DE3116680A1 - Kontaktwerkstoff aus einer kupferlegierung und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Kontaktwerkstoff aus einer kupferlegierung und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 7 5 3 1 DE
Kontaktwerkstoff aus einer Kupferlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff aus einer niedriglegierten Kupferlegierung, insbesondere
für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
dieses Kontaktwerkstoffes.
Werkstoffe für elektrische Kontakte müssen zur Verhinderung starker Erwärmung elektrisch und thermisch
gut leiten. Ihre mechanischen Eigenschaften wie z.B. Härte, Festigkeit, elastisches Verhalten sind dem jeweiligen
Anwendungszweck optimal anzupassen. Außerdem sollte ihre Anfälligkeit gegenüber korrosiven Medien
gering sein. Im allgemeinen lassen sich nur auf verhältnismäßig edlen Werkstoffen Anlauf- und Zunderschichten
und damit hohe Kontaktwiderstände vermeiden. Darüber hinaus dürfen Kontaktwerkstoffe beim Schalten
weder kleben noch verschweißen, und ihr Abbrand sowie ihre Materialwanderung sollten gering sein.
Diese und noch weitere, an gute Kontaktwerkstoffe zu stellende Anforderungen werden von Silber, seinen
Legierungen sowie von Verbundwerkstoffen auf Silberbasis dank hervorragender physikalischer und chemischer
Eigenschaften in einem Maße erfüllt, daß diese Materialien in der Niederspannungstechnik eine breite Anwendung
gefunden haben. Silber ist jedoch ein verhältnismäßig teures Material, so daß man bestrebt ist,
es durch andere, kostengünstigere Materialien zu er-
SIm 2 Hag /21. 4. 1981
-ζ- VPA 81 P753 1DE
setzen.Hierbei bieten sich Kupfer und seine Legierungen
an (vgl. z.B. A.Keil: "Werkstoffe für elektrische Kontakte", Springer-Verlag, Berlin I960, insbesondere
Seiten 122 bis 143, oder D.Stöckel u.a.: "Werkstoffe für elektrische Kontakte», Kontakt &
Studium Bd. 43, Expert Verlag, 7031 Grafenau 1/Württ.,
I98O). Die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit
des Kupfers, verbunden mit günstigen mechanischen Eigenschaften, tragbaren Kosten und im allgemeinen
guter Beschaffungsmöglichkeit werden von keinem anderen Kontaktmaterial erreicht. Wegen seines im Vergleich zum
Silber unedleren Charakters, insbesondere seiner Oxidationsfreudigkeit, kann jedoch dieser Werkstoff in reiner
Form vielfach nicht zur Fertigung von Kontaktstücken, insbesondere für Niederspannungsschaltgeräte und Installationsschaltgeräte
wie z.B. für Schütze, Hilfsschütze,Leistungsschalter
oder Schutzschalter herangezogen werden. Zwar lassen sich durch Zulegierung bestimmter
Elemente die Werkstoffeigenschaften dieser Materialien wie z.B. das Oxidationsverhalten verbessern.
Jedoch haben Kontakte aus Kupferlegierungen mit bekannten Legierungspartnern aus kostengünstigen Materialien
bereits nach wenigen Schaltungen im allgemeinen einen verhältnismäßig hohen Kontaktwiderstand, so daß
sie für Niederspannungsschaltgeräte oder Installationsschaltgeräte meistens nicht geeignet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen
Kontaktwerkstoff aus einer kostengünstigen Kupferlegierung anzugeben, der einerseits im Vergleich zum reinen
Kupfer wesentlich niedrigere Zunderraten zeigt und andererseits gleichzeitig zumindest annähernd ähnliche
Kontakteigenschaften hat wie die bekannten, für Kontakte von Niederspannungs- und Installationsschaltgeräten verwendeten
Silberlegierungen. Insbesondere soll ein verhältnismäßig niedriger Kontaktwiderstand gewähr-
.:.- : '.-" : ·..· J. ölte büü
-#- vp ν 81 P 7 5 3 1 DE
leistet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Legierungspartner des Kupfers mindestens ein
Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium · ist, wobei der Antimon-Gehalt zwischen 0,01 und 7
Atom-96 bzw. der Gallium-Gehalt zwischen 0,5 und 20 Atom-96 bzw. der Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und
