DE3402091C2 - Verbundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, insbesondere für elektrische Kontaktstücke in Schaltgeräten der Energietechnik, bei dem in eine erste metallische Komponente eine zweite metallische Komponente und eine nichtmetallische Komponente heterogen eingelagert sind.

Ein universell und dabei auch für Abtrag durch Schaltlichtbogen/Schaltfunken beständige Kontaktschichten verwendbarer Dünnschicht-Verbundwerkstoff ist in der DE-AS 24 48 738 angegeben. Dabei werden metallische Pulverteilchen, z. B. aus Molybdän, mit einem metallischen Überzug, z. B. aus Silberm versehen und zu einem Dünnschicht-Verbundwerkstoff auf einen metallischen Träger aufgesintert. Die Einlagerung nichtmetallischer Komponenten ist dabei nicht angegeben.

Ein Sinterkontaktwerkstoff für elektrische Kontaktstücke in Schaltgeräten der Energietechnik ist Gegenstand der DE 31 16 442 A1. Dieser besteht aus zwei Grundmetallen Kupfer und Silber, die im Mikrogefüge voneinander getrennt vorliegen. In die Grundmetalle sind Metalloxide, z. B. CdO und Bi₂O₃ eingelagert. Dabei handelt es sich um Kontaktstücke, welche hohe Verschweißfestigkeit, gute Abrandfestigkeit, sowie in Verbindung mit einer hohen Leitfähigkeit eine geringe Erwärmung aufweisen sollen. Die damit erzielbaren Ergebnisse erscheinen jedoch nicht für alle Anwendungszwecke ausreichend. Besonders dann, wenn es sich um Kontaktstücke handelt, die absolut sicher gegen Verschweißung sein müssen, versagen derartige Verbundwerkstoffe.

Die Auswahl der Komponenten der Verbundwerkstoffe richtet sich im wesentlichen nach der an die Kontaktstücke gestellten Hauptforderung. So werden beispielsweise bekannte Silber/Graphit-Verbundwerkstoffe für elektrische Kontaktstücke in Gleich- und Wechselstromschaltgeräten der Niederspannungs-Energietechnik eingesetzt, wenn eine hohe Sicherheit gegen Verschweißen im Vordergrund steht. Der Graphitanteil der Festkontaktstücke beträgt dabei 3 bis 5 Gew.-% (K. Müller und D. Stöckel "Ein neues Verfahren zur Herstellung komplexer graphithaltiger Verbundwerkstoffe", DE-Z Metall 7/1982, S. 743-746). Ein solcher Verbundwerkstoff kann dabei auch in der Weise ausgebildet bzw. hergestellt sein, daß in einem ersten Schritt aufgebohrte und mit Graphitpulver gefüllte Kupferblöcke zu Strängen verpreßt werden. In einem zweiten Schritt wird eine bestimmte Anzahl von Strängen in einem dünnwandigen Hüllrohr aus Silber angeordnet und mit diesem zu einem Kupfer/Silber/Graphit-Verbundwerkstoff verpreßt. Dabei werden die einzelnen Stränge bei dem Preßvorgang in der Weise zusammengepreßt und verdichtet, daß sie im Kernbereich des Verbundwerkstoffes mit jeweils polygonalen Querschnitten aneinanderliegen, während das Material des Hüllrohres auch im Endzustand des Verbundwerkstoffes im wesentlichen in dessen Außenwandbereich angeordnet ist und somit keine zusammenhängende Matrix bildet.

Die Schweißbeständigkeit dieser Werkstoffe ist sowohl beim Einschalten, als auch im geschlossenen Zustand bei Beanspruchung mit höchstens Kurzschlußströmen hervorragend. Silber/Graphit-Verbundwerkstoffe mit 0,5 bis 5 Gew.-% Graphit weisen einen niedrigen Kontaktwiderstand auf, da sich an der Kontaktoberfläche keine festen Oxide bilden. Allerdings bedingt ein die Sicherheit gegen Verschweißen erhöhender hoher Graphitanteil eine stark abnehmende Abrandfestigkeit.

Die Abrandfestigkeit derartiger Silber-/Graphit-Verbundwerkstoffe kann in bekannter Weise durch Zusatz von Nickel, Kupfer und Kupferoxid verbessert werden. Die Herstellung solcher Werkstoffe erfolgt im allgemeinen pulvermetallurgisch durch Sintern, wobei sich eine statistisch regellose Verteilung der C- und Ni-Partikel in der Silbermatrix ergibt. Diese Verbundwerkstoffe haben vor allem bei höheren Nickelgehalten gegenüber binären Silber/Graphit-Verbundwerkstoffen den gravierenden Nachteil einer höheren Erwärmung bei Dauerstrom, die sich durch Oxidation und damit ansteigenden elektrischen Widerstand der Unedelmetallkomponente ergibt.

