DE3346632A1

DE3346632A1 - Verfahren zur herstellung von hochabbrandfesten verbundwerkstoffen fuer elektrische kontakte

Info

Publication number: DE3346632A1
Application number: DE19833346632
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. 6390 Usingen Grünthaler; Fehmi Dr. 6239 Kriftel Nilmen; Heinrich Dr. 6236 Eschborn Winter
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1985-07-18
Also published as: DE3346632C2

Description

Verfahren zur Herstellung von hochabbrandfesten
Verbundwerkstoffen für elektrische Kontakte Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochabbrandfesten Verbundwerkstoffen für elektrische Kontakte durch Einlagerung von Titandiborid- und/oder Zirkondiborid-Teilchen in Metalle guter elektrischer Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, und anschließendes Pressen, Sintern und Nachverdichten.
Es ist bekannt, daß Verbundwerkstoffe aus speziellen Systemen Metall-Metall oder Metall-Metallverbindung sich besonders gut für elektrische Kontaktwerkstoffe eignen.
Vorzugsweise wird als Grundmetall Kupfer oder Silber und als Metall- oder Metallverbindung-Zusatz Wolfram oder Wolframkarbid verwendet. Die Herstellung erfolgt z.B. als Einlagerungsverbundwerkstoff durch Pressen, Sintern und Nachverdichten der Pulvermischung. Wolfram-Kupfer-Werkstoffe mit 60 bis 90 Gew.-% Wolfram werden für Hochspannungsschalter und Ölschalter und Wolfram-Silber- und Wolframkarbid-Silber-Werkstoffe werden für Nieder- und Mittelspannungs-Leistungsschalter eingesetzt. Das Abbrandbild dieser Kontaktwerkstoffe unterscheidet sich grundsätzlich von dem der reinen Metalle. Während bei reinen Metallen unter Einwirkung des Lichtbogens eine große Zahl von Schmelzentröpfchen unregelmäßig abgeschleudert werden, bleibt die Oberfläche der Verbundwerkstoffe gleichmäßig und nur gering aufgerauht. Die höher schmelzende Einlage rung aus Wolfram oder Wolframkarbid wird durch die dazwischenliegenden, niedriger schmelzenden Metalle, wie Kupfer oder Silber, durch eine Verdampfungskühlung geschützt.
Die Schmelztemperatur der Einlagerung liegt höher als die Verdampfungstemperatur des Grundmetalles, die im wesentlichen die Temperatur des Lichtbogenfußpunktes bestimmt.
Die zum Verdampfen benötigte Energie verhindert das weitere Ansteigen der Fußtemperatur des Lichtbogens und schützt so die Einlagerung. Erst nach Verarmung an dem Grundmetall brennt die höher schmelzende Komponente mit ab.
Nach einem bekannten Verfahren werden durch gerichtete Erstarrung von Kupfer/Titandiborid- oder Kupfer/Zirkondiborid-Schmelzen elektrische Kontakte hergestellt, die sich jedoch nicht für den Einsatz als hochabbrandfeste Kontakte eignen (DE-OS 22 03 776). Ferner ist bekannt, daß z.B. Zirkondiborid als abbrandfeste Komponente in Verbundwerkstoffen für Kontaktzwecke keine Vorteile hinsichtlich des Zunderverhaltens gegenüber Wolfram oder Molybdän bietet (A. Keil, Z. Metallkunde 47, 1956, April, S. 243-346).
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, nach dem Verbundwerkstoffe aus Metallen guter elektrischer Leitfähigkeit und Zirkondiborid und/oder Etandiborid hergestellt werden können, welche sich gegenüber den vergleichbaren bekannten Kontaktwerkstoffen vor allem durch eine wesentlich erhöhte Abbrandfestigkeit und geringem Kontakt- widerstand auszeichnen. Das Verfahren sollte außerdem ohne nennenswerte Steigerung des Aufwandes durchführbar sein.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf Borid-Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 1,5 bis 8,5 um in einem Reduktionselektrolyten stromlos Kupfer oder Silber abgeschieden wird, wobei der Anteil an Kupfer oder Silber in dem nach Pressen und Sintern der beschichteten Teilchen erhaltenen Werkstoff 15 bis 55 Vol-% beträgt.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden hochabbrandfeste Verbundwerkstoffe mit relativ geringem Aufwand erhalten.
Zugleich bieten die guten Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoffe mit Kupfer als Grundmetall, insbesondere ihre auch im Dauerbetrieb an Luft geringe Zunahme des Kontaktwiderstandes, die Möglichkeit, die wesentlich teureren bekannten Kontaktwerkstoffe mit Silber als Grundmetall zu ersetzen. Durch die Beschichtung der Borid-Teilchen mit dem Grundmetall wird eine exakt gleichmäßige Verteilung der Borid-Teilchen in der Matrix erhalten.
Andererseits führt die erfindungsgemäße Methode zu einem äußerst geringen Porenvolumen und damit zu einer wesentlichen Verbesserung der Abbrandeigenschaften und des Kontaktwiderstandes, verglichen mit Verbundwerkstoffen, welche durch Mischen der Boridpulver mit den Matrixpulvern entsteht.
Die erfindungsgemäß verwendeten Borid-Teilchen bestehen aus Titandiborid, Zirkondiborid oder aus Mischphasen aus Titandiborid und Zirkondiborid, d.h. Ti Zr B Vor x 1-x 2 zugsweise werden die Teilchen plasmametallurgisch hergestellt.
Solche Verfahren sind bekannt und insbesondere in J. Less Common Metals, 11, 1966, S. 365-375, beschrieben. Erfindungsgemäß werden nur Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 1,5 bis 8,5 um, vorzugsweise 1,5 bis 5,0 um, verwendet.
Zur Beschichtung mit dem Grundmetall werden die Teilchen ca. 10 bis 20 Minuten in einer Lösung aus Zinkchlorid und Salzsäure sensibilisiert. Zur stromlosen Abscheidung des Grundmetalls werden dann an sich bekannte Reduktionselektrolyten verwendet. Durch Einstellung der in den Reduktionselektrolyten zugegebenen Menge an Boridpulver läßt sich die Schichtdicke einstellen. Die Schichtdicke sollte so sein, daß im resultierenden Werkstoff der Anteil an Grundmetall 15 bis 55 Vol.-% beträgt. Die beschichteten Teilchen werden unter einem Druck von bis zu 10 k bar gepresst, dann bei 600 bis 950"C gesintert und anschließend kalt nachverdichtet.
An dicht gesinterten Formkörpern aus auf plasmametallurgischem Wege gewonnenen Titandiboridpulvern wird ein elektrischer Widerstand von 10 bis 12 vn cm, an solchen aus Zirkondiboridpulvern ein elektrischer Widerstand von 7 bis 9 Un cm gemessen. Den geringsten elektrischen Widerstand weisen Mischphasen aus Titandiborid und Zirkondiborid auf. So erreicht das Mischborid Tio 5 Zr B2 einen elektrischen Widerstand von nur 6 bis 8 V n cm.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Beispiel Auf plasmametallurgischem Wege hergestellte Titandiborid-Pulverteilchen eines mittleren Durchmessers von 2um werden nach Benetzen mit Wasser abdekantiert und in einer Lösung aus 25 g/l Zinkchlorid und 15 ml/l 25 %iger Salzsäure ca. 15 Minuten sensibilisiert. Die Teilchen werden dann mit Wasser gespült und nach dem Abdekantieren in ein Bad gegeben, das wie folgt zusammengestellt ist: 170 g/l Formaldelyd 10 g/l Titriplex 3 7,5 g/l Natriumcarbonat 10 g/l Triethanolamin 35 g/l Kupfersulfat (5x Kristall H2 0) 50 g/l Natriumhydroxid Rest Wasser.
In dem Bad wird auf Titandiborid-Teilchen eine Kupfer schicht von ca. 0,3 um abgeschieden. Das resultierende Verbundpulver wird mit einem Druck von 5 k bar verdichtet und unter Argon bei 950" C gesintert. Die resultierenden Schaltstücke und Kontakte zeigen ein gutes Abbrandverhalten und einen niedrigen Kontaktwiderstand im Schaltbetrieb.