10 Atom-96 liegen.
10
10
Die genannten Legierungspartner besitzen eine endliche Löslichkeit in festem Kupfer.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch das Zulegieren
der genannten Stoffe zu dem Kupfer einerseits die Korrosionsbeständigkeit des Kontaktwerkstoffs erhöht
wird und andererseits Kontakte mit diesen Legierungsmaterialien in Schaltversuchen einen tolerierbaren
Kontaktwiderstand zeigen. Da diese Kontaktwerkstoffe im allgemeinen kostengünstiger als die bekannten
Silber-Legierungen sind, können sie somit vorteilhaft als Ersatz für die bekannten Kontaktwerkstoffe auf
Silberlegierungsbasis dienen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Kontaktwerkstoffs nach der Erfindung kann die Kupferlegierung
noch mindestens einen weiteren Legierungspartner enthalten. Dieser kann ein oder mehrere Elemente aus der
Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium, Silizium sein, wobei der Cadmium-Gehalt zwischen 0,1 und
2 Atom-96, der Chrom-Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 Atom-96, der Kobalt-Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-96,
der Palladium-Gehalt zwischen 0,1 und 3 Atom-96 und der Silizium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-96 liegen.
-if- VPA 81 P 7 5 3 \ OE
Der Anteil des weiteren Legierungspartners soll dabei höchstens gleich dem Anteil an Antimon oder Gallium
oder Germanium sein.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
wird auf die Tabelle und die Diagramme der Zeichnung Bezug genommen, aus denen Eigenschaften von Kontaktwerkstoffen
nach der Erfindung zu entnehmen sind.
Dabei zeigt das Diagramm der Fig. 1 Häufigkeitskurven der Kontaktspannungen einiger binärer Legierungen
nach der Erfindung. In dem Diagramm der Fig. 2 sind Kontaktspannungen für spezielle Kupfer-Germanium-Legierungen
und in dem Diagramm der Fig. 3 sind Häufigkeitskurven der Kontaktspannungen einiger
ternärer Legierungen nach der Erfindung wiedergegeben.
In der nachfolgenden Tabelle sind Angaben über das Zunder- bzw. Korrosionsverhalten einiger binärer
Kupferlegierungen nach der Erfindung im Vergleich zu reinem Kupfer zu entnehmen. Die genannten Legierungen
können unter Verwendung chemisch reiner Ausgangsmaterialien unter Argon in einem Graphittiegel
erschmolzen und bei Temperaturen zwischen 60O0C und
950 C zur Vermeidung von Seigerungen getempert werden. Die homogenen Körper aus diesen Legierungen
lassen sich nach gebräuchlichen Umformverfahren wie Walzen, Hämmern oder Drahtziehen zu Blechen, Drähten
und Kontaktstücken verarbeiten. Entsprechende Bleche dienten zur Prüfung der Korrosionsbeständigkeit. Die
in der Tabelle in Mikrogramm pro Quadratzentimeter gemessene Gewichtszunahme ^ m der einzelnen Materialien
ist nach Oxidation an Luft nach einer 24stündigen Wärmebehandlung bei 2500C zu erhalten.
1,75 | A m | [/Ug / | cm2] | |
Cu | 1,75 | 160 | - 175 | |
CuSb | 0,2 | 45 | ||
CuGa | 6,0 | 32 | ||
CuGe | 36 | |||
CuGe | 20 | |||
In der Tabelle sind die Anteile der jeweiligen Legierungszusätze zu dem Kupfer in Atom-% vermerkt. Wie
der Tabelle zu entnehmen ist, haben die Legierungen nach der Erfindung eine wesentlich geringere Zunderneigung
als reines Kupfer.
Anhand der Kurven in dem Diagramm der Fig. 1 können Aussagen über den Kontaktwiderstand von Kontaktstücken
aus Werkstoffen gemäß der Erfindung gemacht werden.
In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Kontaktspannung U, in Millivolt angegeben, während auf der
Ordinate die kumulative Häufigkeit W der an einem Schützkontakt gemessenen Kontaktspannung gemäß der
sogenannten Weibull-Statistik aufgetragen ist. Dem
Ausführungsbeispiel der Figur ist ein Schütz mit Kontakten zugrundegelegt, die unter einer mittleren
Belastung von 45 A bei 110 V Wechselspannung unter ohmscher Last etwa 2000 mal geschaltet wurden.
