DE3428276A1 - Werkstoff fuer elektrische kontakte auf der basis von silber mit wolframkarbid und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Werkstoff fuer elektrische kontakte auf der basis von silber mit wolframkarbid und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
- Beschreibung:
- Die Erfindung geht aus von einem Werkstoff für elektrische Kontakte auf der Basis von Silber mit Wolframkarbid, insbesondere zur Verwendung in Vakuumschaltgeräten, bestehend aus einem Wolframkarbid und einen oder mehrere weitere zur Karbidbildung neigende Metallpulver (nachfolgend als Karbidbildner bezeichnet) enthaltenden gesinterten Gerüst, welches 40 - 80 Gewichtsteile des Werkstoffes ausmacht und mit 60 - 20 Gewichtsteilen Silber oder einer Silberbasislegierung getränkt ist.
- Aus der DE- 20 45 173 B2 ist ein Werkstoff für elektrische Kontakte zur Verwendung in Vakuumschaltern bekannt, welcher aus einem porenhaltigen Sintergerüst besteht aus Wolframkarbid% dessen Poren mit 20 bis 60 Gewichtsteilen Silber gefüllt sind, wobei im Gerüst ein Zusatz aus 0,1 bis 5 Gew.-% Nickel und 0,1 bis 1 Gew.-% Kupfer und 0,1 bis 5 Gew.-% Kobalt enthalten ist, der die Benetzung zwischen Sintergerüst und Tränkmetall gewährleiten soll.
- Für Vakuumschaltgeräte, insbesondere bei Einsatz in der Niederspannungstechnik, ist es wichtig, Kontaktwerkstoffe mit niedrigem Abreißstrom zu verwenden. Niedrige Abreißströme zwischen 1,1 A und 4,2 A nennt auch die DE-20 45 173 B2. Bei den daraus bekannten Kontaktwerkstoffen sind jedoch die Spannungsfestigkeit und das WiMerzündverhalten - vorallem bei höheren Strombelastungen - sowie die Lebensdauer der aus diesen Werk- stoffen hergestellten elektrischen Kontakte nicht voll befriedigend.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktwerkstoffe der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass daraus hergestellte Kontaktstücke für Vakuumschalter unter Beibehaltung eines niedrigen Abreißstroms wenigstens in einer der Eigenschaften aus der Gruppe Spannungsfestigkeit, Wiederzündverhalten und Lebensdauer verbessert sind.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
- Die Verbesserung wird erreicht durch einen Zusatz eines oder mehrerer Elemente aus der IV. Hauptgruppe des Periodischen Systems und/oder der Gruppe der Seltenen Erden, welcher entweder dem Gerüst des Werkstoffs oder dem Tränkmetall zugesetzt wird. überraschenderweise werden durch einen solchen Zusatz nicht nur die Spannungsfestigkeit, das Wiederzündverhalten und die Lebensdauer von Kontaktstücken aus einem solchen Werkstück verbessert, sondern auch deren elektrische Leitfähigkeit.
- Auch die erreichbaren Abreißströme werden nicht erhöht, sondern erniedrigt. Überraschend ist nicht nur die günstige Auswirkung des erfindungsgemäßen Zusatzes, sondern auch die Tatsache, daß er bereits in geringen Pnteilen hochwirksam ist: Vorzugsweise verwendet man nur zwischen 0,1 bis 2 Gewichtsteile des Zusatzes im erfindungsgemäßen Werkstoff.
- Der erfindungsgemäße Zusatz erlaubt nicht nur die Herstellung besonders dichter und gasarmer Kontaktwerkstoffe, sondern scheint auch die Oberflächeneigenschaft von Kontaktstücken aus diesem Werkstoff zu stabilisieren, und zwar dahingehend, daß Silber, welches im Schaltbetrieb unter Lichtbogeneinwirkung aus der Kontaktoberfläche herausgelöst wird, durch Silber ersetzt wird, welches aus dem Innern des Kontaktstückes an die Oberfläche diffundiert, sodaß die Kontaktoberfläche nicht an Silber verarmt. Andererseits reichert sich die Kontaktoberfläche aber auch nicht mit Silber über die anfängliche Menge hinaus an, sodaß der günstige Einfluß des Wolframkarbids auf die Spannungsfestigkeit und das Wiederzündverhalten der Kontaktstücke im Schaltbetrieb erhalten bleibt.
- Als erfindungsgemäßer Zusatz eignen sich namentlich die Elemente Zirkon, Hafnium und Titan, wobei das Element Zirkon besonders bevorzugt ist; es wird vorzugsweise in einer Menge von 0,1 bis 1 Gewichtsteil (bezogen auf den Werkstoff) eingesetzt.
- Als Karbidbildner eignen sich im Rahmen der Erfindung vorallem Kobalt, Nickel, Eisen, und Silizium welche in Mengen von 1 bis 2 Gew.-% (bezogen auf die Menge des eingesetzten Wolframkarbids) verwendet werden und die Ausbildung eines besonders festen Gerüstes ermöglichen.
