DE2824117A1

DE2824117A1 - Verfahren zum herstellen eines anisotropen sinterverbundwerkstoffes mit richtgefuege

Info

Publication number: DE2824117A1
Application number: DE19782824117
Authority: DE
Inventors: Horst Prof Dr Techn Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-06-01
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1979-12-06
Also published as: JPS54158311A; FR2427157B1; GB2022145A; JPS6123849B2; FR2427157A1; GB2022145B

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 7 5 14 QRD

Verfahren zum Herstellen eines anisotropen Sinter- verbundwerkstoffes ait Richtgefüge

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines anisotropen Sinter-Verbundwerkstoffes mit Richtgefüge für elektrische Kontaktstücke für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik aus einem Silber-Unedelmetalloxid-Verbundpulver (AgMeO), das aus Legierungspulver aus Silber mit einem Unedelmetall durch Oxidation hergestellt wird, zu einem Formkörper verdichtet, gesintert und dieser umgeformt wird.

Kontaktstoffe des Systems AgMeO und Verfahren zu ihrer Herstellung sind bekannt (DE-PS 1 029 571). Wegen ihrer günstigen EigenschaftsSpektren werden sie als Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energietech nik eingesetzt. Es gibt Silberlegierungen mit einem Unedelmetall, die sich bei der Oxidation im Inneren der Silbermatrix nicht feinteilig ausscheiden lassen. In diesen Fäir.en erfolgt die Oxidation überwiegend als

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Deckschicht an der Oberfläche von Blechen bzw. von Pulverteilchen. Für die pulvermetallurgische Herstellung von Formteilen aus Verbundpulver sind bisher Fällungsmischpulver oder inneroxidierte Legierungspulver, d.h. Pulver mit feinen mit Oxidausscheidungen im Silbergitter verwendet worden. Für die pulvermetallurgische Herstellung von Kontaktstücken wurden bisher ausschließlich inneroxidierte Verbundpulver verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Werkstoffe der genannten Art als Material für elektrische Kontaktstücke mit noch weiter verbesserten Kontakteigenschaften zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch geeignete Wahl des Legierungszusatzes bei der Oxidation der Pulverteilchen der Silber-Unedelmetall-Legierung um diese überwiegend eine äußere Deckschicht aus Unedelmetalloxid gebildet wird und daß der Formkörper durch Warmstrangpressen mit einem Umformgrad von mindestens 50 % umgeformt wird.

Als unedle Legierungszusätze werden bevorzugt mindestens eines der Metalle Zink oder Kupfer verwendet.

Bisher wurden Silberlegierungen, die eine Deckschichtoxidation aus dem Unedelmetalloxid ergeben, deshalb nicht für die Herstellung von Kontaktstücken eingesetzt, da eine ungleichmäßige Oxidverteilung befürchtet wurde.

Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, daß auch deckschichtoxidierte Metallpulver, z.B. AgZnO, mit einer ZnO-Schicht, AgSnO₂ mit einer SnO₂-Schicht bzw. AgCuO mit einer CuO-Schicht an der Silberpulverteilchenoberfläche zu kantenfesten Preßkörpern verdichtet und durch Sintern verfestigt werden können. Überraschend tritt beim Warmumformen bei einem Umformgrad von mehr als 50 % z.B.

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durch Strangpressen eine durchgreifende Gefügeveränderung auf. Bei der Umformung reißen die Oxiddeckschichten an den Pulverteilchen auf und werden zu perlenschnurartigen Gebilden umgeformt, die parallel zur Strangpreßrichtung liegen. Die dabei auftretenden Gefügeänderungen wirken sich sehr positiv auf die Eigenschaftsspektren dieser Kontaktwerkstoffe aus. Es handelt sich hierbei um die Schweißkraft, Abbrand- und Kontaktwiderstandswerte .
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Anhand der Zeichnung und der Ausführungsbeispiele wird die Erfindung noch näher beschrieben.

