DE4117311A1

DE4117311A1 - Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeraeten der energietechnik

Info

Publication number: DE4117311A1
Application number: DE4117311A
Authority: DE
Inventors: Franz Hauner; Guenter Tiefel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1992-12-03
Also published as: JPH06507447A; BR9206065A; JP3280968B2; EP0586410B1; EP0586410A1; DK0586410T3; DE59207467D1; US5429656A; ATE144857T1; WO1992022080A1; ES2094354T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Sil berbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirkkomponenten wenigstens ein Oxid eines höher schmelzenden Metalls enthält.

Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energie technik, z. B. in Leistungsschaltern sowie in Gleichstrom- und Hilfsschützen, sind Kontaktwerkstoffe einerseits des Systems Silber-Metall (AgMe) und andererseits des Systems Silber-Me talloxid (AgMeO) bekannt. Vertreter des ersten Systems sind beispielsweise Silber-Nickel (AgNi) oder Silber-Eisen (AgFe); Vertreter des zweiten Systems sind inbesondere Silber-Cadmium oxid (AgCdO) oder Silber-Zinnoxid (AgSnO₂). Hinzu können wei tere Metalloxide, wie insbesondere Wismutoxid (Bi₂O₃), Kupfer oxid (CuO) und/oder Tantaloxid (Ta₂O₅), kommen.

Die praktische Verwendbarkeit eines Kontaktwerkstoffes auf Silber-Metall- bzw. Silber-Metalloxid-Basis wird durch das so genannte elektrische Kontakteigenschaftsspektrum bestimmt. Maßgebliche Kenngrößen sind dabei die Lebensdauerschaltzahl einerseits, die durch den Abbrand des Schaltstückes bestimmt wird, und die sogenannte Übertemperatur, d. h. die Kontakter wärmung an der Kontaktbrücke, welche sich im wesentlichen aus dem elektrischen Widerstand des genannten Kontaktaufbaus er gibt, andererseits. Weiterhin wichtig sind eine hinreichend geringe Verschweißneigung der Kontaktstücke und eine Korro sionsbeständigkeit, da durch Langzeitkorrosion des Werkstoffes in Luftschaltgeräten sich die Schalteigenschaften mit der Zeit verändern können.

Bei den bekannten Werkstoffen des Standes der Technik werden meist nicht alle Anforderungen des Schalteigenschaftsspektrums gleichzeitig erfüllt. Letztendlich wird angestrebt, für den jeweiligen Anwendungsfall ein daran angepaßtes Optimum der je weils wichtigsten Kenngrößen zu erreichen.

Ausgehend von obigen Anforderungen ist es Aufgabe der Erfin dung, weitere Kontaktwerkstoffe auf Silber-Basis aufzufinden, die sich neben geringer Kontakterwärmung, stabilem Erwärmungs verhalten, geringer Neigung zum Verschweißen und hoher Lebens dauer in Bezug auf die Schaltstromstärken insbesondere auch durch eine gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Wirk komponenten in Kombination Eisenoxid in Massenanteilen zwi schen 1 und 50% und ein Oxid eines weiteren chemischen Ele mentes in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5% vorliegen. Das Eisenoxid kann dabei entweder die Konstitution Fe₂O₃ oder Fe₃O₄, aber auch eine Mischform, haben.

Vorteilhafterweise liegt das Eisenoxid in Massenanteilen von weniger als 40%, insbesondere weniger als 30%, vor. Als wei teres Oxid haben sich Rheniumoxid, Wismutzirkonat, Boroxid, Zirkonoxid, Wolframoxid und/oder Molybdänoxid bewährt, die einzeln oder in Kombination mit unterschiedlicher Gewichtung vorliegen können.

Besonders vorteilhaft ist ein Kontaktwerkstoff der eingangs genannten Art, bei dem das Eisenoxid in Massenanteilen von 2 bis 20% vorliegt, mit einem Zusatz von 0,5 bis 2 m% Rhenium oxid und/oder 0,05 bis 3 m% Wismutzirkonat und/oder 0,05 bis 0,5 m% Boroxid und/oder 0,05 bis 2 m% Zirkonoxid und/oder 0,05 bis 1 m% Wolframoxid und/oder 0,05 bis 1 m% Molybdänoxid.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei wird einerseits auf unterschiedliche Verfahren zur Her stellung des beanspruchten Werkstoffes und andererseits auf die beigefügte Tabelle mit Einzelbeispielen für konkrete Werk stoffzusammensetzungen gemäß der Erfindung eingegangen.