Zum vorbekannten Stande der Technik gehört ein Kontaktwerkstoff für Dynamobürsten aus der DE-PS 1 54 287, bei dem zuerst mit einem Grundmetall, z. B. Kupfer, beschichtete Kohleteilchen mit einem Zinnüberzug versehen und anschließend durch Löten zu einem Verbundwerkstoff zusammengefügt werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen Verbundwerkstoff der eingangs genannten Art für elektrische Kontaktwerkstoffe so zu verbessern, daß eine hohe Sicherheit gegen Verschweißen im Schaltlichtbogen mit hoher Abrandfestigkeit und geringer Erwärmung beim Stromdurchgang kombiniert wird. Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt mit den Mitteln des Patentanspruchs 1.

Durch den angegebenen Aufbau und die Zusammensetzuung wird ein Verbundwerkstoff mit einer für elektrische Kontaktstücke überraschend günstigen Kombination von Sicherheit gegen Verschweißen, Abrandfestigkeit und Erwärmung erreicht. Diese günstigen Eigenschaften können u. U. damit erklärt werden, daß bei Verwendung von mit unedlerem Metall umgebenen nichtmetallischen Teilchen in der metallischen Matrix aus edlerem Material die Oxidation des unedleren Metalls durch seine örtliche Bindung an die nichtmetallische Komponente und gegebenenfalls durch deren reduzierende Wirkung unterdrückt werden kann. Aus diesem Grunde läßt sich bei Verwendung einer unedlen und einer Edelmetallkomponente in einem solchen Verbundwerkstoff der Anteil des unedleren Metalls erheblich erhöhen und damit eine wesentliche Einsparung des Edelmetallanteils erzielen.

Die Form der Teilchen kann dabei in verschiedener Weise, je nach ihrer Herstellung, als regellose Bruchstücke oder in Kugelform gegeben sein. Die Überzugsschicht der Teilchen kann gegebenenfalls zweckmäßig galvanisch aufgebracht werden.

Die Ausgangsschichtdicke liegt bei einer mittleren Teilchengröße von 0,1-0,3 mm etwa im Bereich von 10-80 µm. Eine vollständig geschlossene Umkleidung der Teilchen ist zwar im allgemeinen anzustreben, jedoch kann eine günstige Wirkung u. U. auch bei teilweise offener Schicht erzielt werden.

Der Begriff der metallischen Komponenten soll sowohl reine Metalle als auch Metallegierungen auf der Basis einer metallischen Komponente einschließen. Die nichtmetallische Komponente besteht aus Graphit, jedoch sind auch mit anderen nichtmetallischen Bestandteilen, wie Oxiden, (z. B. CdO) und Karbiden (z. B. WC) von dem neuartigen Aufbau des Verbundwerkstoffes wesentliche Vorteile zu erwarten.

Die von der unedleren metallischen Komponente umgebenen Teilchen können in der Matrix vorteilhaft in gleichmäßiger Verteilung vorliegen. In einer anderen gegebenenfalls zweckmäßigen Ausbildung können diese Teilchen im Verbund zu Strängen zusammengefaßt sein. Dabei kann vorgesehen sein, daß die Stränge eine Umhüllung aus einem metallischen Werkstoff aufweisen, der mit dem Werkstoff der zur Beschichtung verwendeten Komponente übereinstimmt.

Eine günstige Zusammensetzung kann so aufgebaut sein, daß die nichtmetallische Komponente aus Graphit besteht, und daß die zur Ummantelung benutzte Komponente aus Nickel und die als Matrix benutzte Komponente aus Silber bestehen. Zweckmäßig erscheint dabei ein Graphitanteil von 1 bis 10 Gew.-%, ein Nickelanteil von 5 bis 80 Gew.-% und ein Silberanteil von 10 bis 90 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht des fertigen Verbundwerkstoffes. Erprobt wurde eine Zusammensetzung mit 3 Gew.-% Graphit, 35 Gew.-% Nickel und 62 Gew.-% Silber.

