DE69603387T2

DE69603387T2 - Herstellungsverfahren eines elektrischen Verbundkontaktmaterials

Info

Publication number: DE69603387T2
Application number: DE1996603387
Authority: DE
Inventors: Marie-Jo Francillon; Guy Gastaldin; Marc Rival; Pascale Rodriguez
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2016-02-27
Also published as: ES2135179T3; EP0729162A1; EP0729162B1; DE69603387D1; FR2731106A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren eines elektrischen Kontakt-Verbundwerkstoffes, der insbesondere für Schaltautomaten geeignet ist, wobei dieser Werkstoff auf einem Pulver eines elektrisch gut leitenden Metalls, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder ihren Legierungen basiert, und Kohlenstoffasern umfasst, die in der Metallmatrix verteilt sind. Sie betrifft ebenfalls den nach diesem Verfahren hergestellten Werkstoff.
Derartige Werkstoffe werden häufig verwendet, um Kontaktplättchen in elektromechanischen Geräten, wie beispielsweise Schaltautomaten oder Schalter, herzustellen. Der in der Metallmatrix vorhandene Kohlenstoff oder Graphit soll in erster Linie das Kontaktverschweissungsrisiko reduzieren. Das Vorhandensein von Graphit führt jedoch zu einer höheren mechanischen und/oder elektrischen Erosion des Werkstoffes.
Wenn der Kohlenstoff in Form von Fasern eingebracht wird - siehe beispielsweise die Unterlage US-4 699 763 -, wird zwar die Erosionsbeständigkeit verbessert, aber diese Verbesserung erfolgt zu Lasten einer Verschlechterung des Schweisskontaktverhaltens. Die Kohlenstoffasern werden mit dem Metallpulver unter Hinzufügung von Netz-, Schmier und Lösemitteln auf feuchtem Wege vermischt und dann getrocknet, verdichtet und gesintert. Der Nachteil eines derartigen Verfahrens besteht darin, dass es zu Komplikationen aufgrund eines Prozesses auf feuchtem Wege führt.
Um einen annehmbaren Kompromiss zwischen dem Erosionsverhalten des Werkstoffes und seinem Anti- Schweissverhalten zu finden, wird nach der Unterlage DE-41 11 683 vorgeschlagen, Graphitpartikel mit Kohlenstoffasern zu mischen, wobei diese Mischung dem Metallpulver hinzugefügt wird. Durch diese hybride Hinzufügung zur Metallmatrix kann man Erosions- und Schweissverhalten des Werkstoffes erzielen, die zwischen denjenigen liegen, die er mit der Hinzufügung nur von Graphitpartikeln oder nur von Kohlenstoffasern aufgewiesen hätte. Es erweist sich jedoch, dass unter hohen Belastungen und insbesondere unter Kurzschlusstrom, die Graphitpartikel aufgrund ihrer perfekten Kristallstruktur dazu neigen, aus der Oberfläche des Werkstoffes ausgestossen zu werden; dieses Ausstossen beschädigt die Oberfläche des Werkstoffes, so dass die Kohlenstoffasern ebenfalls ausgestossen werden. Daraus ergibt sich eine Bereicherung der Oberfläche mit Silber und demnach eine Verschlechterung der ursprünglich durch die Hinzufügung von Graphit gesuchten Qualitäten.
In der Unterlage EP-171 339 wird ein Herstellungsverfahren von elektrischen Kontakten durch Imprägnierung eines Kohlenstoffasersubstrats mit einem flüssigen Metall unter Druck und durch anschliessendes Heisstrangpressen der so erhaltenen Mischung beschrieben. Die Kohlenstoffasern werden während des Strangpressens in nach der Strangpressrichtung orientierten Filamenten gewählt und haben den Nachteil, eine Länge zwischen 15 um und 150 um aufzuweisen, d. h. eine durchschnittliche Länge von weit über 50 um. Man stellt fest, dass die sich daraus ergebenden Kontakte eine zu starke Neigung zur Schweissung aufweisen.
Das Ziel der Erfindung ist demnach, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und zu ermöglichen, in einfacher Weise einen Kontaktverbundwerkstoff aus Metall und Kohlenstoff mit feiner, gleichmässiger und isotroper Struktur herzustellen, der in Schaltautomaten verwendet werden kann, wobei dieser Werkstoff eine gute Erosionsbeständigkeit aufweist, gleichzeitig unter Nennstrom und unter Kurzschlusstrom, sowie ein befriedigendes Anti-Schweissungsverhalten und eine schwache und stabile Kontaktbeständigkeit.
Erfindungsgemäss, im vorstehend beschriebenen Verfahren,