In der Tabelle sind Meßwerte für die Übertemperatur der bean spruchten Werkstoffe, die jeweils an der Kontaktbrücke des Schaltgerätes gemessen wurde, angegeben. In der ersten Spalte der Temperaturmeßwerte ist die maximale Übertemperatur und in der zweiten Spalte der Temperaturmeßwerte ist die mittlere Brückentemperatur enthalten. Die Temperaturmeßwerte wurden in Schaltreihenversuchen in einem kW-Schütz bei vierfachem Nenn strom bis zu einer Schaltzahl von n_s = 50 000 Schaltungen er mittelt.

Die Tabelle umfaßt zwei Ausführungsbeispiele mit aussagekräf tigen Zusammensetzungen des beanspruchten Kontaktwerkstoffes. Dabei kann die Herstellung des eigentlichen Werkstoffes und die Fertigung der diesbezüglichen Kontaktstücke nach teilweise unterschiedlichen Methoden erfolgen. Der Meßwert der erfin dungsgemäßen Werkstoffe wird mit AgFe₂O₃ 6,4 verglichen. Au ßerdem ist in der Tabelle ein AgFe9-Kontaktwerkstoff ange führt. Auf die Ergebnisse wird weiter unten im einzelnen ein gegangen.

Erstes Herstellungsverfahren

Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes AgFe₂O₃ 5,7 ReO₂ 1,1 werden entsprechende Anteile von Silberpulver, Eisenoxidpulver und Rheniumoxidpulver gemischt. Dazu werden handelsübliche Oxidpulver von Eisen oder Rhenium verwendet.

Durch Naßmischen der Oxidpulver wird eine Pulvermischung zube reitet. Aus der Pulvermischung werden zunächst über die soge nannte Strangpreßtechnik Bänder oder Drähte des Werkstoffes als Halbzeug für die Kontaktstücke hergestellt. Die Verfah rensbedingungen hinsichtlich Temperatur einerseits und Druck andererseits werden dabei so gewählt, daß einer unerwünschten Verdampfung von Rhenium Rechnung getragen wird. Für eine si chere Verbindungstechnik ist es vorteilhaft, nach dem Zwei schichten-Strangpreßverfahren Bänder mit einer lötfähigen Sil berschicht herzustellen. Von dem so erzeugten Halbzeug lassen sich dann Kontaktstücke mit Richtgefüge abtrennen.

Bei einem gleichen verfahrensmäßigen Vorgehen können die An teile von Silber, Eisenoxid und Rheniumoxid variiert werden. Weiterhin untersucht wurde ein Werkstoff der Zusammensetzung AgFe₂O₃ 5,7 ReO₂ 2,2.

Zweites Herstellungsverfahren

In einem anderen Verfahren werden die Kontaktstücke durch Formteiltechnik hergestellt. Dies ist insbesondere vorteil haft, wenn das weitere Oxid als Nebenwirkkomponente nicht Rhe niumoxid ist, sondern eines der weiteren oben angegebenen Oxi de verwendet wird. Hier werden wiederum entsprechende Anteile von Silberpulver, Eisenoxidpulver und das weitere Oxidpulver miteinander gemischt. Es kann vorteihaft sein, neben Silber pulver und Eisenoxidpulver als weiteren Zusatz ein Pulver aus einer Mischung von zwei oder mehreren Komponenten aus Rhenium oxid, Wismutzirkonat, Boroxid, Zirkonoxid, Wolframoxid und Mo lybdänoxid zu verwenden. Bei geeigneter Abstimmung der Anteile einer solchen Mischung können jeweils die Vorteile der einzel nen Zusatzoxide miteinander kombiniert werden.

Nach Naßmischen über einen geeigneten Zeitraum werden aus der Pulvermischung Formteile bei einem Druck von ca. 200 MPa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbindungstechnik des Kontaktstückes mit dem Kontaktstückträger durch Hartlöten ist es wiederum vorteilhaft, bei diesem Preßvorgang eine zwei te Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der eigentlichen Kon taktschicht zu einem Zweischichten-Kontaktstück zu verpressen.

Anschließend erfolgt eine Sinterung der Formteile bei einer Temperatur von ca. 850°C etwa eine Stunde. Zur Erzielung ei ner möglichst geringen Porosität der fertigen Kontaktstücke werden anschließend die Sinterkörper bei einem Druck von ca. 1000 MPa nachgepreßt und nochmals bei ca. 800°C etwa eine Stunde gesintert. Das Kalibrieren der so herstellten Kontakt stücke erfolgt wiederum bei einem Druck von ca. 1000 MPa.