- Ein besonders geeignetes Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Werkstoffes für elektrische Kontakte ist im Patenanspruch 5 angegeben. Das Verfahren beginnt damit, daß man 90 Gewichtsteile eines Wolframkarbidpulvers mit höchstens 10 Gewichtsteilen eines gepulverten Karbidbildners mischt. Die mittlere Korngröße des Wolframkarbidpulvers sollte dabei unter 10 um (Fischer-Wert FSSS), vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 um liegen.
- Die Korngröße des gepulverten Karbidbildners sollte möglichst gering sein und nicht mehr als 30 um betragen; bevorzugt wird eine zwischen 0,5 und 10 um liegende Korngrößenverteilung. Damit wird die Ausbildung eines festen Gerüstes ermöglicht. Ein besonders festes Gerüst ist erwünscht, um die Oberflächeneigenschaften der daraus hergestellten Kontaktstücke zu stabilisieren; ein fester Verbund im Gerüst des Werkstoffs erschwert das Herauslösen von Wolframkarbid-Partikeln aus der Kontaktoberfläche und wirkt sich somit positiv auf die Spannungsfestigkeit, das Wiederzündverhalten, und durch verminderten Abrand auch günstig auf die Lebensdauer aus.
- Es wird angestrebt, das feste Gerüst mit einem möglichst geringen Anteil des zusätzlichen Karbidbildners zu erreichen.
- Als nächstes wird die Mischung aus Wolframkarbid und dem gepulverten Karbidbildner verdichtet. Die Verdichtung soll nur durch leichtes Andrücken geschehen, da Wolframkarbid ohnehin praktisch nicht verpreßbar ist.
- Die in Graphittiegel eingefüllte und leicht verdichtete Mischung wird anschließend gesintert, und zwar in ge- schlossenem Tiegel im Vakuum oder einem Schutzgas, welches mit Wolfram und vorzugsweise auch mit dem Wolframkarbid nicht chemisch reagiert. Das Schutzgas darf demnach keinen Sauerstoff und keinen Stickstoff enthalten. Als Schutzgase könnten Spaltgas oder Wasserstoff verwendet werden.
- Die Sinterung in Graphittiegeinhat den Vorteil, daß dadurch verhindert werden kann, daß das Wolframkarbid in unzulässigem Ausmaß reduziert wird.
- Das Sintern soll bei Temperaturen zwischen 8000 C und 1600° C erfolgen, vorzugsweise zwischen 12000 C und 1400° C. Die Dauer der Sinterung und die Temperatur, bei welcher gesintert wird, bestimmen das Porenvolumen, welches der durch den Sintervorgang erzeugte Rohling (das Gerüst) aufweist. Die Sinterdauer und die Sintertemperatur sind deshalb auf das gewünschte Porenvolumen und damit auf den vorgesehenen Anteil des Tränkmetalls, welches die Leitfähigkeit des Werkstoffes im wesentlichen bestimmt, abzustimmen.
- Als nächstes wird das erhaltene Gerüst mit einer Tränklegierung getränkt; die Tränklegierung besteht aus Silber, evtl. auch aus einer Silberbasislegierung mit kleineren Gehalten (nicht mehr als einige Prozent bezogen auf das Legierungsgewicht) eines Legierungsmetalls wie Wismut, Antimon, Palladium, Kupfer oder Silizium, welche als Zusatz bis zu 20 Gew.-% (bezogen auf das Legierungsgewicht) eines oder mehrere Elemente aus der IV. Nebengruppe des Periodischen Systems und/oder der Gruppe der Seltenen Erden enthält. Eine solche Tränklegierung wird schmelzmetallurgisch hergestellt und im Vakuum oder in einer mit Wolfram und vorzugsweise auch mit dem Wolframkarbid chemisch nicht reagierenden Atmosphäre in das zuvor hergestellte Gerüst infiltriert.Dieser erfindungsgemäße Zusatz eines Elementes aus der IV. Nebengruppe oder der Gruppe der Seltenen Erden könnte zwar anstelle des Tränkmetalls auch der Pulvermischung beigegeben werden, aus welcher das Gerüst des Werkstoffs gebildet wird, der Zusatz zum Tränkmetall hat jedoch den Vorteil, daß dann die Tränkung erleichtert wird, weil die Tränklegierung das Gerüst besser benetzt.
- Als Schutzgasatmosphäre,unter welcher der Tränkvorgang abläuft, kann man dieselbe Atmosphäre wählen, die auch beim Sintern des Gerüstes eingesetzt wird. Die Temperatur beim Tränken wählt man zweckmäßigerweise wenig höher - vorzugsweise etwa 20"C höher - als den Schmelzpunkt der Tränklegierung.
- Das Tränken erfolgt vorzugsweise von unten her, d.h., man bringt zunächst die Tränklegierung in einen Tiegel ein und stellt das zu tränkende Gerüst auf die Tränklegierung. Der Tiegel, mit welchem die Tränklegierung in Berührung kommt, sollte aus einem Werkstoff bestehen, welcher mit der Tränklegierung chemisch nicht reagiert, z.B. aus Aluminiumoxid. Insbesondere bei Verwendung von Zirkon als Zusatz zur Tränklegierung eignet sich auch ein Tiegel aus Zirkonoxid.
