit nicht benetzbar mit flüssigem Silber ist, werden solche Kontaktstücke in der Regel durch Pressen und Sintern einer Mischung aus Silberund Graphitpulver bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperaiur des Silbers hergestellt. Die so «> erzeugten Sinterwerkstoffe weisen eine hohe Porosität, in der Regel mindestens 5 bis 7 Vol.-°/o, auf und besitzen nur eine geringe mechanische Stabilität. Ferner ist die thermiüche und elektrische Leitfähigkeit durch die Einlagerung des Graphites herabgesetzt. Die Folge ^ hiervon ist, daß derartige Sinterwerkstoffe einen hohen Abbrand aufweisen. Dies trifft auch für Sinterwerkstoffe aus Kupfer mit eingelagertem Graphit zu.

Wolfram zeigt gegenüber Silber oder Kupfer eine höhere mechanische Härte und eine größere Abbrandfestigkeit. Verdichtet man daher ein Wolframpulver und tränkt es anschließend mit flüssigem Silber oder Kupfer bei Temperaturen oberhalb deren Schmelztemperaturen, so erhält man einen Tränkwerkstoff, der aus einem Wolframgerüst besteht, das mit Silber oder Kupfer ausgefüllt ist. Da Wolfram von Silber schlecht benetzt wird, ist es hierbei vorteilhaft, dem Silber geringe Mengen von Eisen, Nickel oder Kobalt beizumischen, wodurch die Löslichkeit des Wolframs in der Silberschmelze erhöht und die Benetzbarkeit verbessert wird. Wolframcarbid, das sich bei hohen Temperaturen aus einer Mischung von Wolfram- und Graphit-Pulver bildet, besitzt gegenüber Wolfram eine noch größere Härte und Abbrandfestigkeit. Nach H. Schreiner »Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte« Rerlin/Göttingen/Heidelberg, 1964, Seite 148, 149 kann ein Sinter-Tränkwerkstoff hergestellt werden, indem zunächst aus einem Pulver, das Wolfram, Kupfer oder Silber und Nicke! enthält, ein Sintergerüst hergestellt und dieses anschließend getränkt wird. Ein derartiger Werkstoff weist praktisch keine Porosität mehr auf und seine Härte, Abbrandfestigkeit u>id Leitfähigkeit ist gegenüber einem Sinterwerkstoff erhöht. Dies ist jedoch mit dem Nachteil einer höheren Schweißkraft und eines in der Regel erhöhten elektrischen Widerstandes erkauft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Werkstoff für elektrische Kontakte bereitzustellen, der eine geringe Schweißkraft bei geringem Abbrand und hoher mechanischer Stabilität aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Sinter-Tränkwerkstoff der eingangs angegebenen Art, der einen Gehalt von 2,0 bis 7,0 Gew.-% Kohlenstoff aufweist. Der Kohlenstoff liegt dabei teilweise in gebundener Form als Wolframcarbid, teilweise in freier Form als in Silber eingelagerte Graphitteilchen vor. Das Verhältnis von gebundenem Kohlenstoff zu freiem Kohlenstoff beträgt mindestens 0,2 und höchstens 5.

Um einen Wolfram, Silber oder Kupfer und Graphit enthaltenden Werkstoff in einem Sinterverfahren herzustellen, könnte auf Verfahren mit Warmverdichtung oder Drucksinterung entsprechender Pulvermischungen zurückgegriffen werden. Dabei setzt sich jedoch der Graphit rasch zu Carbid um. Ferner verbleibt auch bei hohen Drucken eine störende Restporosität, sobald man versucht, einen Werkstoff mit nennenswerten Graphitgehalten herzustellen, tin Graphitgehalt von 4 Gew.-% entspricht nämlich z. B. bereits etwa 18 vOI.-% und wegen der schlechten Benetzbarkeit von Graphit mit Metallschmelzen weist ein derartiger Sinterwerkstoff keine ausreichende Stabilität auf. Außerdem ist Wolframcarbid, ebenso wie Graphit, durch flüssiges Silber oder Kupfer sehr schlecht benetzbar. Zwar lassen sich durch benetzungsfördernde Zusätze wolframcarbidhaltige, graphitfreie Tränkwerkstoffe herstellen: jedoch zur Herstellung eines Werkstoffes, bei dem im Silber oder Kupfer Graphitteilchen eingelagert sind, erscheint auch ein Tränkverfahren nicht geeignet.

