DE2932275A1

DE2932275A1 - Material fuer elektrische kontakte aus innen oxidierter ag-sn-bi-legierung

Info

Publication number: DE2932275A1
Application number: DE19792932275
Authority: DE
Inventors: Akira Shibata
Original assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 1978-08-11
Filing date: 1979-08-09
Publication date: 1980-03-06
Also published as: US4242135A; JPS5524954A; FR2433054A1; FR2433054B1; JPS6013051B2; CA1133285A

Description

Benki Kogyo Kabushilci-Kaisha, Tokyo 65 T 5Φ

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Material fife Kontakte aus einer 8ilberlegi*ruBg u«fatmend 9a Bi, wobei die Legiemiag iaeea miAivaa* ist.

Es sind bereits Stoffe der erwähnten Ay* ante ie® US-PS 3 953 436 b«kaant. ie ist ferner bekannt, daß eine Silberlegierung mit mehr ale 5 »e*.-% Sn aioht gut innen oxidiert werden keim und kein brawcnbares innen oq&diertes !toterial for elektrische Ko»*akfce ergibt, und zwar wege» seiner schleckten kristallinen Struktur * ßreaäß der angezogenen ÜS^PS war es möglieb., ein hoch.wärmebestän(ftiges, innen oxidiertes Material für Kontakte aus einer Silberlegierung ait meha? als 3 Gew. -# Sn tier aus teil en _t indea der Legiert«*« Bi zugegeben wurde. Bie Zugebe einer geringen Kenge Bi zu einer solchen Silberlegierung ergibt das PhÄnoaea, daß hierdurch das Vachstum von Silberkristallko««. verlangsamt -werden kann, wodurch die Silbörkristallkörner klein werden, und daß keine Metalloxide innerhalb des kristallinen Silberkorns ausfallen, sondern daß vielmehr der Auefall von Metalloxiden ruad um die Silberkorngrenzen herbeigeführt wird. Dieses Ph-aaomen ergibt eich aus der Tatsache, daß Bi eine feste Lösung mit Sn bei einer hohen Temperatur erzeugen kann, wobei jedoch deren feste Löslichkeit mit Sn und mit Ag bei einer normalen Temperatur extrem niedrig liegt, und ferner aus der Tatsache, daß dit Sauerstoff^Diffuitlt®"»'" geschwindigkeiten rund um die ßilberkorngrenzen gegenüber derjenigen innerhalb des Kornes hoch aind.

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ORIGINAL INSPECTED

Chugai Denki Kogyo Kabuthiki-Kaxaha.* Tokyo 65 P 50

Obgleich solche innen oxidierten Ag-Sn-Bi-Legierungen als Material für elektrische Kontakte marktfähig und industriell herstellbar sind, erweist es sich als ungünstig, daß Zinnoxide, welche rund um die Silberkorngrenzen ausgefällt sind, die Legierung insgesamt brüchig machen, und zwar aufgrund von deren hoher Härte, und daß eine geringere Wärmebestäsdigkeit vorliegt (Zersetzungstemperatur etwa 2000⁰O), wobei der Kontaktwiderstand nicht stets stabil bleibt, so daß sich bisweilen ein anomaler Verbrauch ergibt, wenn eine Anwendung in Verbindung mit Schaltern erfolgt, die einen geringen Kontaktdruck aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist demzufolge die Schaffung eines Materials für elektrische Kontakte aus einer innen oxidierten Ag-Sn-Bi-Legierung mit einem stabileren Kontaktwiderstand und einer geringeren Verschleißgeschwindigkeit, indem der Legierung ein Hilfemetallelement zugegeben wird, welches die mechanischen Kennwerte des Materials, beispielsweise Zugfestigkeit, Längung usw» verbessern kann. Um dies zu erreichen, wurde herausgefunden, daß das Hitfsmetallelement folgenden Bedingungen genügen mu&tei

1. Es kann eine feste Lösung mit dem Silber und in Verbindung hiermit mit Sn eingehen.

2. Es kann Metalloxide mit einem höheren Dampfdruck als Zinnoxide hervorbringen, wobei «ine fcersetzungstemperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Ag entsteht.

