DE2709278C3

DE2709278C3 - Sinter-Tränkwerkstoff für elektrische Kontaktstücke und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2709278C3
Application number: DE2709278A
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: 1980-05-08
Also published as: DE2709278A1; GB1552310A; US4153755A; IT1093835B; FR2382758B1; IT7820449A0; DE2709278B2; JPS53108810A; FR2382758A1

Description

iO

Die Erfindung betrifft einen Sinter-Tränkwerkstoff für elektrische Kontaktstücke, bestehend aus einem mit Siiüer 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 -to elektrische Kontaktstücke. In einem Lichtbogen, wie er beim Öffnen und Schließen von Kontakten häufig entsteht, verdampft und versprat/t das an der Kontaktfläche derartiger Kontaktstücke liegende Silber jedoch leicht, was /u einem großen Materialvcrschleiß (Abbrand) führt. Ferner neigen silberne Kontaktstücke vor allem beim prellenden Schließen von Kontakten leicht /um Verkleben und Verschweißen, so daß sie nur unter Kraftaufwendung (».Schweißkraft«) wieder von einander getrennt werden können. Vor allem in Nicderspannungsschaligeraten werden daher meist Kontaktstücke verwendet, die im Silber eingelagerte Graphit teilchen enthalten, wodurch die Schwcißkrafl wesentlich herabgesel/t wird. Diese Kontaktstücke zeigen auch nur einen geringen elektrischen Kontakt widerstand. Da Graphit nicht benetzbar mn flüssigem Silber ist. werden solche Kontaktstücke in der Regel durch Pi essen und Sintern einer Mischung aus Silberund Graphitpulver bei Temperaturen unierhalb der Schmelztemperatur des Silbers hergestellt. Die so &o erzeugten Sinterwerkstoffe weisen eine hohe Porosität, in der Regel mindestens 5 bis 7 VoL-%, auf und besitzen nur eine geringe mechanische Stabilität. Ferner ist die thermische Und elektrische Leitfähigkeit durch die Einlagerung des Graphites herabgesetzt. Did Folge hiervon ist, daß derartige Sinterwerkstoffe eitlen 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 AbbrandfestigkeiL Verdichtet man daher ein Wolframpulver und tränkt es anschließend mit flüssigem Silber oder Kupfer bei Temperaturen oberhalb deren Schmelztemperaturen, so erhält man einen Tränkwerksioff, 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« Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1964, Seite 148, 149 kann ein Sinter-Tränkwerkstoff hergestellt werden, indem zunächst aus einem Pulver, das Wolfram. Kupfer oder Silber und Nickel enthält, ein Sintergerüst hergestellt und dieses anschließend getränkt wird Fin derartiger Werkstoff weist praktisch keine Porosität mehr auf und seine Härte, Abbrandfestigkeit und 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 Schweißkraii 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.

lim einen Wolfram. Silber oder Kupfer und Graphit enthaltenden Werkstoff in einem Sinterverfahren herzustellen, könnte auf Verfahren mit Warmverdichtung oder Drucksinierung entsprechender Pulvermi schungen zurückgegriffen werden. Dabei scm sich jedoch der Graphit rasch zu Carbid um. Ferner verblcibi auch bei hohen Drucken eine störende Restpomsitat. sobald man versucht, einen Werkstoff mil ncnnenswer ten Ciraphitgehalten herzustellen. Ein Graphiigehalt von 4 Gcw.-% entspricht nämlich z.B. bercitv etwa 18 Vol. % und wegen der schlechten Benetzbarkeit von Giaphit mit Metallschmelzen weist ein derartiger Sinlerwerkstofi keine ausreichende Stabilität auf. Außerdem ist Wolframcarbid, ebenso wie Graphit, durch flüssiges Silber oder Kupfer sehr schlecht benetzbar. Zwar lassen sich durch benelzungsfönlcrncle Zusätze wolframcarbidhaltigc, graphitfreie Tränkwerk stoffe herstellen; jedoch zur Herstellung eines Werk stoffes, bei dem im Silber oder Kupfer Graphttu-ilehen eingelagert sind, erscheint auch cm Tränkverfahren nicht geeignet.

