DE3734178A1 - Pulvermetallurgisch hergestellter werkstoff fuer elektrische kontakte aus silber mit graphit und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Pulvermetallurgisch hergestellter werkstoff fuer elektrische kontakte aus silber mit graphit und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung geht aus von einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff für elektrische Kontakte aus Silber mit 2 bis 7 Gew.-% Graphit und mit einem die Festigkeit des Werkstoffes steigernden Zusatz.
Verbundwerkstoffe aus Silber mt 2 bis 7 Gew.-% Graphit finden für elektrische Kontakte in Leistungsschaltern und in Leitungsschutzschaltern Verwendung. Kontaktstücke aus Silber-Graphit verbinden für diesen Verwendungszweck eine geringe Neigung, in der üblicherweise eingesetzten Kontaktwerkstoffpaarung Silber-Graphit gegen Kupfer oder gegen versilbertes Kupfer mit dem gegenüberliegenden Kontakt­ stück zu verschweißen, mit einem geringen Kontaktwider­ stand nach einer Lichtbogeneinwirkung auf die kontakt­ gebende Fläche. Nachteilig ist allerdings, daß Kontakt­ stücke aus Silber-Graphit einem verhältnismäßig hohen Abbrand unterliegen. Das führt dazu, daß mit zunehmenden Schaltzahlen die Schaltkammer, in der die Kontaktstücke untergebracht sind, durch Silber, welches unter Licht­ bogeneinwirkung verdampft, metallisiert wird und durch freigesetzten Graphit verrußt. Dadurch sinkt die Spannungs­ festigkeit der Schaltkammer.
Es hat nicht an Versuchen gefehlt, die elektrische Lebens­ dauer von Kontaktstücken aus Silber-Graphit zu verlängern. So ist es bekannt, dem Werkstoff ungefähr 5 Gew.-% Kupfer­ oxid (CuO) zuzusetzen (DE-Z "Elektrische Energie-Technik" 26, (1981) Heft 2, Seite 9-15). Ein Zusatz von Kupferoxid kann zwar die Lebensdauer verlängern, hat jedoch auch Nach­ teile, weil er die Lötbarkeit der Kontaktstücke ver­ schlechtert und thermisch nicht besonders stabil ist, so daß die Kontaktstücke elektrisch nicht sehr hoch belast­ bar sind.
Ein anderer Vorschlag geht dahin, Kontaktstücke aus einem Silber-Kupfer-Graphit-Faserverbundwerktstoff herzustellen, indem in ein Doppelmantelrohr, dessen innere Wand aus Kupfer und dessen äußere Wand aus Silber besteht, Graphit­ pulver eingefüllt wird; das Doppelmantelrohr wird ver­ schlossen und durch Strangpressen in einen dünneren Stab umgeformt, welcher anschließend in kürzere Stücke zer­ teilt wird, die man in ein Silberrohr steckt, welches an den Enden verschlossen und erneut durch Strangpressen um­ geformt wird. In mehreren solchen Schritten kommt man auf diese Weise zu einem Kontaktwerkstoff mit feiner Faserstruktur (K. Müller und D. Stöckel "THE IRE PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF SILVERBASED COMPOSITE CONTACT MATERIALS" Proceedings of the 13. International Conference on Electric Contact Phenomena, Chicago, 1984, S. 237-242). Aus einem solchen Faserverbundwerkstoff hergestellte elektrische Kontakte verbinden in zufriedenstellender Weise hinreichend geringe Verschweißneigung mit niedrigem Kontakt­ widerstand und niedrigem Abbrand; nachteilig ist jedoch, daß derartige Werkstoffe durch ein sehr aufwendiges Ver­ fahren hergestellt werden müssen, so daß sie trotz ihrer guten Eigenschaften bisher wenig praktische An­ wendung gefunden haben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für elektrische Kontakte aus Silber mit Graphit und einem die Festigkeit des Werkstoffs steigernden Zusatz verfügbar zu machen, in welchem sich niedriger Kontaktübergangswiderstand, geringe Verschweißneigung und geringer Abbrand (hohe Lebensdauer) in ähnlich vorteil­ hafter Weise miteinander verbinden wie in dem bekannten Silber-Kupfer-Graphit-Faserverbundwerkstoff; der neue Kontaktwerkstoff soll jedoch wirtschaftlicher her­ stellbar sein als der bekannte Faserverbundwerkstoff.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß man die Lebensdauer von Kontaktstücken aus einem Silber-Graphit- Werkstoff ohne Nachteil für den Kontaktwiderstand ver­ bessern kann, wenn man einen Unedelmetallzusatz zum Werkstoff verwendet und dafür sorgt, daß dieser sehr fein verteilt im Werkstoff vorliegt, nämlich mit Teilchengrößen von höchstens 5 · 10-10 mm3. Für die Teilchen­ größen wurde eine Volumenangabe gewählt, weil die Teil­ chen in unerschiedlicher Form vorliegen können, sowohl in Form von Teilchen, deren Durchmesser in allen Rich­ tungen in derselben Größenordnung liegen, als auch in Form von langgestreckten Teilchen.