3. Es steigert die Härte der Legierung vor der inneren Oxidation und deren Kristallisation,

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Chugai Denki Kog^o Kabushiki-Kaisha, Tokyo 65 P

4. Es hat keine feste Löslichkeit mit Bi bei normaler Oder Raumtemperatur, um nicht die Mechanismen der inneren Oxidation zu stören, welche durch Bi an< den Silberkorngrenzen hervorgerufen werden.

5. Es kann weichere Oxide als Zinnoxide hervorbringen.

6. Es hat einen niedrigen Schmelzpunkt und stört nicht die Kristallisation der Silberlegierung durch Bi.

Als Hilfsmetallelement erwies sich Gu als am günstigsten, Bei Zugabe von Cu zu einer Ag-Sn-»Bi-Legierung und bei innerer Oxidation des Cu wurde das Verhalten des Bi nicht gestört, wodurch sich feine kristalline Strukturen ergaben, in denen die Lösungsmetallelemente rund um die Silberkorngrenzen ausgefällt wurden, was wiederum zu besserer Zugfestigkeit und Längungsrate führte.

Eine maximale Menge von Cu muß innerhalb von desgen fester Löslichkeit mit Ag bei 779°C liegen,d.h., bei 8,8 Gew.-%. Die Menge muß auch innerhalb eines Grenzwertes liegen, welcher nicht unnötig die ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit erniedrigt, die einem Material für Kontakte aus einer innen oxidierten Ag-Sn-Bi-Legierung eigen ist, und zwar infolge von deren Zinnoxiden. Diese Menge würde 50 % Zinn betragen, d.h.

8,5 Gew.-% der gesamten Legierungsmenge. Somit sollte nach der vorliegenden Erfindung die Maximalmenge an Cu einem Wert von 8,5 Gew.-% entsprechen. Da Cu von weniger als 0,5 Gew.-% nicht die Zugfestigkeit und Längungsrate des Materials für Kontakte verbessert, liegt

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die minimale Menge bei 0,5 Gew.-%, Diese Minimalmenge könnte weiterhin erniedrigt werden, wenn die Legierung ein Element oder mehrere Elemente der Bisenfamilie enthält, wie dies nachfolgend näher erläutert ist.

Der minimale Anteil von Sn, welches das andere Lösungsmetall nach der Erfindung darstellt, beträgt 3 Gew.-%, da eine Silberlegierung mit weniger als 3 Gew.-% Sn mit stabilen Strukturen innen oxidierbar ist, sogar ohne jede Zugabe von Bi. Wenn die Legierung mehr als 15 Gew.-% Sn enthält, kann sie nicht völlig innen oxidiert werden, selbst nicht unter Zuhilfenahme des Erfindungsgedankens, so daß die entstehende Legierung für elektrische Kontakte brüchig wird. Daher beträgt die Maximalmenge von Sn nach der Erfindung 15 Gew.-%_o Hinsichtlich Bi soll dessen Maximalanteil, obgleich seine feste Löslichkeit mit Ag bei hoher Temperatur etwa 5,1 Gew.,-% beträgt, 1,0 GeWo-% betragen, um der Legierung eine annehmbare Längungsrate zu verschaffen. Die Minimalmenge beträgt 0,01 Gew.-%, so daß die vorangehend erwähnte Funktion zur Ausfällung der oxidierten Lösungsmetalle rund um die Silberkorngrenzen erreichbar ist =

Die Erfindung schafft demnach ein Material für elektrische Kontakte bestehend aus einer Silberlegierung mit 3-15 Gew.-% Sn, 0,01-1,0 Gew.-ί Bi und 0,5-8,5 Gew_o-% Cu, wobei die Legierung einer inneren Oxidation unterworfen wurde. Eine solche Legierung weist eine gute Zugfestigkeit und Längungsrate auf, was der Legierung einen stabilen Kontaktwiderstand und niedrige Verbrauchsraten sichert.