Diese Schwierigkeiten dürften einen Fachmann zunächst davon abhalten, einen Werkstoff, der Wolfram, Silber und/oder Kupfer und Graphit enthält, für elektrische Kontaktstücke vorzuschlagen. Darüber hinaus haben Versuche gezeigt, daß sogar ein Verfahren, bei dem der Wolfram/Graphit-Pulvermi-

schung schon zur Herstellung des Gerüstes Silber und/oder Kupfer zugemischt wird und anschließend durch Pressen und/oder Sintern das Gerüst hergestellt und mit einer Ag- oder Cu-Schmelze getränkt wird, nur zu einem porösen Körper führt, der einen hohen Lichtbogenabbrand aufweist. Selbst wenn man dabei das Gerüst bei Temperaturen über der Schmelztemperatur des Silbers herstellt, erreicht man nur, daß dann der Graphit mehr oder weniger vollständig in Carbid übergeführt wird, ohne daß ein Werkstoff mit einem nennenswerten Gehalt an freiem Graphit erhalten werden kann. Offenbar sind die beim Verdichten des Gerüstes entstehenden Poren angesichts der geringen Benetzbarkeit von Carbid und der Unbenetzbarkeit von Graphit nicht zu einer weitgehenden Aufnahme des Tränkmetailes geeignet.

Zur Herstellung des Sinter-Trängwerkstoffes nach der Erfindung eignet sich jedoch ein Verfahren, bei dem zunächst eine innige Pulvermischung aus Wolfram, einem Teil des insgesamt zu verwendenden Silbers und/oder Kupfers, dem bcnctzungsfördcrndcn Meta!! und ebenfalls nur einem Teil des zu verwendenden Graphits hergestellt und bei Temperaturen zwischen 800 und 1100°C in Schutzgasatmosphäre thermisch granuliert wird. Anschließend wird dem Granulat der Rest des zu verwendenden Graphits beigemischt, die Mischung wird zu einem Gerüst verdichtet und das Gerüst wird mit dem restlichen Silber bzw. Kupfer gesintert und getränkt. Die Pulvermischung enthält hierbei 2 bis 5 Gew.-°/o Graphit, dem Granulat werden jo vor dem Verdichten weitere 1 bis 6 Gew.-°/o Graphitpulver beigemischt, bezogen auf die Pulvermischung.

Die Pulvermischung kann vorteilhaft zusammen etwa 10 bis 45Gew.-% Silber und/oder K-jpfer und 0,1 bis 2 Gew.-°/o Eisen, Kobalt und/oder Nickel enthalten. Der Wolframgehalt wird vorzugsweise so bemessen, daß er im fertigen Werkstoff 25 bis 70 Vol.-%, insbesondere 30 bis 60VoI.-% beträgt. Der Wolframgehalt ist hier in Volumenanteilen angegeben, da die Graphitanteile z. B. vom unterschiedlichen spezifischen Gewicht von Cu bzw. Ag abhängen.

Die Herstellung des Sinter-Tränkwerkstoffes kann z. B. vorteilhaft so erfolgen, daß die Pulvermischung mit einem Preßdruck zwischen 50 und 200 MN/m² in Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 800 und 1100⁰C etwa 10 bis 60 Minuten lang gesintert wird. Die Sinterdauer wird dabei vorzugsweise um so niedriger gewählt, je höher die Sintertemperatur liegt. Anschließend werden die Sinterkörper zerkleinert und beispielsweise auf eine Teilchengröße zwischen 0,2 und 0,4 mm gebracht. Den bei dieser »thermischen Granulierung« erzeugten Teilchen wird der weitere Graphit beigemengt. Anschließend erfolgt die Verdichtung bei Drücken zwischen 100 und 500 MN/m² und der erhaltene Preßkörper wird z. B. bei Temperaturen zwischen 1100 und 1250⁰C in Wasserstoffatmosphäre mit dem restlichen Silber und/oder Kupfer getränkt.

Bei der thermischen Granulierung wird ein erheblicher Teil des Graphits in Wolframcarbid umgewandelt, das die Wolframteilchen schalenförmig umgibt. Möglicherweise werden die zusammengesinterten Wolframteilchen beim anschließenden Zerkleinern im Inneren aufgebrochen, so daß neue carbidfreie Bruchflächen entstehen. Dadurch wird eine Benetzung dieser neugebildeten Bruchstellen mit dem Tränkmetall während der Tränkung ermöglicht. Dabei wird ein weiterer Anteil des Graphits in Carbid überführt, so daß im fertigen Werkstoff das Verhältnis von gebundenem Kohlenstoff zu freiem Kohlenstoff zwischen 0,2 und 5 beträgt.

