DE3428276C2

DE3428276C2 -

Info

Publication number: DE3428276C2
Application number: DE19843428276
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Dr. Frey; Norbert Dipl.-Ing. Klink; Karl E. Dipl.-Phys. 7530 Pforzheim De Saeger
Original assignee: DODUCO KG DR EUGEN DUERRWAECHTER 7530 PFORZHEIM DE
Current assignee: Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 1984-08-01
Filing date: 1984-08-01
Publication date: 1987-08-13
Also published as: DE3428276A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Werkstoff für elektrische Kontakte mit der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Zusammensetzung.

Aus der DE-OS 20 45 173 ist ein solcher Werkstoff bekannt, welcher aus einem porenhaltigen Sintergerüst aus Wolfram karbid besteht, 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 zwi schen Sintergerüst und Tränkmetall gewährleisten soll.

Für Vakuumschaltgeräte, insbesondere bei Einsatz in der Niederspannungsstechnik, ist es wichtig, Kontaktwerk stoffe mit niedrigem Abreißstrom zu verwenden. Niedrige Abreißströme zwischen 1,1 A und 4,2 A nennt auch die DE-OS 20 45 173. Bei den daraus bekannten Kontaktwerk stoffen sind jedoch die Spannungsfestigkeit und das Wiederzündverhalten - vor allem bei höheren Strombe lastungen - sowie die Lebensdauer der aus diesen Werk stoffen hergestellten elektrischen Kontakte nicht voll befriedigend. Ein Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, jedoch mit reinem Silber oder Kupfer als Tränkmetall, ist aus dem DE-Buch "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe" von A. Keil u. a., Springer Verlag 1984, Seiten 196 und 197, 204 bis 206 und 359 bekannt.

Aus der DE-AS 10 81 950 ist die Verwendung einer Legierung aus Kupfer mit einem Metall aus der Gruppe der Seltenen Erden, nämlich z. B. Cer, als Tränkmetall für ein Wolframkarbid gerüst zur Herstellung von Vakuumschalterkontakten bekannt. Das Cer dient dazu, den Kontaktwerkstoff hart und spröde zu machen, ihm einen möglichst hohen Schmelzpunkt zu ver leihen. Außerdem erwähnt diese Druckschrift die Eignung der Kupfer-Cer-Legierung Cu₂Ce für Lichtbogenelektroden, die wegen der niedrigen Austrittsarbeit des Cers niedrige Ab reißströme ermöglichen.

In dem DE-Buch "Werkstoffe für elektrische Kontakte" von A. Keil, Springer Verlag 1960, Seiten 155 bis 158, sind eine Anzahl von Legierungen auf Silberbasis offenbart, darunter jedoch keine mit Legierungsmetallen aus der IV. Nebengruppe oder aus der Gruppe der Seltenen Erden.

In dem DE-Buch "Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte" von H. Schreiner, Springer Verlag 1964, Seiten 146 bis 149, 163, 164, 186 bis 190 ist ein Verfahren zum Herstellen von Kontaktwerkstoffen aus Wolframkarbid mit Silber be kannt, gemäß welchem das Wolframkarbidpulver, ggfs. mit einem beigemischten Zusatz von nicht mehr als 5% Nickel-, Eisen- oder Kobaltpulver, zunächst gepreßt, dann bei Temperaturen bis 1600°C und darüber gesintert und das dadurch erhaltene Sintergerüst in einer Graphitform durch Auflage- oder Unterlagetränkung mit Silber getränkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktwerk stoffe 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 Spannungsfestig keit, Wiederzündverhalten und Lebensdauer verbessert sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Überraschenderweise werden durch einen erfindungsgemäßen Zusatz zum Tränkmetall nicht nur die Spannungsfestigkeit, das Wiederzündverhalten und die Lebensdauer von Kontakt stücken aus einem solchen Werkstoff verbessert, sondern auch deren elektrische Leitfähigkeit. Die erreichbaren Abreißströme werden nicht erhöht, sondern erniedrigt. Überraschend ist nicht nur die günstige Wirkung des er findungsgemäßen Zusatzes zum Tränkmetall, sondern auch die Tatsache, daß er bereits in geringen Anteilen hochwirk sam ist: Vorzugsweise verwendet man nur zwischen 0,1 bis 2 Gewichtsteile des Zusatzes im erfindungsgemäßen Werk stoff.

Der erfindungsgemäße Zusatz erlaubt nicht nur die Her stellung 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 her ausgelöst wird, durch Silber ersetzt wird, welches aus dem Innern des Kontaktstückes an die Oberfläche diffundiert, so daß die Kontaktoberfläche nicht an Silber verarmt. Anderer seits reichert sich die Kontaktoberfläche aber auch nicht mit Silber über die anfängliche Menge hinaus an, so daß der günstige Einfluß des Wolframkarbids auf die Spannungs festigkeit 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. Das Tränkmetall, welchem die er findungsgemäßen Zusätze zugesetzt werden, ist Silber oder eine Silberbasislegierung mit kleineren Gehalten (nicht mehr als einige Prozent bezogen auf das Legierungsgewicht) eines Legierungsmetalls wie Wismut, Antimon, Palladium, Kupfer oder Silizium.