Diese Schwierigkeiten dürften einen Fachmann zunächst davon abhalten, einen Werkstoff der Wolfram, Silber und/oder Kupfer und Graphit enthält, für elektrische Koniaktslücke Vorzuschlagen. D.arübcr hinaus haben Versuche gezeigt, daß sogar ein Verfahren, bei dem der Wolfram/Graphit-Pulvcrmi*

schung schon zur Herstellung des Gerüstes Silber und/oder Kupfer zugemischl wird und anschließend durch Pressen und/oder Sintern das Gerüst hergestellt und mit einer Ag- oder Cu-Schmel/e getränkt wird, nur ivt einem porösen Körper führt, der einen hohen Lichtbogenabbrand aufweist. Selbst wenn man dabei das Gerüst bei Temperaluren 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 Tränkmctalles geeignet.

Zur Herstellung des Sinter-Tränkwerkstoffes 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 Kupfer, dem benelzungsfördernden Metall und ebenfalls mn einem Teil des /u verwendenden Graphits hergestellt und bei Temperaturen /wischen 800 und 1100⁰C in Schutzgasatmosphäre thermisch granuliert wird. Anschließend wird dem Granulat der Rest des /u verwendenden Graphits beigemischt, die Mischung wird z.u einem Gerüst verdichtet und das Gerüst wird mit dem restlichen Silber bzw. Kupfer gesintert und getränkt. Die Pulvermischung enthalt hierbei 2 bis 5Gew.-% Graphit, dem Granulat werden jo vor dem Verdichten weitere 1 bis b Gew.-% Graphitpulver beigemischt, bezogen auf die Pulvermischung.

Die Pulvermiscbung kann vorteilhaft zusammen etwa 10 bis 45 Gew.% Silber und/v/drr Kupfer und 0.1 bis j5 2 Gew.% Eisen, Kobalt und/oder Nid .·! enthalten. Der Wolfranigehalt wird vorzugsweise so bemessen, daß er im fertigen Werkstoff 25 bis 70 Vol.-%. insbesondere 30 bis 60 Vol. % beträgt. Der Wolframgchalt ist hier in Volumcnanteilcn angegeben, da die Graphitanteile z. B. vom unterschiedlichen spezifischen Gewicht von Cu bzw. Ag abhängen.

Die Herstellung des Sinier-Tränkwerkstoffes kann /. B. vorteilhaft so erfolgen, daß die Pulvermischung mit einem Preßdruck zwischen 50 und 200 MN/m² in Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 800 und i IOO"C etwa 10 bis 60 Minuten lang gesintert wird. Die Sinierdaucr wird dabei vorzugsweise um so niedriger gewählt, je höher die Sintertemperaliir 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 5OOMN/m² und der erhaltene Preßkörper wird z. B. bei Temperaturen zwischen 1100 und 1250°C 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 zusammengesinlerien 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 Schweißkrafl von Kontaktstücken aus diesem Sinter-Tränkwerkstoff ist wesentlich geringer als bei einem Tränkwerkstoff aus graphitfretem 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 0,3 und 3.

Anhand von fünf Ausführungsbeispielen w rd die Erfindung nun noch näher erläutert.

Beispiel I

Zunächst wird eine Pulvermischung aus 59 Gew.-°/o Wolframpulver, das durch Reduktion von WOi gewonnen wurde und eine Teilchengröße < 0.06 mm besitzt. 36 Gew.-% Elektrolyse-Silberpulver der Teilchengröße < 0.037 mm, 1 Gew.-% Carbonyleisenpulver der Teilchengröße < 0,015 mm und 4 üew.% Graphitpulver der Teilchengröße 0.037 mm hergestellt und innig gemischt. Unter einem Preßdruck von 100 MN/m² werden Platten hergestellt, die bei 1ICO"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 Teil« hengröße < 0.037 mm gebracht. Dem so gebildeten Granulat werden weitere 4 Gew.-% Graphit beigemengt.