Der Werkstoff soll wenigstens 0,5 Gew.-% eines Unedel­ metalls enthalten, um eine nennenswerte Festigkeits­ steigerung bewirken zu können. Der Werkstoff soll aber nicht mehr als 50 Gew.-% eines oder mehrerer Unedel­ metalle enthalten, da sonst ein zu starker Anstieg des Kontaktwiderstandes, insbesondere durch Bildung von Unedelmetalloxiden auftritt.
Der Graphitzusatz soll die Verschweißung reduzieren und soll deshalb nicht weniger als 2 Gew.-% betragen. Er soll andererseits nicht mehr als 7 Gew.-% betragen, da sonst die Festigkeit des Werkstoffes herabgesetzt wird und der Abbrand ansteigt.
Als Unedelmetalle eignen sich besonders eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Mangan, Zink, Wolfram und Molybdän, wobei Kupfer besonders bevorzugt ist und der Anteil des Unedel­ metalls im Werkstoff vorzugsweise 10 bis 25 Gew.-% beträgt.
Im Hinblick auf die angestrebte Festigkeitssteigerung des Werkstoffes ist es von Vorteil, als Unedelmetalle solche auszuwählen, die bei niedriger Temperatur mit Silber eine Ausscheidungslegierung bilden und dadurch eine Härtung des Werkstoffes bewirken. In diesem Zu­ sammenhang sei namentlich auf die Unedelmetalle Kupfer und Nickel hingewiesen. Außerdem ist es von Vorteil, als Unedelmetalle solche auszuwählen, die eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit haben. Als optimaler Un­ edelmetallzusatz erweist sich nach den vorstehend er­ wähnten Auswahlkriterien das Kupfer, wobei ein Teil des Kupfers, vorzugsweise nur ein Anteil von 2 bis 3 Gew.-% am Werkstoff, als Kupferoxid (CuO) vorliegen darf, wo­ durch die Sicherheit gegen ein Verschweißen der Kontakt­ stücke erhöht wird. Wegen des gleichzeitigen beachtlichen Kupferanteils besteht keinerlei Notwendigkeit, den Kupfer­ oxidanteil so hoch anzusetzen wie bei den zum Stand der Technik gehörenden Silber-Kupferoxid-Graphit-Kontaktwerk­ stoffen, so daß dessen Nachteile für einen erfindungs­ gemäßen Kontaktwerkstoff mit geringem Kupferoxidanteil nicht zutreffen.
Die erfindungsgemäßen Werkstoffe können zumindest prinzipiell wie herkömmliche Silber-Graphit-Werkstoffe auf pulvermetallurgischem Wege durch Pressen von Pulver­ mischungen, Sintern und Nachverdichten hergestellt werden, wenn man sehr feinkörniges (mittlere Teilchengröße kleiner als ca. 0,5 µm) Silberpulver, Kupferpulver und Graphit­ pulver miteinander mischt, zu Formkörpern preßt, sintert und nachverdichtet, wobei die Verdichtung so stark sein sollte, daß das Porenvolumen des Werkstoffs nicht mehr als 2% beträgt.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Werkstoffes ist jedoch Gegenstand des Patentanspruches 13. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben. Nach diesem Verfahren werden nicht ein Silberpulver, ein Unedelmetallpulver und ein Graphitpulver miteinander gemischt und zu Formkörpern gepreßt, sondern es wird zu­ nächst ein Legierungspulver aus Silber mit dem Unedel­ metall hergestellt und dieses mit Graphitpulver gemischt; daraus werden dann Formkörper gepreßt, gesintert und nach­ verdichtet, wobei die Verdichtung so stark sein sollte, daß das Porenvolumen weniger als 2% beträgt. Das Legie­ rungspulver, in welchem das Unedelmetall mit dem Silber eine feste Lösung und/oder eine Ausscheidungslegie­ rung bilden kann, kann nach üblichen Verfahren der Pulverherstellung gewonnen werden, z. B. durch Verdüsen einer schmelzflüssigen Legierung des Silbers mit dem Un­ edelmetall. Ein anderes geeignetes Verfahren zum Gewinnen eines Legierungspulvers ist die Sprühpyrolyse (US-A 35 10 291 EP 00 12 202 A1, DE 29 29 630 C2). Dabei wird eine Lösung, welche ein Silbersalz und ein oder mehrere Unedelmetall­ salze gelöst enthält, in ein heißes Reaktionsgefäß einge­ sprüht. Dabei werden die Salze zersetzt und das Lösungs­ mittel verdampft und es fällt ein sehr feinkörniges Legierungspulver aus, welches für die Herstellung des er­ findungsgemäßen Werkstoffes besonders geeignet ist.