Die Schweißkraft von Kontaktstücken aus diesem Sinter-Tränkwerkstoff ist wesentlich geringer als bei einem Tränkwerkstoff aus graphitfreiem Wolframcarbid und Silber und liegt in der Größenordnung der Schweißkraft eines Sinterwerkstoffes aus Silber mit eingelagertem Graphit. Der Abbrand liegt dagegen wesentlich niedriger als bei einem entsprechenden Sinterwerkstoff. Ferner ist vorteilhaft, daß dieser Sinter-Tränkwerkstoff einen geringen Kontaktwiderstand aufweist. Das kann dadurch bedingt sein, daß im Lichtbogen ein Teil des an der Oberfläche liegenden Graphits sublimiert und eine reduzierende Atmosphäre bildet, die der Ausbildung von Oxidschichten entgegenwirkt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, daß der Sinter-Tränkwerkstoff auch bei hohen Temperaturen und Belastungen eine hohe mechanische Stabilität aufweist Die elektrische und thermische Leitfähigkeit liegt über den Werten, die bei Silber-Graphit-Sinterwerkstoffen erreicht werden, was auf die geringere noch vorhandene Restporosität des Werkstoffes zurückzuführen ist. Wie ein Querschliff zeigt, beträgt die Porosität weniger als 5 Vol.-%. Der Werkstoff kann auch mit einer Porosität unter 3 Vol.-% hergestellt werden. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von freiem Kohlenstoff (Graphit) zu gebundenem Kohlenstoff (Carbid) zwischen 03 und 3.

Anhand von fünf Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nun noch näher erläutert.

Beispiel I

Zunächst wird eine Pulvermischling aus 59 Gew.-% Wolframpulver, das durch Reduktion von WOj gewonnen wurde und eine Teilchengröße < 0,06 m?n besitzt, 36 Gew.-% Elektrolyse-Silberpulver der Teilchengröße < 0,037 mm, 1 Gew.-°/o Carbonyleisenpulver der Teilchengröße < 0,015mm und 4Gew.% Graphitpulver der Teilchengröße 0,037 mm hergestellt und innig gemischt. Unter einem Preßdruck von 100 MN/m² werden Platten hergestellt, die bei 1100°C 15 Minuten lang in Wasserstoffatmosphäre gesintert werden. Nach dem Abkühlen werden die Platten mit einem Backenbrecher grob zerkleinert und in einer Zahnscheibenmühle auf eine Teilchengröße < 0,037 mm gebracht. Dem so gebildeten Granulat werden weitere 4 Gew.-% Graphit beigemengt.

Mit einem profilierten Preßstempel wird die Granulat/Graphitmischung unter einem Preßdruck von 100 MN/m² vorgepreßt, anschließend werden etwa 25 Gew.-Teile weiteres Elektrolyse-Silberpulver, bezogen auf die Pulvermischung, darübergeschichtet. Die beiden Schichten werden nun bei einem Preßdruck von etwa 450 MN/m² zu einem kantenfesten Körper, der die Form des herzustellenden KontaktstUckes aufweist, verdichtet und bei einer Temperatur von etwa 1100⁰C 15 Minuten lang unter Wasserstoffatmospäre erhitzt. Die Menge des Tränksilbers ist dabei so bemessen, daß beim Erhitzen die Poren des Preßkörpers nahezu vollständig mit flüssigem Silber ausgefüllt werden und die Oberfläche sich so weit mit Silber überzieht, daß die Vertiefungen des Preßprofils teilweise mit Silber ausgefüllt sind. Dadurch entsteht eine Lötfläche, die durch Hartlöten oder eine der üblichen Schweißtechniken mit einem Trägermetall verbunden werden kann. Der fertige Formkörper weist eine Restporosität von etwa 3 Vol.-% und einen Kohlenstoffgehalt von etwa

6,7 Gew.-% auf, wobei etwa die Hälfte des Kohlenstoffs in Form von Graphit, die andere Hälfte in Form von Wolframcarbid vorliegt.

Beis piel 2

Eine Pulvermischung aus 76,8 Gew.-% Reduktions-Wolframpulver (Teilchengröße < 0,04 mm), 10Gew.-% Elektrolyse-Silberpulve'· (Teilchengröße < 0,037), 10Gew.-% Elektrolyse-Kupferpulver (Teilchengröße <0,063), 1,2 Gew.-% Carbonyl-Nickelpulver (Teilchengröße < 0,01 mm), und 2 Gew.-% Graphit (Teilchengröße < 0,1 mm) wird innig gemischt und thermisch granuliert, indem zunächst unter einem Preßdruck von 100 MN/m² Platten hergestellt, diese bei etwa 95O°C in Wasserstoffatmosphäre 30 Minuten lang gesintert und anschließend zu einem Granulat mil einer Teilchengröße <0,315mm zerkleinert werden. Dem Granulat we: den weitere 2 Gew.-°/o Graphit beigemischt. Unter einem Druck von 200 MN/m² wird ein Preßkörper hergestellt, dem ein Preßkörper aus Elektrolyse-Silberpulver zur Tränkung untergelegt wird. Die Menge des Tränksilbers ist wieder so bemessen, daß sie zur vollständigen Porenfüllung ausreicht und sich noch ein geringer Überschuß in dem Preßprofil ansammelt, der zur Bildung einer löifähigen Verbindungsfiäche aus- Ά reicht. Der Tränkvorgang selbst erfolgt bei 1200⁰C während 30 Minuten in Wasserstoffatmosphäre.