Wenn ein Anteil an Lösungsmetallen verhältnismäßig groß

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ist, würde die Legierung bei der Durchführung der inneren Oxidation eine Rißbildung zeigen. Um dies zu vermeiden, ist eine Zugabe von weniger als 0,5 Gew,-% von einem oder mehreren Elementen der Eisenfamilie vorzuziehen. Der maximale Anteil dieser Elemente beträgt 0,5 Gew.-%, da deren Löslichkeit mit Silber bei hohen Temperaturen diesem Anteil entspricht. Eine Zugabe von weniger als 0,01 Gew.-% dieser Elemente der Eisenfamilie zu der Legierung kann kaum die Rekristallisationsgeschwindigkeit der Legierung beeinflussen.

Wenn Elemente der Eisenfamilie der Legierung zugegeben werden, ergibt ein Teil derselben eine Legierung mit Kupfer, welche eine feste Löslichkeit mit Ag bei einer normalen Temperatur aufweist, und es kann infolgedessen eine gute Dispersion im Silbergitter erzielt werden, was zu einer weiteren Steigerung der Einheit der Kristallisation der Legierung führt» Da dies auch eine Verbesserung der elektrischen Kennwerte des auf diese Weise erhaltenen Materials für Kontakte beinhaltet, könnte der Anteil an Cu auf 0,1 Gew.,-% erniedrigt werden.

Demzufolge schafft die Erfindung ein Material für elektrische Kontakte bestehend aus einer Silberlegierung mit 3-15 GeWo-% Sn, 0,01-1,0 Gew.-% Bi, 0,1-8,5 Gew=-% Cu und 0,01-O,5 Gew„-% von einem oder mehreren Elementen der Eisenfamilie.

Obgleich derartige nach dem Erfindungsgedanken hergestellte Stoffe für elektrische Kontakte sehr gute Eigenschaften aufweisen, ist darauf hinzuweisen, daß die Legierungen für elektrische Kontakte nach der Erfindung nicht im gleichen Sinne zu betrachten sind, wie innen

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oxidierte Silberlegierungen ohne Bi, jedoch mit Cu. Wie vorangehend ausgeführt wurde, ist eine Ag-Sn-Cu-Legierung mit Bi innen oxidiert, wobei sowohl Sn als auch Cu oxidiert und rund um die feinen kristallinen Silberkorngrenzen niedergeschlagen sind, und zwar aufgrund des Bi-Anteils, wobei das oxidierte Sn in einer großen Menge vorliegend eine hervorragende Temperaturbeständigkeit bedingt und das oxidierte Cu zu einer Verbesserung der mechanischen Kennwerte und einem stabilen Kontaktwiderstand in Bezug auf die Legierung führt. Im Gegensatz hierzu ist es im Falle einer Ag-Sn-Cu-Legierung ohne Bi absolut unmöglich, eine innere Oxidation der Legierung mit 7 Gew.-% Sn durchzuführen. Die innere Oxidation der Legierung mit etwa 5-3 % Sn schreitet fort, während das entstehende Material für Kontakte irreguläre Strukturen aufweist und kaum praktisch als Material für elektrische Kontakte verwendbar ist-

Beispiel

Probe Nr. Legierung Gew.-%

1 Ag-Sn 8,5%-Bi 0,2%

1' Ag-Sn 5%-Bi 0,2%

1-1 Ag-Sn 8,5%-Bi 0,2%- Cu 0,5%

1-2 Ag-Sn 8,5%-Bi 0,2%- Cu 4,2%

2 Ag-Sn 8,5%-Bi 0,2%-Fe 0,2%

2-1 Ag-Sn 8,5%-Bi 0,2%-Fe 0,2%-Cu 2%

2-1' Ag-Sn 5%-Bi 0,2%-Fe 0,1%-Cu 0,1%

2-2 Ag-Sn 8,5%-Bi 0,2%- Ni 0,2%- Cu 2%

2-2· Ag-Sn 5%- Bi 0,2%- Ni 0,1%- Cu 0,1%

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2-3 Ag-Sn 8,5%- Bi 0,2%- Co 0,2%- Cu 2%