Es ist auch möglich, zur Herstellung geeigneter Silber-Metall oxid-Pulvermischungen das sogenannte mechanische Legieren von Silber- und Einzeloxidpulvern anzuwenden. Dadurch werden die Gefügeeigenschaften des fertigen Werkstoffes vorteilhaft be einflußt. Die Herstellung der Kontaktstücke kann dann alter nativ durch Strangpreßtechnik oder Formteiltechnik erfolgen. Bei Verwendung von Rheniumoxid als weiterer Wirkkomponente muß wiederum einer möglichen Verdampfung von Rhenium Rechnung ge tragen werden.

Die Tabelle zeigt, daß bei den beiden Beispielen des erfin dungsgemäßen Werkstoffes jeweils eine mittlere Brückentempera tur vorliegt, die zwar über dem Wert von AgFe9 und auch AgFe₂O₃ 6,4 liegt. Dabei ist festzuhalten, daß AgFe und AgFe₂O₃-Werkstoffe in diesem Zusammenhang ein ähnliches Tempe raturverhalten zeigen. Abgesehen von der geringfügig höheren mittleren Brückentemperatur des erfindungsgemäßen Werkstoffes gegenüber den Vergleichsbeispielen zeigt sich aber nun, daß die maximale Übertemperatur signifikant unter den Vergleichs beispielen liegt. Insbesondere die Maximalwerte der Übertempe ratur konnten aber bisher kaum beherrscht werden.

Aus den Meßwerten läßt sich also die Erkenntnis ableiten, daß ein Zusatz von Rheniumoxid das Temperaturverhalten eines AgFe₂O₃-Werkstoffes entscheidend stabilisiert. Letzteres drückt sich in der deutlich niedrigeren maximalen Übertempera tur aus.

Gemäß Tabelle wurden im einzelnen nur AgFe₂O₃ReO-Werkstoffe untersucht. Der gleichen positiven Einfluß wie von Rheniumoxid kann auch von anderen geeigneten Oxidzusätzen erwartet werden. Insbesondere kann das Rheniumoxid durch Wismutzirkonat (Bi₂O₃×ZrO₂), durch Boroxid (H₂BO₄), durch Zirkonoxid (ZrO₂), durch Wolframoxid (WO₃) oder durch Molybdänoxid (MoO₃) ersetzt werden. Auch Mischungen der einzelnen Komponenten sind möglich. Im einzelnen zeigt sich, daß der Anteil von Wismut zirkonat zwischen 0,05 und 3 m%, der Anteil von Borsäure zwi schen 0,05 und 0,5 m%, der Anteil von Zirkonoxid zwischen 0,05 und 2 m% und der Anteil von Wolframoxid oder Molybdänoxid zwi schen 0,05 und 1 m% liegen sollte.

Tabelle

Claims

1. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schalt geräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirk komponenten wenigstens ein Oxid eines höher schmelzenden Me talls, dadurch gekennzeichnet, daß als Wirkkomponenten in Kombination Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) in Massenanteilen zwischen 1 und 50% und ein Oxid eines weiteren chemischen Elementes in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5% vorliegen.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen oxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) in Massenanteilen von weniger als 40% vorliegt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Esien oxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) in Massenanteilen von weniger als 40% vorliegt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen oxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) in Massenanteilen von weniger als 30% vor liegt.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Oxid Rheniumoxid (ReO₂) ist.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Oxid Wismutzirkonat (Bi₂O₃×ZrO₂) ist.

6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Oxid Boroxid (H₂BO₄) ist.

7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Oxid Zirkonoxid (ZrO₂) ist.

8. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Oxid Molybdänoxid (MoO₃) ist.

9. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das weitere Oxid Wolframoxid (WO₃) ist.

10. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenoxid (Fe₂O₃ und/oder Fe₃O₄) in Massenanteilen von 2 bis 20% vorliegt, mit einem Zusatz von 0,5 bis 2 m% Rheniumoxid (ReO₂) und/oder 0,05 bis 3 m% Wismutzirkonat (Bi₂O₃×ZrO₂) und/oder 0,05 bis 0,5 m% Boroxid (H₂BO₄) und/oder 0,05 bis 2 m% Zirkonoxid (ZrO₂) und/oder 0,05 bis 1 m% Wolframoxid (WO₃) und/oder 0,05 bis 1 m% Molybdänoxid (MoO₃).