Beispiel 3

Eine Pulvermischung aus 76,8 Gew.-% Reduktions-Wolframpulver (Teilchengröße < 0,063 mm),

20 Gew.-% Elektrolyse-Kupferpulver (Teilchengroße < 0,063 mm), 1,2 Gew.-% Carbonyl-Nickelpulver (Teilchengröße < 0,01 mm) und 2 Gew.-% Graphit (Teilchengröße < 0,1 mm) wird zur gleichmäßigen Verteilung der Komponenten innig gemischt und thermisch granuliert, indem unter einem Preßdruck von 100 MN/m² Platten hergestellt, diese bei etwa 950⁰C in Wasserstoffatmosphäre 30 Minuten lang gesintert und anschließend zu einem Granulat mit einer Teilchengröße < 0,315 mm zerkleinert werden. Dem Granulat werden weitere 3Gew.-% Graphit beigemischt. Die Verdichtung zu einem Formteil erfolgt in einer Formpresse bei einem Preßdruck von etwa 200 MN/m². Dem so hergestellten Gerüst wird ein Preßkörper aus Elektrolyse-Kupferpulver untergelegt, der zur vollständigen Porenfüllung ausreicht. Der Tränk Vorgang erfolgt bei 1200⁰C während 30 Minuten in Wasserstoffatmo Sphäre.

Beispiel 4

Ausgehend von einer Pulvermischung von 74,6Gew.-% Reduktions-Wolframpulver, 20 Gew.-% Elektrolyse-Kupferpulver, 4 Gew.-% Graphit und l,4Gew.-% Carbonyl-Nickelpulver wird ein Granulat hergestellt, dem 6 Gew.-% v;eiteres Graphitpulver zugesetzt wird. Der Preßdruck zur Herstellung des Granulats und des Preßkörpers beträgt 150 MN/m⁷, die Teilchengrößen, Sintertemperaivren und anderen Herstellungsdaten entsprechen de«·. Beispiel 1. Der fertige Formkörper hat die Zusammensetzung WCu46 C6.74 Ni0,8, wobei nach dem Schliffbild etwa die Hälfte des Kohlenstoffes in Form von freiem Graphit vorliegt.

Beispiel 5

Entsprechend den Angaben nach Beispiel 2 wird ein Granulat der Zusammensetzung WAgIO CuIO C2 NiU hergestellt und mit 1 Gew.-°/o Graphit zu einem Formkörper verarbeitet. Der Formkörper hat die Endzusammensetzung WAg30 Cu7,8 NiO,9 C2.3.

Die nach diesen Beispielen hergestellten Formteile werde» als Kontaktstücke in einem Priifschalter eingebaut. Zum Vergleich wurden graphitfreie Tränkwerkstoffe herangezogen, deren metallische Komponente die gleiche Zusammensetzung aufwies. Es zeigt sich, daß zwar der Abbrand gleich oder geringfügig höher ist als beim Vergleichswerkstoff, jedoch die Schweißkraft um mindestens den Faktor 4 geringer.

Claims

Patentansprüche:

1. Sinter-Tränkwerkstoff fur elektrische Kontaktstücke, bestehend aus einem mit Silber und/oder Kupfer getränkten Gerüst aus Wolfram, Silber und/oder Kupfer und einem Zusatz eines benetzungsfördernden Metalles wie Eisen, Nickel, Kobalt, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 2,0 bis 7,0Gew.-% Kohlenstoff, der teilweise in gebundener Form als Wolframcarbid und teilweise in freier Form als in Silber eingelagerte Graphitteilchen vorliegt, und ein Verhältnis von gebundenem Kohlenstoff zu freiem Kohlenstoff von mindestens 0,2 und höchstens 5.

2. Verfahren zur Herstellung eines Sinter-Tränk-Werkstoffes nach Anspruch 1, bei dem eine Pulvermischung, die Wolfram, Silber und/oder Kupfer und ein benelzungsförderndes Metall enthält, zu einem Gerüst verdichtet und das Gerüst anschließend mit Silber und/oder Kupfer getränkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulvermischung 2 bis 5 Gew.-% Graphit zugemischt werden, daß die erhaltene Mischung in Schutzgasatmosphäre bei Temperaturen zwischen 800 und HOO⁰C thermisch granuliert wird und daß dem Granulat vor dem Verdichten weitere 1 bis 6 Gew.-% Graphitpulver, bezogen auf die Pulvermischung, beigemischt werden.