DE4205763A1

DE4205763A1 - Sinterkontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeraeten der energietechnik

Info

Publication number: DE4205763A1
Application number: DE19924205763
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Dr Hauner; Guenter Tiefel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1993-08-26
Also published as: WO1993017441A1

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 Komponenten wenigstens ein höher schmelzendes Metall, eine Metallegierung oder eine Metallver bindung enthält.

Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energie technik, z. B. in Leistungsschaltern sowie in Gleichstrom-, Mo tor- und Hilfsschützen, haben sich Kontaktwerkstoffe des Sy stems Silber-Metall (AgMe) seit langem bewährt. Vertreter die ses Systems sind insbesondere Silber-Nickel (AgNi) und Silber- Eisen (AgFe).

Silber-Nickel hat vorteilhafte Kontakteigenschaften, die zu sammen mit den Prüfmethoden für Kontaktwerkstoffe beispiels weise in INT.J. Powder Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), P 219-228 beschrieben sind. Nachteilig ist jedoch, daß bei Herstellung des Werkstoffes Nickelstäube auf treten können, die schädliche Auswirkungen auf den menschli chen Organismus haben.

Die Verwendung von Eisen in Kontaktwerkstoffen auf Silber-Ba sis ist verschiedentlich vorgeschlagen worden. Es hat sich je doch gezeigt, daß Silber-Eisen noch nicht die gestellten For derungen erfüllt, da bei Dauerstromführung derartiger Kontakt stücke eine zu hohe Erwärmung auftritt, die durch eine kon taktwiderstandserhöhende Deckschichtbildung in diesem System erklärt werden kann. Weiterhin ist aus der internationalen Veröffentlichung WO-A-89/10 417 ein Sinterkontaktwerkstoff der eingangs genannten Art bekannt, der neben Silber als Wirkkom ponente wenigstens Eisen und/oder Titan enthält. Speziell dann, wenn das Eisen und das Titan in legierter Form vorliegen und eine intermetallische Verbindung bilden, wurden gute Er gebnisse bei Schaltversuchen beobachtet. Gegebenenfalls können dabei als weitere Wirkkomponenten Nitride, Karbide und/oder Boride von Metallen, insbesondere von Titan, vorhanden sein.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Er findung, einen weiteren Kontaktwerkstoff auf Silber-Basis ohne Nickel als Wirkkomponente aufzufinden, der eine zulässige Kon takterwärmung mit stabilem Erwärmungsverhalten und hohe Le bensdauer in Bezug auf vorgegebene Schaltstromstärken kombi niert. Weiterhin soll dieser Werkstoff eine geringere Ver schweißneigung als Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe haben und insbesondere keine Schadwirkung auf den Menschen ausüben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Werkstoff der ein gangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Wirkkomponenten in Kombination ein Metallkarbid und Rhenium bzw. eine Rheniumver bindung vorhanden sind.

In der nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Patentan meldung P 41 17 312.0 wird zwar bereits schon im einzelnen ausgeführt, daß speziell Rhenium in Kombination mit Eisen bei Werkstoffen auf Silberbasis das Eigenschaftsspektrum als Kon taktwerkstoff verbessern kann. Dabei wird auch bereits darauf Bezug genommen, daß Rhenium speziell in Kombination mit Silber bereits in der Fachliteratur als Kontaktwerkstoff vorgeschla gen wurde. Dort ist allerdings das Rhenium als einzige Wirk komponente mit vergleichsweise hohem Anteil, beispielsweise um 20 m%, vorgesehen. Aufgrund des hohen Preises von Rhenium hat sich ein derartiger Werkstoff nicht durchsetzen können. Im An schluß an die ältere deutsche Patentanmeldung P 41 17 312.0 wurde nunmehr erkannt, daß insbesondere bei einem Silber-Me tallkarbidwerkstoff durch Rhenium als Minderkomponente das Ei genschaftsspektrum im Schaltverhalten verbessert werden kann.

Im Rahmen der Erfindung hat sich als Metallkarbid insbesondere ein Titankarbid bewährt. Vorzugsweise besteht bei der erfin dungsgemäße Werkstoff neben Silber aus Titankarbid in Massen anteilen von 0,5 bis 40% und Rhenium bzw. der Rheniumverbin dung in Massenanteilen von 0,1 bis 5%. Bei konkret untersuch ten Werkstoffen beträgt der Massenanteil an Titankarbid vor zugsweise weniger als 10 m%, insbesondere weniger als 8 m%.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. Dabei wird auf die beigefügte Tabelle Bezug genommen.

In der Tabelle sind insbesondere Meßwerte für die Übertempera tur, die jeweils an der Kontaktbrücke des Schaltgerätes gemes sen wurden, angegeben. In der ersten Spalte der Temperaturmeß werte ist die maximale Übertemperatur (T_Ümax) und in der zwei ten Spalte die mittlere Brückentemperatur () enthalten. Die Temperaturmeßwerte wurden bei Dauerschaltversuchen mit einem 15 KW-Schütz für 32 A bis zu einer Schaltzahl von N_s = 50 000 Schaltungen ermittelt. Dazu wird in einem Erwärmungsprüfstand bei einem Strom von 45 A nach je 8000 Schaltungen gemessen.