In dem mit I bezeichneten Bereich des Diagramms liegen die Häufigkeitskurven von Kontaktspannungen an Kontakten
aus Kupferlegierungen nach der Erfindung, wobei der Legierungsanteil an Antimon bzw. Gallium bzw.
Germanium jeweils etwa zwischen 1,75 und 7 Atom-% beträgt. Zum Vergleich ist in der Figur eine mit II
-6- VPA 81 P 7 5 3 1 OE
bezeichnete Kurve eingetragen, welche die Häufigkeit der Kontaktspannungen an reinen Kupferkontakten angibt.
Die mit III bezeichnete Häufigkeitskurve ergibt sich für Kontakte aus einem gebräuchlichen
Kontaktmaterial auf Silberbasis, hier für Silber-Cadmiumoxid mit einem Cadmiumoxidgehalt von 15
Volumen-%.
Dem Diagramm der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß die Kontaktspannungen der Werkstoffe und damit auch die
am Kontakt anfallenden übertemperatureh Kontaktspannungen bzw. Kontakterwärmungen bisher gebräuchlicher
Materialien zumindest weitgehend entsprechen Mit den genannten, verhältnismäßig kostengünstigen
Werkstoffen können somit teurere Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis ersetzt werden.
In Fig. 2 sind in einem Diagramm Kontaktspannungen angegeben, die an Kontakten aus binären Kupfer-Germanium-Legierungen
mit unterschiedlicher Germanium-Konzentration zu messen sind. Dabei sind auf der
Abszisse die Germanium-Konzentration in Atom-% und auf der Ordinate die Kontaktspannung U^ in mV für
eine Häufigkeit von 50 % aufgetragen. Dem Ausführungsbeispiel der Figur sind Kontaktspannungen an Kontakten
bei 45 A und 110 V Wechselspannung unter ohmscher Belastung nach 2000 Schaltungen der Kontakte zugrundegelegt.
Wie aus dem Diagramm dieser Figur abzulesen ist, sind insbesondere bei Germanium-Konzentrationen
zwischen 3 und 7 Atom-%, vorzugsweise bei etwa 5 Atom-%,
die Kontaktspannungen und somit die Kontaktwiderstände besonders niedrig. Diese Tatsache ist insofern überraschend, da der spezifische elektrische Widerstand
der Legierungen bei einem Germanium-Gehalt von etwa 5 Atom-% kein Minimum zeigt, sondern einen Wert von
116680
->- VPA 81 P753 IDE
etwa 18 /u Π · cm annimmt. Dieser W. derstand ist größer
als der einer Legierung mit einem ur ter 5 Atom-?6 liegenden
Germaniumanteil. Hieraus laß . sich ersehen, daß ein niedriger Kontaktwiderstand auch mit Materialien
mit verhältnismäßig hohem s -ezifischen elektrischen Widerstand erreicht wird, wenn nur der Fremdschichtwiderstand
niedrig ist (vgl. z.B. die genannten Bücher von A.Keil und D.StöV-kel).
Bei den Ausführungsbeispielen in de:· Tabelle und den beiden Figuren wurde von Kontakowerkstoffen ausgegangen,
die aus einer binären Kupferlegierung bestehen. Gegebenenfalls können diesen Legierungen
noch weitere Elemente hinzugefügt sein, so daß dann beispielsweise ternäre oder quaternire Legierungen
gebildet sind. Hiermit läßt sich z,3. das Korrosionsverhalten oder der Kontaktwiderstand gegenüber den
binären Legierungen noch weiter verbessern. Ais solche
zusätzlichen Legierungsbestandteile, sind insbesondere die folgenden Materialien geeignet:
Cadmium mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 2 Atom-96
oder Chrom mit einem Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 ktom-% oder Kobalt mit einem Gehalt zwischen 0,1 und
1,8 Atom-96 oder Palladium mit einem Gehalt zwischen
0,1 und 3 Atom-% oder Silizium mit einem Gehalt zwischen
0,5 und 10 Atom-96. Selbstverständlich kann als
dritter Legierungsbestandteil auch ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium innerhalb der
im Zusammenhang mit den binären Legierungen genannte Grenzen der Legierungsanteile ausgewählt werden. Der
in Atom-% angegebene Anteil der zusätzlichen, dritten und/oder vierten Legierungsbestandteile ist dabei i.a.
kleiner oder höchstens gleich dem zweiten Legierungsbestandteil an Antimon oder Gallium oder Germanium.