In den Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 sind die Mikrogefüge eines AgSnO₂ 10,5 bzw. eines Ag 93,5 Zn 6,5 Kontaktwerkstoffes dargestellt, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurden. In Fig. 1 und 3 ist das Mikrogefüge jeweils parallel zur Strangpreßrichtung geschnitten dargestellt. In Fig. 2 und 4 ist das Mikrogefüge senkrecht zur Strangpreßrichtung geschnitten dargestellt.

Beispiel 1

Herstellung des Kontaktwerkstoffes AgSnO₂I0,5 (Gew.-90 entsprechend 15,3 Vol.-96 SnO₂. Aus den Metallen Silber und Zinn wurde eine Legierung der Zusammensetzung Ag91,5Sn8,5 (Gew.-96) hergestellt. Die schmelzflüssige Legierung wurde wie in Beispiel 1 zu Metallpulver druckverdüst. Nach Absieben des Legierungspulvers <0,15 mm wurde es an Luft während 8 h bei 800 ⁰C wärmebehandelt. Um ein stärkeres Zusammenkleben des Pulvers zu vermeiden, wurde anfangs öfter, später im Halbstunden-Abstand umgerührt. Die Vollständigkeit der Oxidation wurde an der Gewichtszunahme kontrolliert. Das eingebettete PuI-ver wurde für einen metallographischen Schliff präpariert. Das Zinnoxid bedeckt als Schicht praktisch aus-

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schließlich die Pulverteilchenoberflächen. Eine innere Oxidation, d.h. Feinausscheidungen im Inneren der Pulverteilchen, ist kaum nachweisbar. Das AgSnO₉IO,5 (Gew.-#) - Pulver wurde mit 800 MN/m zu zylindrischen Formkörpern vom Durchmesser 38 mm verdichtet. Nach Sinterung während 1 h bei 850 ⁰C an Luft wurden die Sinterkörper bei einer Temperatur oberhalb 600 ⁰C stranggepreßt. Der Strangdurchmesser von 10 mm ergab einen Umformgrad von 93,1 %* Auch hier liegt die Poro sität des Preßstranges bei < 1 %, Das Kontaktmaterial zeigt ein ganz charakteristisches GefUge und unterscheidet sich von den bekannten stranggepreßten Kontaktwerkstoffen. In Fig. 1 (200:1), mit der Schliffebene parallel zur Strangpreßrichtung sind die langge- streckten Silberkörper mit den SnO₂-ZwIschenschichten deutlich zu erkennen. In Fig. 2 (200:1), mit der Schliffebene senkrecht zur Strangpreßrichtung, ist das Gefüge relativ gleichmäßig, da hierbei die langgestreckten Silberkristall!te senkrecht zu ihrer Längsausdeh- nung geschnitten sindr Auf einem Prüfschalter (vgl. Z.f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 381-389 (1976)) wurden Prüfschalterwerte mit gleich zusammengesetztem stranggepreßtem AgSnOg-Werkstoff, der aus der Pulvermischung hergestellt wurde, verglichen.

Bei Einsatz des Kontaktwerkstoffes parallel zur Strangpreßrichtung liegt der Abbrandwert um 15 % günstiger als bei der Pulvermischung, beim Einsatz mit der Kontaktebene senkrecht zur Strangpreßrichtung liegt er um ca. 30 % günstiger. Die entsprechenden Schweißkraft werte liegen bei beiden Werkstoffen um 100 N, d.h. der Werkstoff hat ein sehr gutes Einschaltvermögen. Die Kontaktwiderstände R_R1 (R_Kqq g-Wert in mft) liegen bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff mit 0,26 etwas höher als bei einem vergleichbaren AgZn08-Werkstoff.