Claims

Verfahren zur Herstellung von hochabbrandfesten Verbundwerkstoffen für elektrische Kontakte =============================================== Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von hochabbrandfesten Verbundwerkstoffen für elektrische Kontakte durch Einlagerung von Titandiborid- und/oder Zirkondiborid-Teilchen in Metalle guter elektrischer Leitfähigkeit,wie Kupfer oder Silber,und anschließendes Pressen, Sintern und Nachverdichten, dadurch gekennzeichnet, daß auf Borid-Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 1,5 bis 8,5 um in einem Reduktionselektrolyten stromlos Kupfer oder Silber abgeschieden wird, wobei der Anteil an Kupfer oder Silber in dem nach Pressen und Sintern der beschichteten Teilchen erhaltenen Werkstoff 15 bis 55 Vol-% beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß plasmametallurgisch hergestellte Borid-Teilchen einer mittleren Teilchengröße von 1,5 bis 5,0 um verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke durch die in das Bad aus Reduktionselektrolyten zugegebene Menge an Borid-Teilchen eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Borid-Teilchen vor der Beschichtung in einer Lösung aus Zinkchlorid und Salzsäure für die Dauer von 10 bis 20 Minuten sensibilisiert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern der beschichteten Teilchen bei einer Temperatur von 600 bis 950" C durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Borid-Teilchen Mischphasen aus Titandiborid und Zirkondiborid verwendet werden.