Einige Ausführungsbeispiele solcher ternärer, Germanium
AO
-*. VPA 81 P753 1DE
enthaltender Legierungen sind den in dem Diagramm der Fig. 3 wiedergegebenen Kurven zugrundegelegt, wobei
Meßbedingungen wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß dem Diagramm der Fig. 1 gewählt sind. In dem
Diagramm der Fig. 3 ist auf der Abszisse die Kontaktspannung UL in mV angegeben, während auf der Ordinate
die kumulative Häufigkeit der zu messenden Kontaktspannungen aufgetragen ist. Als Kontaktmaterialien
sind drei spezielle CuGe, X^-Legierungen mit χ Atom-% als Ausführungsbeispiele ausgewählt, nämlich:
CuGe2,5CoO,5 (Kurve a), CuGe2,5SbO,5 (Kurve b) und
CuGe2,9CrO,1 (Kurve c). Außerdem sind zum Vergleich das binäre CuGe3,0 (Kurve d) und ferner ein bekanntes
Kontaktmaterial auf Silberbasis, nämlich AgCdO (Kurve
e) aufgeführt. Aus dem Verlauf der Kurven a bis c in dem Diagramm ist ersichtlich, daß auch ternäre Kupferlegierungen
Kontaktwiderstände aufweisen, die ohne weiteres in der Größenordnung von Kontaktmaterialien
auf Silberbasis liegen. Einen besonders geringen Kontaktwiderstand haben die Legierungen mit Kobalt
als drittem Partner (Kurve a).
Auch die genannten Zusätze zu den binären Kupfer-Antimon-
oder Kupfer-Gallium-Legierungen ergeben ähnliche Kontaktspannungsverhältnisse.
Bei den genannten Ausführungsbeispielen von binären oder ternären Kupferlegierungen als Kontaktwerkstoffen
gemäß der Erfindung wurde davon ausgegangen, daß diese Legierungen auf schmelzmetallurgischein Wege hergestellt
sind. Es ist jedoch ebenso möglich, diese Legierungen pulvermetallurgisch herzustellen. Danach wird ein Gemisch
aus Pulvernder entsprechenden Elemente in dem gewünschten Konzentrationsverhältnis durch Anwendung
von Druck und durch eine Wärmebehandlung, beispiels-
44 ■#- vpk 81 P753 1DE
weise durch Strangpressen, verdicht t und so homogenisiert,
daß durch Feststoffdiffυ>ion die genannten
Legierungen gebildet werden.
10 Patentansprüche
3 Figuren
3 Figuren
Claims (10)
1. Kontaktwerkstoff aus einer niedriglegierten Kupferlegierung,
insbesondere für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte, dadurch gekennzeichnet,
daß der Legierungspartner des Kupfers mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon,
Gallium, Germanium ist, wobei der Antimon-Gehalt zwischen 0,01 und 7 Atom-96 bzw. der Gallium-Gehalt zwischen
0,5 und 20 Atom-% bzw. der Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 ktom-% liegen.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß die Kupferlegierung mindestens einen weiteren Legierungspartner
enthält, und zwar ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium, Silizium,
wobei der Cadmium-Gehalt zwischen 0,1 und 2 ktom-%
bzw. der Chrom-Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 Atom-% bzw. der Kobalt-Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-%
bzw. der Palladium-Gehalt zwischen 0,1 und 3 Atom-% bzw. der Silizium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-%
liegen und wobei der Anteil des weiteren Legierungspartners höchstens gleich dem Anteil an Antimon oder
Gallium oder Germanium ist.
3. Kontaktwerkstoff aus einer Kupfer-Germanium-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch einen Germanium-Gehalt der Legierung zwischen 3 und 7 Atom-%.
4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch einen Germanium-Gehalt der
Legierung von etwa 5 Atom-96.
VPA 81Ρ753 10Ε
5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Anteil des Germaniums teilweise durch Kobalt ersetzt ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet , daß die Legierung erschmolzen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Erschmelzung unter
Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die erschmolzene
Legierung einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die erschmolzene Legierung
bei Temperaturen zwischen 60O0C und 9500C thermisch
nachbehandelt wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet , daß das Kupfer und der mindestens eine Legierungspartner in Pulverform
zusammengepreßt werden und daß in einer thermischen Behandlung die Legierung durch Feststoffdiffusion gebildet
wird.
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