DE3813310A1 - Sinterkontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeraeten der energietechnik, insbesondere fuer kontaktstuecke in niederspannungsschaltern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber wenigstens ein höher schmelzendes Metall, eine Metallegierung und/oder eine Metallverbindung als Wirkkomponen­ te enthält.

Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energie­ technik, z.B. in Leistungsschaltern sowie in Gleichstrom- und Hilfsschützen, haben sich Kontaktwerkstoffe des Systems Sil­ ber-Metall (AgMe) seit langem bewährt. Einen wesentlichen An­ teil an diesen Kontaktwerkstoffen hat in der Vergangenheit das System Silber-Nickel (AgNi) gehabt. Die vorteilhaften Eigen­ schaften von Silber-Nickel in Kontaktsystemen sind zusammen mit den Prüfverfahren für Kontaktwerkstoffe beispielsweise in Int. J. Powder Metallurgy and Powder Technolgy, Vol. 12 (1986), P 219-228 beschrieben.

Es wurde aber vor einiger Zeit erkannt, daß Nickelstaub kar­ zinogene Wirkungen hat. Deshalb sind seit einiger Zeit Bestre­ bungen im Gange, das Nickel durch ein anderes Metall oder eine Metallegierung bzw. eine Metallverbindung zu ersetzen. Diese neuen Werkstoffe müssen jedoch ein ähnliches Kontakteigen­ schaftsspektrum wie AgNi-Werkstoffe aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kontaktwerkstoff der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Nickel als Wirk­ komponente durch ein Metall, eine Metallegierung oder eine Metallverbindung ersetzt ist, ohne daß die Kontakteigenschaften verschlechtert werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kon­ taktwerkstoff neben Silber (Ag) als Wirkkomponente wenigstens ein Nitrid der Metalle Tantal (Ta), Titan (Ti) oder Zirkon (Zr) enthält. Die Wirkkomponente kann im Werkstoff in Massenantei­ len bis zu 50% vorhanden sein.

Die Verwendung von speziell Titannitrid für Kontaktanwendungen wurde in der Fachliteratur (Proceedings 12th Int. Conf. on Electric Contact Phenomena, Ill. Inst. Techn. (1984), S. 587- 597) schon untersucht. Insbesondere der Kontaktwiderstand von PVD- oder CVD-aufgebrachten TiN-Schichten wird dort als günstig erkannt. Entsprechende Untersuchungen wurden an oberflächen­ nitrierten und -borierten Stahlspitzen vorgenommen (Wiss. Z. d. TU Karl-Marx-Stadt 28 (1986), S. 901-906). Hinweise auf die Verwendbarkeit von Metallnitriden oder -boriden in Sinter­ kontaktwerkstoffen für Schaltgeräte der Energietechnik ergeben sich daraus allerdings nicht.

Im Rahmen der Erfindung können die Nitride der angegebenen Me­ talle jeweils einzeln oder auch in Kombination vorliegen.

In Weiterbildung der Erfindung kann der Kontaktwerkstoff zu­ sätzlich als weitere Wirkkomponenten Karbide und/oder Boride der Metalle Tantal, Titan oder Zirkon enthalten. Die Karbide und/oder Boride dieser Metalle können dabei einen Massenanteil von 1 bis 50% bezogen auf den Nitrid-Anteil als Hauptwirk­ komponente haben. Durch die weiteren Karbide und/oder Boride läßt sich der Anteil der unedlen Bestandteile am Werkstoff ver­ größern, d.h. der notwendige Silberanteil verringern. Insgesamt kann der Werkstoff unedle Bestandteile in Massenanteilen von maximal 50% enthalten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zur Herstellung von Kontaktstücken aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff. Dabei wird weiterhin auf die beigefügte Tabelle mit Einzelbeispielen für unterschiedliche Werkstoffzusammensetzun­ gen gemäß der Erfindung hingewiesen.

In der Tabelle sind Meßwerte für die maximale Schweißkraft in N, für den Volumenabbrand in mm³ und für den Kontaktwiderstand in mΩ angegeben. Diese Meßwerte kennzeichnen in Kombination jeweils das Eigenschaftsspektrum des Kontaktwerkstoffes, wobei insbesondere der Volumenabbrand ein signifikantes Maß für die mögliche Schaltzahl des Kontaktes, d.h. die Lebensdauer des Kontaktstückes, und der Kontaktwiderstand ein signifikantes Maß für die Übertemperatur am Kontaktstück ist. Die Meßwerte der Einzelbeispiele werden jeweils mit den Meßwerten des bisher eingesetzten AgNi10 verglichen.