Mit einem profilierten Preßstempel wird die Granulat/Graphilmischung unter einem Preßdruck von ίΟΟΜΝ/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 45OMN/m^? zu einem kantenfesten Körper, der die Form des herzustellenden Kontaktstückes aufweist, verdichtet und bei einer Temperatur von etwa 1100°C 15 Minuten lang unter Wasserstoffatmospärc 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.-°/o auf, wobei etwa die Hälfte des Kohlenstoffs in Form von Graphit, die andere Hälfte in Form von Wolframcarbid vorliegt.

Beispiel 2

Eine Pulvermischung aus 76,8 Gew.-% Reduktions-Wolframpulver(Teilchengröße < 0,04 mm), 1OGew.-°/o Elektrolyse-Silberpulver (Teilchengröße < 0,037), 10Gew.-% Elektrolyse-Kupferpulver (Teilchengröße

< 0,063), ',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/m- Platten hergestellt, diese bei etwa 950⁰C in Wasserstoffatmosphäre 30 Minuten lang gesintert und anschließend zu einem Granulat mit einer Teilchengröße <0,315mm zerkleinert werden. Dem Granulat werden 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 Tränksübers ist wieder so bemessen, daß sie zur vollständigen Porenfüllung ausreicht ur-i sich noch ein geringer Überschuß in dem Preßprofil ansammelt, der zur Bildung einer lötfähigen Verbindungsfläche ausreicht. Der Tränkvorgang selbst erfolgt bei 1200° C während 30 Minuten in Wasserstoffatmosphäre.

Beispiel 3

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

2OGew.-°/o Elektrolyse-Kupferpulver (Teilchengröße

< 0,063 mm), 1,2 Gew.-°/o Carbonyl-Nickelpulver (Teilchengröße < 0,01 mm) und 2Gew.-% Graphit (Teilchengröße < 0,1 mm) wird zur gleichmäßigen Verteilung der Komponenten innig gemischt und thermisch granuliert, indem unter einem Preßdruck von 100 MN/m' Platten hergestellt, diese bei etwa 95O⁰C in Wasserstoffatmosphäre 30 Minuten lang gesintert und anschließend zu einem Granulat mit einer Teilchengröße < 0,315 mm zerkleinert werden. Dem Granulat werden weitere 3 Gew.-% Graphit bdgemischt. Die Verdichtung zu einem Formteil erfolgt in einer Formpresse bei einem Preßdruck von etwa 200 MN/m-¹. Dem so hergestellten Gerüst wird ein Preßkörppr aus Elektrolyse-Kupferpulver untergelegt, der zur vollständigen Porenfüllung ausreicht. Der Tränkvorgang erfolgt bei 1200⁰C während 30 Minuten in Wasserstoffatmosphäre.

Beispiel 4

Ausgehend von einer Pulvermischung von 74,6 Gew.-% Reduktions-Wolframpulver. 20 Gew.-% Elektrolyse-Kupferpulver, 4 Gew.-% Graphit und l,4Gew.-% Carbonyl-Nickelpulver wird ein Granulat hergestellt, dem 6 Gew.-% weiteres Graphitpulver zugesetzt wird. Der Preßdruck zur Herstellung des Granulats und des Preßkörpers beträgt 150 MN/m-'. die Teilchengrößen, Sintertemperaturen und anderen Hcrstellungsdaten entsprechen dem Beispiel 1. Der fertige Formkörper hat die Zusammensetzung WCu46 C6.74 NiO,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 Nil.2 hergestellt und mit 1 Gew.-°/o Graphit zu einem Formkörper verarbeitet. Der Formkörper hat die Endzusammensetzung WAg30Cu7,8 NiO,9 C2.3.

Die nach diesen Beispielen hergestellten Formteile werden als Koniaktstücke in einem Prüfschalter 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:

I. Sinter-Trankwerkstoff für 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 ZO bis 7,0 Gew.-% 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.

Z Verfahren zur Herstellung eines Sinter-Tränk-Werkstoffes nach Anspruch 1, bei dem eine Pulvermischung, die Wolfram, Silber und/oder Kupfer und ein benitzungsförderndes 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 1100°C thermisch granuliert wird und daß dem Granulat vor dem Verdichten weitere I bis 6 Gew.-% Graphitpulver, bezogen auf die Pulvermischung, beigemischt werden.