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Beispiel 2

Aus den Metallen Silber und Zink wurde eine Legierung der Zusammensetzung Ag93,5Zn6,5 Gew.-# hergestellt. Die Legierung wurde durch Druckverdüsung in ein gleich zusammengesetztes Legierungspulver Überführt. Als Druck medium kann Wasser oder Luft bzw. ein Gemisch beider verwendet werden. Die VerdUsungsbedingungen sind so gewählt, daß über 90 % alt einer Teilchengröße <0,2 mm anfallen. Nach dem Trocknen wird das Pulver abgesiebt (Siebgröße 0,2 mm). Das Pulver wurde an Luft während 6 h bei 800 ⁰C wärmebehandelt, wobei es in Kästen aus hitzebeständigem Stahl bei einer Füllhöhe von 20 mm anfangs öfter, später alle halben Stunden umgerührt wurde. Die Vollständigkeit der Oxidation wurde an der Größe der Gewichtszunahme ermittelt und kontrolliert. Nach der Oxidation hat das Verbundpulver die Zusammensetzung AgZnO 8 Gew.-S, entsprechend 14,2 Vol.-% ZnO. Das Pulver wurde in Kunststoff eingebettet und ein metallographischer Schliff für ein Gefügebild angefer tigt. Es zeigte sich überwiegende äußere Oxidation indem jedes einzelnen Pulverteilchen von einer ZnO-Deckschicht umgeben ist. Nur ein kleiner Teil (weniger als 10 56) ist im Inneren der Pulverteilchen in Form von ZnO-Ausscheidungen vorhanden. Das Pulver wurde mit 800 MN/m zu zylindrischen Formkörpern vom 0 33 mm verdichtet. Nach Sinterung während 1 h bei 850 ⁰C an Luft wurde es nach Abkühlung und erneuter Erwärmung auf Strangpreßtemperatur oder unmittelbar nach der Sinterung bei einer Temperatur oberhalb 600 ⁰C stranggepreßt. Der Strangdurchmesser betrug 10 mm, der dabei aufgetretene Umformgrad 93,1 %. Die Porosität des stranggepreßten Werkstoffes liegt bei < 1 %. Das Kontaktmaterial zeigt die in Figuren 3 und 4 (100:1) gezeigte Ausrichtung in Strangpreßrichtung. Bei der Umformung sind die ZnO- Hüllen um die einzelnen Pulverteilchen aufgerissen und parallel zur Strangpreßrichtung ausgerichtet. Das Kon-

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taktmaterial kann parallel oder senkrecht zur Strangpreßrichtung eingesetzt werden. Am Beispiel Kontaktebene parallel zur Strangpreßrichtung soll die Eigenschaftsverbesserung des beschriebenen Werkstoffes gegenüber einem gleichzusammengesetzten Werkstoff, der aus der AgZnO-PuIVermischung durch die gleichen Verfahrensschritte Pressen, Sintern und Strangpressen hergestellt ist, aufgezeigt werden. Auf einem Prüfschalter (Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 381-389 (1976)) wurden die auf Messingträger gelöteten Kontaktstücke der Größe 10 χ 10 mm unter Standard-Prüfbedingungen schaltbelastet. Ia Vergleich zu de» aus der Pulvermischung hergestellten gleich zusammengesetzten AgZnO8-Werkstoff hatte der erfindungsgemäße Kontakt werkstoff einen um 30 % kleineren Abbrandwert bei etwa gleicher Schweißkraft und etwa gleichem Kontaktwiderstand Κ_νΛ (nach dem Einschalten gemessen). Der Volumenabbrandwert betrug 29 mnr gegenüber 41 mnr. Die Schweißkraftwerte Fggg _g lagen in beiden Fällen zwischen 100 und 160 N. Der Kontaktwerkstoff ist vor allem für hochbelastete Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik, wie z.B. Schütze, von besonderem Vorteil.

Beispiel 3

Kontaktwerkstoff AgCuO9,7 Gew.-96 entsprechend 15 Vol.-96 CuO.