Zur Herstellung des Kontaktwerkstoffes wird zunächst aus han­ delsüblichem Silber-Pulver und Metallnitrid-Pulver bzw. -Pul­ vern sowie den Pulvern der möglichen weiteren Komponenten eine Pulvermischung durch Naßmischen hergestellt. Die maximale Teil­ chengröße der Pulver beträgt etwa 25 µm. Aus der Pulvermischung werden Formteile bei einem Druck von 200 MPa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbindungstechnik der Kontaktstücke mit den Kontaktstückträgern durch Hartlöten kann es vorteilhaft sein, bei diesem Preßvorgang eine zweite Schicht aus reinem Silber gemeinsam mit der Kontaktschicht zu einem Zweischichten- Kontaktstück zu verpressen.

Es erfolgt eine Sinterung der Formteile bei einer Temperatur von etwa 850°C etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas. Zur Erzielung einer möglichst geringen Porosität werden an­ schließend die Sinterkörper bei einem Druck von 1000 MPa nach­ gepreßt und nochmals bei 650°C etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas gesintert. Das Kalibrieren der so hergestellten Kontaktstücke erfolgt wiederum bei einem Druck von 1000 MPa.

Alternativ zur Formteiltechnik können Kontaktstücke auch da­ durch hergestellt werden, daß zunächst der Kontaktwerkstoff durch Strangpressen zu Bändern oder Drähten verarbeitet wird. Von diesem Halbzeug lassen sich dann Kontaktstücke mit Richt­ gefüge abtrennen.

In Versuchsreihen wurde zunächst mit den Einzelnitriden der Metalle Tantal, Titan und Zirkon gearbeitet. Bei den Bei­ spielen wurde die Zusammensetzung der Wirkkomponente jeweils so gewählt, daß in etwa ein Volumenanteil entsprechend des Nickels im Werkstoff AgNi10 erreicht wird.

In weiteren Beispielen werden einerseits die Einzelnitride der unterschiedlichen Metalle miteinander kombiniert und anderer­ seits Nitride der Metalle mit Karbiden und/oder Boriden glei­ cher oder anderer Metalle kombiniert. Bei den weiteren Karbiden und/oder Boriden werden deren Massenanteile so bemessen, daß sie bezogen auf den Nitrid-Anteil zwischen 1 und 50% liegen.

Insgesamt wird bei allen Beispielen darauf geachtet, daß der Werkstoff in Massenanteilen maximal 50% unedle Bestandteile enthält.

Von den nach obiger Vorschrift hergestellten Kontaktwerkstücken aus den angegebenen Werkstoffen wurden in einem Prüfschalter unter konstanten Prüfbedingungen bei einem Einschaltstrom von 1000 A und einem Ausschaltstrom von 1000 A in bekannter Weise über eine Schaltzahl von 500 die Schweißkraft, der Volumenab­ brand und der Kontaktwiderstand ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengestellt und werden mit einem AgNi10- Werkstoff verglichen.

Die Tabelle zeigt, daß die maximale Schweißkraft bei allen Bei­ spielen erheblich unter dem bekannten AgNi10-Vergleichswerk­ stoff liegt. Auch der Volumenabbrand liegt durchweg unterhalb dem des Vergleichswerkstoffes. Der Kontaktwiderstand liegt in der gleichen Größenordnung wie beim Vergleichswerkstoff, teil­ weise auch bei höheren Werten.

Insgesamt zeigt aber das durch die Kombination der Einzelwerte gebildete Kontakteigenschaftsspektrum jeweils mit AgNi10 ver­ gleichbare Werte. Die angegebenen Kontaktwerkstoffe können da­ her die AgNi-Werkstoffe ersetzen, so daß nunmehr auf das Nickel vollständig verzichtet werden kann.

Tabelle

Claims (10)

1. Sinterkontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontakt­ stücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als Wirk­ komponente wenigstens ein höher schmelzendes Metall, eine Metallegierung oder eine Metallverbindung enthält, da­ durch gekennzeichnet, daß der Werkstoff neben Silber (Ag) als Wirkkomponente wenigstens ein Nitrid der Metalle Tantal (Ta), Titan (Ti) oder Zirkon (Zr) enthält.

2. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkompo­ nente in Massenanteilen zwischen 2 und 50% beträgt.

3. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkompo­ nente kleiner als 40% ist.

4. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkompo­ nente kleiner als 30% ist.

5. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkompo­ nente kleiner als 20% ist.

6. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Wirkkomponenten Karbide und/oder Boride der Metalle Tantal, Titan oder Zirkon vorhanden sind.

7. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Komponenten in Massenanteilen von 1 bis 50% bezogen auf den Nitrid-Anteil der Werkstoffe vorhanden sind.

8. Sinterkontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nitrid und ein Karbid des gleichen Metalls, insbeson­ dere Titan, vorhanden ist.

9. Sinterkontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Nitride unterschiedlicher Metalle vorhanden sind.

10. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Nitriden zweier unterschiedlicher Metalle ein Karbid und/oder Borid eines dritten unterschiedlichen Metalls vorhanden ist.