Als Karbidbildner, welche in Weiterbildung der Erfindung dem Gerüstwerkstoff zugesetzt werden können, eignen sich vor allem Kobalt, Nickel, Eisen und Silizium, welche in Mengen von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise 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 des er findungsgemäßen Werkstoffes ist im Patentanspruch 7 ange geben. Die mittlere Korngröße des dabei verwendeten Wolfram karbidpulvers sollte unter 10 µm (Fischer-Wert FSSS), vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 µm liegen. Die Korngröße des gepulverten Karbidbildners sollte möglichst gering sein und nicht mehr als 30 µm betragen; bevorzugt wird eine zwischen 0,5 und 10 µm liegende Korngrößenverteilung. Damit wird die Ausbildung eines festen Gerüstes ermöglicht. Ein besonders festes Gerüst ist erwünscht, um die Ober flächeneigenschaften der daraus hergestellten Kontakt stücke zu stabilisieren; ein fester Verbund im Gerüst des Werkstoffs erschwert das Herauslösen von Wolfram karbid-Partikeln aus der Kontaktoberfläche und wirkt sich somit positiv auf die Spannungsfestigkeit, das Wiederzündverhalten, und durch verminderten Abbrand auch günstig auf die Lebensdauer aus. Es wird angestrebt, das feste Gerüst mit einem möglichst geringen Anteil des zusätzlichen Karbidbildners zu erreichen.

Das Schutzgas, unter welchem gesintert wird, darf keinen Sauerstoff und keinen Stickstoff enthalten. Als Schutz gas kann Spaltgas oder Wasserstoff verwendet werden.

Die Sinterung in Graphittiegeln hat den Vorteil, daß dadurch verhindert werden kann, daß das Wolframkarbid in unzulässigem Ausmaß reduziert wird.

Die Dauer der Sinterung und die Temperatur, bei welcher gesintert wird, bestimmen das Porenvolumen, welches das durch den Sintervorgang erzeugte Gerüst aufweist. Die Sinterdauer und die Sintertemperatur sind deshalb auf das gewünschte Porenvolumen und damit auf den vorge sehenen Anteil des Tränkmetalls, welches die Leitfähig keit des Werkstoffes im wesentlichen bestimmt, abzu stimmen.

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 Tränk legierung. 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 µm (Fischer-Wert FSSS) und 1 Gewichtsteil Kobaltpulver mit einer mittleren Korn größe von 4 µm (Fischer-Wert FSSS) werden miteinander vermischt und die Mischung in einen Graphit-Tiegel ge geben, 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 1250°C 20 min lang gesintert. Der so erhaltene poröse Wolfram karbidkörper wird anschließend in einem Tiegel aus einer Aluminiumoxidkeramik bei einer Temperatur von rund 1000°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 be steht zu rund 40 Gew.-% aus der AgZr3-Legierung.

Claims

1. Werkstoff für elektrische Kontakte auf der Basis von Silber mit Wolframkarbid, insbesondere zur Ver wendung in Vakuumschaltgeräten, aus einem gesinterten Gerüst, welches 40 bis 80 Gewichtsteile des Werkstoffes ausmacht, überwiegend aus Wolframkarbid besteht und mit 60 bis 20 Gewichtsteilen einer Silberbasislegierung ge tränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,001 bis 12 Gewichts teile eines oder mehrerer Elemente aus der IV. Nebengruppe des Periodischen Systems und/oder der Gruppe der Seltenen Erden in der Silberbasislegierung enthält.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,1 bis 2 Gewichtsteile der Elemente aus der IV. Nebengruppe und/oder der Gruppe der Seltenen Erden enthält.

3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gerüstwerkstoff bis zu 10 Gew.-% (bezogen auf die Menge des eingesetzten Wolframkarbids) eines oder mehrerer weiterer zur Karbidbildung neigender Metallpulver (nachfolgend als Karbidbildner bezeichnet) enthält.

4. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß er Zirkon enthält.

5. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,1 bis 1 Gewichtsteile Zirkon enthält.

6. Werkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er im Gerüst als Karbidbildner 1 bis 2 Gew.-% (bezogen auf die Menge des eingesetzten Wolfram karbids) eines oder mehrere Elemente der aus Kobalt, Nickel, Eisen und Silizium bestehenden Gruppe enthält.

7. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes mit der im Anspruch 3 angegebenen Zusammensetzung durch Herstellen eines Wolframkarbid und den karbidbildenden Zusatz enthaltenden gesinterten Gerüsts und Tränken dieses Gerüsts mit der Silberbasislegierung, gekenn zeichnet durch die Abfolge der nachstehenden Ver fahrensschritte:

a) Mischen eines Wolframkarbidpulvers und eines Pulvers des Karbidbildners,
b) Einbringen der Pulvermischung in einen Graphit tiegel,
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 800°C und 1600°C, vorzugsweise zwischen 1200°C und 1400°C,
e) Tränken des so erhaltenen porösen gesinterten Rohlings mit der Silberbasislegierung im Vakuum oder in einer mit Wolfram und mit Wolframkarbid chemisch nicht reagierenden Atmosphäre.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern der Graphittiegel inwendig mit einer flüssigen Graphitpulversuspension einge pinselt wird.