Ausführungsbeispiele
1. Durch Verdüsen einer schmelzflüssigen Legierung aus Silber mit 20 Gew.-% Kupfer wird ein AgCu20-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 10 µm erzeugt. 96 Gew.-Teile dieses Legierungspulvers werden mit 4 Gew.-Teilen eines feinen Graphitpulvers (mittlere Teilchengröße ungefähr 1 µm) gemischt. Aus der Pulver­ mischung werden durch kaltisostatisches Pressen mit einem Druck von 5 · 10-7 N · m-2 Formkörper gepreßt, bei einer Temperatur von 700°C eine Stunde lang in Stickstoff­ atmosphäre gesintert und anschließend durch Strang­ pressen mit einem Umformverhältnis von 30 : 1 unter Nach­ verdichtung zu einem flachen Rechteckprofil umgeformt.
2. Eine gemeinsame Lösung von Silbernitrat und Kupfer­ nitrat in Wasser wird mittels eines inerten Treib­ gases (z. B. Argon) in ein heißes Reaktionsgefäß einge­ sprüht, dessen Wandtemperatur unterhalb der Schmelz­ temperatur des Silbers und unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers liegt, beispielsweise bei 950°C, und in dem eine Intertgasatmosphäre (z. B. Argon) vorliegt. In dem heißen Reaktionsgefäß zerfallen das Silbernitrat und das Kupfernitrat, das Wasser verdampft, und das freiwerdende Silber und Kupfer verbinden sich zu kleinen Partikeln, die ausfallen und ausgetragen werden. Es entsteht auf diese Weise ein Silber-Kupfer-Legierungspulver mit einer mittleren Partikelgröße von ungefähr 1 µm, wobei sich die Legierungszusammensetzung nach dem Gehalt der Lösung an Silbernitrat und Kupfernitrat richtet. Dieses Silber­ legierungspulver kann wie im ersten Beispiel mit Graphit­ pulver gemischt und weiterverarbeitet werden.

Claims (17)

1. Pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff für elek­ trische Kontakte aus Silber mit 2 bis 7 Gew.-% Graphit und mit einem die Festigkeit des Werkstoffs steigernden Zu­ satz, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus 0,5 bis 50 Gew.-% eines oder mehrerer Unedelmetalle besteht, die in homogener oder gleichmäßiger Verteilung mit Teilchengrößen von höchstens 5 · 10-10 mm3 im Werkstoff vorliegen.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unedelmetall-Teilchengrößen kleiner als 0,5 · 10-10 mm3 sind.
3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auch das Silber mit Teilchengrößen von höchstens 5 · 10-10 mm3, vorzugsweise höchstens 0,5 · 10-10 mm3 vorliegt.
4. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Unedelmetallanteil 10 bis 25 Gew.-% beträgt.
5. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Kupfer, Nickel, Eisen, Mangan, Zink, Wolfram und Molybdän ausgewählt sind.
6. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle solche ausgewählt sind, deren Schmelzpunkt über dem vom Silber liegt.
7. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle solche ausgewählt sind, die bei 20°C eine elektrische Leitfähig­ keit von wenigstens 10 mΩ-1mm-2 haben.
8. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetalle solche ausgewählt sind, die bei 20°C mit Silber eine Ausscheidungs­ legierung bilden.
9. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Unedelmetall Kupfer ausgewählt ist.
10. Werkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kupfers als Kupferoxid (CuO) vor­ liegt.
11. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Unedelmetall in Form einer Legierung, des Silbers vorliegt.
12. Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Porenvolumen weniger als 2% beträgt.
13. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffs gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Pulver aus einer Legierung von Silber mit dem Unedelmetall hergestellt wird, das Legierungspulver mit Graphitpulver gemischt, die Pulvermischung zu Form­ körpern gepreßt, die Formkörper gesintert und nachver­ dichtet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper durch kaltisostatisches Pressen gebildet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Formkörper durch Strangpressen nach­ verdichtet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungspulver mit einer mittleren Teilchengröße (Durchmesser) von höchstens 10 µm verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver durch ein Reaktionssprühverfahren erzeugt wird, und zwar durch gleichzeitiges Versprühen einer ein Silbersalz und ein oder mehrere Unedelmetallsalze enthaltenden Lösung in einem heißen Reaktionsgefäß.
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