Aus den Metall Silber und Kupfer wurde eine Legierung der Zusammensetzung Ag92,2Cu7,8 Gew.-% hergestellt. Wie in den oben genannten Beispielen wurde die Legierung zu einem entsprechenden Legierungspulver druckverdüst. Das abgesiebte Pulver l 0,2 mm wurde an Luft während 6 h bei 700 ⁰C wärmebehandelt. An der Gewichtszunahme wurde die Vollständigkeit der Oxidation kontrolliert. Nach der Oxidation wird ein Verbundpulver aus AgCuO9,7 Gew.-96 erhalten. Der metallographische Schliff des Verbundpulvers zeigt überwiegende Deckschichtoxidation und nur

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vereinzelt CuO-Ausscheidungen im Inneren der Pulverteilchen. Das Pressen des Pulvers erfolgte mit 800 MN/«² zu zylindrischen Formkörpern vom Durchmesser 38 hub, die Sinterung der Preßkörper erfolgte während 1 h bei 8^0 ⁰C an Luft. Das Strangpressen zu einem Strangdurchmesser von 10 mm erfolgte bei 600 ⁰C. Die Porosität des stranggepreßten Werkstoffes liegt bei <£ 1 %, Die charakteristischen GefUgebilder dieses Werkstoffes stimmen in ihren Merkmalen mit den beiden oben genannten Beispielen gut Uberein. Im Vergleich zu den Kontaktwerkstoffen nach Beispielen 1 und 2 liegt der Abbrand-Mittelwert zwar bis um den Faktor 2 höher, beim direkten Vergleich mit der gleich zusammengesetzten, aus der Pulvermischung hergestellten stranggepreßten Qualität liegt er jedoch Über 25 # besser. Die Schweißkraftwerte des erfindungsgemäßen AgCuO-Werkstoffes liegen im Vergleich zu AgZnO und AgSnO günstiger. Der Kontaktwiderstand R_K1(_{99 g}\ liegt etwa gleich wie AgZnO8. Für besondere Anwendungsfälle, bei denen es auf niedrige Schweißkraftwerte ankommt, ist der genannte erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff günstig.

Da die AgMeO-Kontaktwerkstoffe vom flüssigen Hartlot nur schlecht benetzt werden, ist zur Erzielung einer guten Verbindung mit dem Trägermetall eine Oberflächenbehandlung der zu lötenden Fläche vorzunehmen. Diese Oberflächenbehandlung kann z.B. mit einer reduzierenden Flamme oder durch Herauslösen der Oxidkomponente aus einer Oberflächenschicht mittels einer Säure erfolgen.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten

Kontaktwerkstoffe zeichnen sich durch günstige Schweißkraft, Abbrand- und Kontaktwiderstandswerte aus. Die normierten Einzelwerte liegen unter denen der dafür geforderten Grenzwerte. Außerdem liegt der normierte Summenwert aller drei Eigenschaften (Schweißkraft +

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Abbrandwerte + Kontaktwiderstandswerte) im Vergleich zu anderen Kontaktwerkstoffen bei günstigeren Werten.

3 Patentansprüche

4 Figuren

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines anisotropen:· Sinter-Verbundwerkstoffes mit Richtgefüge für elektrische

Kontaktstücke für Niederspannungsschaltgeräte der
Energietechnik aus einem Silber-Unedelmetalloxid-Verbundpulver (AgMeO), das aus Legierungspulver aus Silber mit einem Unedelmetall durch Oxidation hergestellt wird, zu einem Formkörper verdichtet, gesintert und dieser

umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl des Legierungszusatzes bei der Oxidation der Pulverteilchen der Silber-Unedelmetall-Legierung
(AgMe) um diese überwiegend eine äußere Deckschicht aus Unedelmetalloxid gebildet wird und daß der Formkörper durch Warmstrangpressen mit einem Umformgrad von
mindestens 50 % umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungszusatz Zink verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungszusatz Kupfer verwendet wird.

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ORIGINAL INSPECTED