Eine alternative günstige Zusammensetzung eines derartigen Verbundwerkstoffes kann dadurch erreicht werden, daß in den im Vorhergehenden genannten Komponenten und Zusammensetzungen, jeweils der Nickelanteil durch einen Kupferanteil ebenfalls zwischen 5 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise bei 35 Gew.-% gewählt wird. Graphitanteil und Silberanteil bleiben in den angegebenen Grenzen.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen des Verbundwerkstoffes schematisch dargestellt; es zeigt

Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit eingelagerten Teilchen,

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit strangförmig parallel orientierten Einlagerungen.

In Fig. 1 sind kornförmige Teilchen 1 aus Graphit dargestellt, welche einen mittleren Durchmesser von 0,15 mm und eine umgebende Schicht 2 aus Nickel mit einer Dicke von 40 µm aufweisen. Die Partikel befinden sich in einer Matrix 3 aus reinem Silber. Der Graphitanteil beträgt 3 Gew.-%, der Nickelanteil 35 Gew.-% und der Silberanteil 62 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des fertigen Verbundwerkstoffes.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Größe der Graphitteilchen 1 und die Schichtdicke der metallischen Schicht 2 unverändert. Die beschichteten Teilchen wurden jedoch zunächst zu Strängen 4 kompaktiert, und diese gerichtet in die Silbermatrix 3 eingelagert.

Die Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes soll durch ein Ausführungsbeispiel zusätzlich erläutert werden.

Graphitpulver mit einer Teilchengröße <0,15 mm erhält in einem bekannten Elektrolyseverfahren einen Nickelüberzug von 40 µm Dicke. Das mit Nickel überzogene Graphitpulver wird in Rohre aus reinem Silber (Durchmesser 9 mm, Wandstärke 0,3 mm) eingepreßt und ein Bündel dieser gefüllten Rohre anschließend durch indirektes Strangpressen in vier Preßstufen zu einem Verbunddraht mit 5 mm Durchmesser spanlos verformt. Dabei wird der in der ersten Preßstufe hergestellte Verbunddraht mehrfach abgelängt und die Verbunddrähte mit den eingebetteten Strängen der Teilchen wie die ursprünglichen Rohre gebündelt und weiterverformt. Nach vier Preßstufen sind in dem Verbundwerkstoff, dessen Aufbau in Fig. 2 dargestellt ist, 500 000 Stränge in die Silbermatrix eingelagert, welche jeweils die mit Nickel umgebenen Graphitteilchen enthalten.

Zur Erzielung einer günstigen metallischen Verbindung zwischen dem metallischen Matrixmaterial und dem Schichtmaterial, kann gegebenenfalls eine Diffusionsglühung zusätzlich angewendet werden.

Claims (10)

1. Verbundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke, insbesondere in Schaltgeräten für Energietechnik, bei dem in eine erste metallische Komponente eine zweite metallische Komponente und eine nichtmetallische Komponente heterogen eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallische Komponente in Form von Teilchen (1) vorliegt, die von der einen metallischen Komponente (2) als Schicht umgeben sind, und daß diese umgebenen Teilchen einzeln oder in eine Vorzugsrichtung bildenden Verbund in der anderen als Matrix dienenden metallischen Komponente (3) eingelagert sind, wobei die, die umgebende Schicht bildende metallische Komponente (2) aus einem gegenüber der die Matrix bildenden metallischen Komponente (3) unedleren Material besteht.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der unedleren metallischen Komponente umgebenen Teilchen (1, 2) einzeln in der als Matrix dienenden edleren Komponente (3) in gleichmäßiger Verteilung eingelagert sind.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der unedleren metallischen Komponente umgebenen Teilchen (1, 2) im Verbund zu Strängen (4) zusammengefaßt sind.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Graphit bestehen, mit einer Nickelschicht umgeben und in eine Silbermatrix eingelagert sind.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitanteil 1-10 Gew.-%, der Nickelanteil 5-80 Gew.-% und der Silberanteil 10-90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Verbundwerkstoffes, beträgt.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitanteil 3 Gew.-%, der Nickelanteil 35 Gew.-% und der Silberanteil 62 Gew.-% beträgt.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Graphit bestehen, mit einer Schicht aus Kupfer umgeben und in eine Silbermatrix eingelagert sind.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitanteil 1-10 Gew.-%, der Kupferanteil 5-80 Gew.-% und der Silberanteil 10-90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Verbundwerkstoffes, beträgt.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitanteil 3 Gew.-%, der Kupferanteil 35 Gew.-% und der Silberanteil 62 Gew.-% beträgt.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mittleren Teilchengröße <0,15 mm die Dicke der umgebenden Schicht 40 µm beträgt.