2-3' Ag-Sn 5%- Bi 0,2%- Co 0,1%- Cu 0,1%

2-4 Ag-Sn 8,5%- Bi 0,2%-Fe 0,1%- Ni :

0,1%- Cu 2% 2-5 Ag-Sn 8,5%- Bi 0,2%- Fe 0,1%- Co

0,1%- Cu 2% 2-6 Ag-Sn 8,5%- Bi 0,2%- Ni 0,1%- Co

0,1%- Cu 2%

2-7 Ag-Sn 8,5%- Bi 0,2%- Fe 0,07%- Ni

0,07%- Co 0,07%- Cu 2%

Eine Legierung aus den obigen Proben 1 bis 2-7 wurde in einem Hochfrequenz-Schmelzofen bei 1100-120Q°C geschmolzen und in eine Form gegossen, um Blöcke von etwa 5 kg zu erhalten. Jeder Block wurde an seiner Oberfläche geputzt. Danach wurden die Blöcke an ihrer geputzten Oberfläche mit einer reinen Silberplatte mittels einer Hydraulikpresse verschweißt, deren Stempel auf etwa 400°C beheizt wurde. Alsdann erfolgte ein Walzen zu einer Platte von 2 mm Dicke, während ein Anlassen bei 600⁰C in jeder Stufe bei Walzraten von 30 % erfolgte. Diese Platte wurde in einer Sauerstoffatmosphäre über 200 Stunden bei 650 C vollständig innen oxidiert» Die auf diese Weise erhaltenen innen oxidierten Platten wurden durch einen Stempel von 6 mm gepreßt, um elektrische Kontakte von 6 mm Durchmesser und 2 mm Dicke zu erhalten.

Die Probe Nr. 1, welche aus einer bekannten innen oxidierten Legierung aus Ag-Sn-Bi bestand, die Proben Nr.1-1 und 1-2, welche der Probe Nr. 1 entsprachen, jedoch erfindungsgemäß hergestellt wurden, die Probe Nr. I¹, welche aus einer anderen bekannten inneren oxidierten Legierung aus Ag-Sn-Bi bestand, und die Probe Nr. 2, welche der Probe Nr. 1 entsprach, jedoch Fe enthielt, und die Proben

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Nr. 2-1 bis 2-7, welche der Probe Nr* 2 entsprachen, jedoch erfindungsgemäß hergestellt waren, wurden alle in Bezug auf Verschweißungssicherheit und Verschleiß untersucht. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle 1.

1. Versuchsbedingungen im Hinblick auf Verschweißungssicherheit:

Gleichspannung 24OV; Anfangsstrom (Entladungsstrom von einer elektrischen Kondensator-Stromquelle) 7000A; Kontaktdruck 200g. Es wurden 20 Versuche für 5 Gruppen jeder Probe durchgeführt= Ein Paar jeder Probe wurde unter dem erwähnten Kontaktdruck durch ein Gewicht geschlossen und der oben erwähnten plötzlichen Entladung unterworfen« Die Kontakte wurden danach geöffnet, indem das Gewicht entfernt wurde. Wenn die Kontakte nicht geöffnet wurden, konnte man feststellen, daß sie verschweißt waren.

2 ο Versuchsbedingungen des Verbrauches nach dem ASTM-Prüfungsverfahren:

Wechselspannung 200V; Strom 5OA; Kontaktdruck 400g; Freigabekraft 600g; 70 Zyklen pro Minute, insgesamt 50 000 Zyklen ο

Die Versuche wurden für je 5 Gruppen jeder Probe durchgeführt* Deren Durchschnittsverbräuche und Durchschnitts-Spannungsabfälle zwischen ortsfestem und beweglichem Kontakt wurden gemessen» Spannungsabfälle gemäß der folgenden Tabelle 1 sind durchschnittliche Werte, welche bei jeweils 10 000 Zyklen (6V Gleichspannung, IA) gemessen wurden=