Die Herstellung von Werkstoffen mit Karbiden erfolgt in sach gerechter Weise pulvermetallurgisch: Dafür werden separat her gestellte Pulver aus Silber und Metallkarbid sowie Rhenium oder Rheniumverbindungen oder -legierungen verwendet.

Beispiel

Es soll ein Kontaktstück aus einem Werkstoff der Konstitution AgTiCRe hergestellt werden: Durch quantitatives Einwiegen von Silberpulver, Titankarbidpulver und beispielsweise Rheniumpul ver wird eine geeignete Zusammensetzung des Werkstoffes vorge geben, z. B. 5,4 m% TiC und 2 m% Re, mit Rest Ag. Nach Naßmi schen über einen geeigneten Zeitraum werden aus der Pulvermi schung Formteile erzeugt und bei einem Druck von ca. 200 Mpa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbindungstechnik des Kontaktstückes mit dem Kontaktstückträger des Schaltgerätes durch Hartlöten kann es vorteilhaft sein, bei dem Preßvor gang eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der ei gentlichen Kontaktschicht zu einem Zweischichten-Kontaktstück zu verpressen.

Die so hergestellten Kontaktstücke werden in einem Prüfschal ter untersucht und mit anderen Werkstoffen verglichen, was in der Tabelle wiedergegeben ist:

Die Tabelle umfaßt neben dem erfindungsgemäßen Werkstoff als Vergleichsbeispiele Silber-Nickel und Silber-Titankarbid. Im einzelnen wird der beispielhaft genannte Werkstoff AgTiC5,4Re2 mit AgNi10 und AgTiC5,8 verglichen. Gegenübergestellt werden das Temperaturverhalten des Werkstoffes einerseits und die Schweißkraft andererseits.

Maßgebend für die Verwendung eines Werkstoffes als Kontakt werkstoff ist neben der reinen Schaltzahl das differenzierte Übertemperaturverhalten bei Verwendung im Schaltgerät. Die Übertemperatur kann an unterschiedlichen Punkten des Schaltge rätes gemessen werden und wird bei vorliegenden Untersuchungen direkt an der Brücke erfaßt. Insofern sind bei Bewertung der Ergebnisse immer die Vergleichsbeispiele zu beachten.

Die Prüfergebnisse zeigen, daß beim erfindungsgemäßen Werk stoff das Übertemperaturverhalten speziell im Vergleich zu Silber-Titankarbid verbessert ist und nunmehr befriedigende Werte hat. Damit werden Silber-Metallkarbid-Werkstoffe mit Rheniumzusatz als Ersatz für Silber-Nickel in Schaltgeräten der Energietechnik interessant. Neben der geringen Kontakter wärmung lassen weiterhin das insgesamt stabile Temperaturver halten und die gleichzeitig geringe Verschweißneigung, die bei AgTiC-Werkstoffen bekanntermaßen erheblich geringer ist als beim AgNi10-Vergleichswerkstoff, in der Praxis gute Gebrauchs eigenschaften erwarten.

Ein entsprechend günstiges Schaltverhalten ist im Prinzip auch bei Werkstoffen mit anderen Metallkarbiden als Titankarbid, insbesondere Eisenkarbid, Wolframkarbid oder Molybdänkarbid, durch den Rheniumzusatz zu erwarten. Demzufolge fallen auch AgFeCRe-, AgWCRe- und AgMoCRe-Werkstoffe unter die Erfindung. Dabei kann das metallische Rhenium durch eine Rheniumverbin dung oder auch gegebenenfalls durch eine Rheniumlegierung er setzt werden.

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 höherschmelzendes Metall, eine Me tallegierung oder eine Metallverbindung enthält, da durch gekennzeichnet, daß als Wirkkompo nenten in Kombination ein Metallkarbid (MeC) und Rhenium (Re) bzw. eine Rheniumverbindung vorhanden sind.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Metallkarbid Titankarbid (TiC) ist.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß Titankarbid in Massenanteilen von 0,5 bis 40% und Rhenium bzw. die Rheniumverbindung in Massenanteilen von 0,1 bis 5% vorliegen.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Massenanteil von Titancar bid weniger als 10% beträgt.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Massenanteil von Titankar bid weniger als 8% beträgt.

6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Massenanteil von Titankar bid weniger als 6% beträgt.

7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Massenanteil von Rhenium bzw. der Rheniumverbindung weniger als 4% beträgt.

18. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Massenanteil von Rhenium bzw. der Rheniumverbindung weniger als 3% beträgt.

19. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Werk stoff aus 5,4 m% Titankarbid (TiC), 2 m% Rhenium (Re) und Sil ber (Ag) als Rest besteht.