- Es ist aber auch möglich, die Tränklegierung zum Tränken auf den gesinterten Rohling aufzulegen.
- Der nach dem Tränken vorliegende Kontaktstückrohling wird in an sich bekannter Weise zur Herstellung des fertigen Kontaktstücks weiter verarbeitet.
- Nachfolgend wird noch ein Ausführungsbeispiel angegeben: 99 Gewichtsteile eines Wolframkarbidpulvers mit einer mittleren Korngröße von 2,5 um (Fischer-Wert FSSS) und 1 Gewichtsteil Kobaltpulver mit einer mittleren Korngröße von 4 um (Fischer-Wert FSSS) werden miteinander vermischt und die Mischung in einen Graphit-Tiegel gegeben, welcher zuvor mit einer wässrigen Graphit-Suspension ausgepinselt worden und danach getrocknet worden ist.
- In dem Tiegel wird die Pulvermischung mit einem schwachen Druck von ca. 1 bar (105N/m2) verdichtet. Danach wird der Preßling mit einer Graphitplatte abgedeckt und in einer Spaltgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1.2500 C 20 min lang gesintert. Der so erhaltene poröse Wolframkarbidkörper wird anschließend in einem Tiegel aus einer Aluminiumoxidkeramik bei einer Temperatur von rund 1.000"C in einer Spaltgasatmosphäre mit einer Legierung aus 97 Gewichtsteilen Silber und 3 Gewichtsteilen Zirkon getränkt. Der Tränkvorgang dauert rund 15 Minuten.
- Das danach noch vorhandene Restporenvolumen ist kleiner als 2 %. Das entstandene Kontaktstück besteht zu rund 40 Gew.-% aus der AGZr3-Legierung.
Claims (8)
- "Werkstoff für elektrische Kontakte auf der Basis von Silber mit Wolframkarbid und Verfahren zu seiner Herstellung" Patentansprüche: 1. Werkstoff für elektrische Kontakte auf der Basis von Silber mit Wolframkarbid, insbesondere zur Verwendung in Vakuumschaltgeräten, bestehend-aus einem Wolframkarbid und 0 bis 10 Gew.-% (bezogen auf die Menge des eingesetzten Wolframkarbids) eines oder mehrerer weiterer zur Karbidbildung neigender Metallpulver (nachfolgend als Karbidbildner bezeichnet) enthaltenden gesinterten Gerüst, welches 40 bis 80 Gewichtsteile des Werkstoffes ausmacht und mit 60 bis 20 Gewichtsteilen Silber otder einer Silberbasislegierung getränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,001 bis 12 Gewichtsteile, vorzugsweise 0,1 bis 2 Gewichtsteile eines oder mehrerer Elemente aus der IV. Hauptgruppe des Periodischen Systems und/oder der Gruppe der Seltenen Erden enthält.
- 2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Zirkon enthält.
- 3. Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,1 bis 1 Gewichtsteil Zirkon enthält.
- 4. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Karbidbildner 1 bis 2 Gew.-% (bezogen auf die Menge des eingesetzten Wolframkarbids) eines oder mehrerer Metalle der aus Kobalt, Nickel, Eisen und Silizium bestehenden Gruppe enthält.
- 5. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes für elektrische Kontakte, insbesondere zur Verwendung in Vakuumschaltgeräten, auf der Basis von Silber mit Wolframkarbid, durch Herstellen eines Wolframkarbid und einen karbidbildenden Zusatz enthaltenden gesinterten Gerüsts und Tränken dieses Gerüsts mit Silber oder einer Silberbasislegierung, gekennzeichnet durch die Abfolge der nachstehenden Verfahrensschritte: a) Mischen von 90 Gewichtsteilen eines Wolframkarbidpulvers mit höchstens 10 Gewichtsteilen eines gepulverten Karbidbildners, b) Einbringen der Pulvermischung in einen Graphittiegel, c) Verdichten der Mischung mit schwachem Druck, d) Sintern der verdichteten Mischung im geschlossenen Graphittiegel im Vakuum oder in einer mit Wolfram und mit Wolframkarbid chemisch nicht reagierenden Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 8000C und 1.600"C, e) Tränken des so erhaltenen porösen gesinterten Rohlings mit Silber oder einer Silberbasislegierung, welche als weiteren Legierungszusatz bis zu 20 Gew.-% (bezogen auf die Menge der Tränklegierung) eines oder mehrere Elemente aus der IV. Nebengruppe des Periodischen Systems und/oder der Gruppe der Seltenen Erden enthält, im Vakuum oder in einer mit Wolfram und mit Wolframkarbid chemisch nicht reagierenden Atmosphäre.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Mischung aus Wolframkarbidpulver und dem Karbidbildner bei einer zwischen 1200"C und 1400"C liegenden Temperatur gesintert wird.
- 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern der Graphittiegel inwendig mit einer flüssigen GraphitpulversuS-pension eingepinselt wird.
- 8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Rohling zum Tränken auf die Tränklegierung aufgelegt wird.
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- 1984-08-01 DE DE19843428276 patent/DE3428276A1/de active Granted
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DE3428276C2 (de) | 1987-08-13 |
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