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Tabelle

Probe Nr,

Verschweißsicherheit (Anzahl der Verschweißungen)

ASTM-Verbrauch (mg)

Spannungsabfall (m )

1	0
1·	0
1-1	0
1-2	0
2	0
2-1	0
2-1'	0
2-2	0
2-2'	0
2-3	0
2-3·	0
2-4	0
2-5	0
2-6	0
2-7	0

32,1 21,5 18,0 16,4 24,3 12,1 8,9

13,4 6,4 9,6 7,5

14,5 13,1 9,1 8,6

6,72

3,6

3,24

2,41

4,32

1,60

0,95

0,91

0,64

0,81

1,24

1,32

1,65

1,73

Jeweils 5 Gruppen jeder Probe wurden hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit und Längungsrate gemessen. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle 2. Für diese Versuche wurden die vorangehend erwähnten Legierungsblöcke erwärmt und in Drähte von 2 mm Durchmesser gewalzt. Die Drähte wurden innen oxidiert, wie dies vorangehend beschrieben wurde. Eine Prüfmaschine System Amsler wurde für diese Versuche verwendet.

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Chugai Denki Kogyo Kabushiki-Kaisha, Tokyo

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Tabelle 2

Probe Nr=	Zugfestigkeit	Langung <	0,2
	(kg/mm )		0,5
1	15,4	0 -	- 0,9
1'	18,7	0 -	- 1,8
1-1	26,1	0,3	0,3
1-2	28,2	0,8	- 3,1
2	18,4	0 -	- 5,2
2-1	25,1	0,8	- 2,5
2-1'	25,9	4,3	- 4,3
2-2	28,5	0,7	- 2,1
2-2»	26,4	3,2	- 6,0
2-3	22,9	0,8	- 1,2
2-3'	29,1	3,3	- 1,6
2-4	23,1	0,9	- 1,5
2-5	23,5	0,8	- 2,0
2-6	24,1	1,1
2-7	19,3	1,4

Aus den Tabellen 1 und 2 ergibt sich, daß die Stoffe für elektrische Kontakte nach der Erfindung hinsichtlieh ihrer Verschweißsicherheitseigenschaften nicht schlechter als die entsprechenden bekannten Stoffe sind und daß sowohl die erstgenannten als auch die letztgenannten Stoffe eine sehr gute Verschweißungssicherheit aufweisen=, Es ist auch bekannt, daß die erstgenannten

-⁵ Stoffe hinsichtlich Verbrauchsraten besser als die letztgenannten Stoffe sind* Dies bedeutet, daß die Stoffe nach der vorliegenden Erfindung einen stabilen Kontakt--

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widerstand und geringere Verbrauchswerte aufweisen.

Im Hinblick auf Zugfestigkeit und Längung sind die erfindungsgemäßen Stoffe bis zu 30-60 % besser als die entsprechenden bekannten Stoffe. Daher werden durch den Erfindungsgegenstand Stoffe für elektrische Kontakte geschaffen, welche eine sehr gute Verschweißungssicherheit sowie gute mechanische Kennwerte, beispielsweise Zugfestigkeit, Langungsrate u.dgl« aufweisen und darüber hinaus auch stabile Kontaktwiderstände ergeben.

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Claims

65 P

Chugai Denki Kogyo Kabushiki~Kaisha, 15/3» Nihonbashi-Kayabacho 2-chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Material für elektrische Kontakte aus innen oxidierter Ag-Sn-Bi-Legierung

Pat entansprüche

M. Material für elektrische Kontakte aus innen oxiaierter Ag-Sn-Bi-Legierung, gekennzeichnet durch 3-15 Gew.-% Sn, 0,01-1,0 Gew.-% Bi und 0,5-8,5 Gew.-Cu.
2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberlegierung ferner 0,01-0,5 Gew.-% von einem oder mehreren Elementen aus der Eisenfamilie umfaßt und daß der Kupferanteil o;i~8,5 Gew.-% beträgt.

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