- werden die Kohlenstoffasern, deren ursprüngliche Länge einen vorbestimmten Mittelwert aufweist, einer mechanischen Zerreibungs- oder Zerkleinerungsbehandlung unterworfen,
- sind die Zerkleinerungbedingungen so festgelegt, dass Reste von zerkleinerten Kohlenstoffasern erzeugt werden, deren endgültige Länge statistisch um einen Mittelwert herum schwankt, der wesentlich unter dem ursprünglichen Mittelwert liegt,
- ist die Mischung der zerkleinerten Faserreste mit dem Metallpulver so beschaffen, dass sie isotropisch im Werkstoff verteilt werden.
Im so erhaltenen Werkstoff ist der Kohlenstoff demnach ausschliesslich in Form von kurzen Kohlenstoffaserresten vorhanden, deren statistische Längenverteilung auf den vorstehend genannten endgültigen Mittelwert zentriert ist, und die gleichmässig in der Metallmatrix verteilt sind. Der Werkstoff weist ein gutes Anti-Schweissungsverhalten und eine geringe und stabile Kontaktbeständigkeit auf, und gleichzeitig, dank der halbkristallenen Struktur aller in der Metallmatrix enthaltenen Kohlenstoffelemente, eine geringe Erosion unter Nennstrom und Kurzschlusstrom. Der Kompromiss zwischen diesen Qualitäten wird u. a. von der Wahl der endgültigen mittleren Länge der Faserreste, vorzugsweise zwischen 5 um und 20 um, bestimmt.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
- Fig. 1 ist ein Diagramm, das die einzelnen Etappen des erfindungsgemässen Verfahrens zeigt.
- Fig. 2 zeigt eine Variante.
- Fig. 3 zeigt die statistische Verteilung der Kohlenstoffaserlängen vor und nach der Zerkleinerung.
Fig. 4 ist eine Mikrographie der Oberfläche des Werkstoffes nach Abschaltung durch Kurzschlusstrom. Bei der auf Fig. 1 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens wählt man im Handel erhältliche Kohlenstoffasern mit einer durchschnittlichen Länge L1 zwischen etwa 100 um und 800 um, geliefert mit einer geringen typischen Abweichung, und mit einem Durchmesser zwischen 4 und 20 um. Diese Fasern werden einer mechanischen Kalt- und Trockenbehandlung 10 in einer Kugelmühle, einer Planetenmühle oder einer Gegenluftstrahlmühle unterzogen; die Intensitäts- und Zeitbedingungen des Mahlens ermöglichen die Herstellung von Fasern, deren Länge statistisch um einen Mittelwert herum verteilt ist, der sehr viel niedriger ist als der ursprüngliche Mittelwert, und mit einer grösseren typischen Abweichung als die ursprüngliche typische Abweichung, die dann in einem Gewichtsverhältnis von etwa 2 bis 5% Gewicht dem Metallpulver hinzugefügt werden. Bei diesem Pulver handelt es sich im wesentlichen um ein Silber- oder ein Kupferpulver bzw. ein Pulver aus deren Legierungen, mit üblicher Granulometrie, dem man gegebenenfalls Elemente wie Nickel, Wolfram, Titannitrid, Wolframkarbid oder andere ähnliche Elemente hinzufügt. Die Mischung des Metallpulvers mit den zermahlenen Kohlenstoffasern erfolgt auf trockenem Wege in einem mechanischen Schaufelmischer in der Etappe 20, bis man eine homogene Mischung erhält, die dann einer Einheitsverdichtung 30 und einem Sintern 40 unterzogen wird, so dass man eine isotrope Werkstoffstruktur erhält.
Bei der auf Fig. 2 dargestellten Ausführungsform werden die handelsüblichen Kohlenstoffasern direkt kalt und trocken mit dem Metallpulver in einer mechanischen Syntheseetappe 21 gemischt, beispielsweise in einer Kugelmühle oder einer Planetenmühle, so dass das vorstehend genannte Zerkleinern der Fasern und das Mischen mit dem Metallpulver gleichzeitig erfolgen. Dann wird die homogene Mischung, wie zuvor, einer Einheitsverdichtung 30 und einem Sintern 40 unterzogen.
Demzufolge erhält man ab Fasern, deren ursprüngliche Länge L1 100 um bis 800 um beträgt (siehe Fig. 3), Gaußsche Verteilungen von Faserresten verschiedener Längen, nach einer unimodalen Verteilung mit einem Mittelwert L2 von weniger als 20 um.
Beispiel: Graphitfasern mit einer ursprünglichen mittleren Länge von 300 um werden in einer Kugelmühle einem gegenseitigen Zerreiben ausgesetzt, bis man Faserreste mit einer mittleren Länge von weniger als 20 um erhält, die dann in einem Gewichtsverhältnis von 2 bis 5% mit Silberpulver gemischt werden. Die Schweissbarkeit des erhaltenen Endwerkstoffes ist ausgezeichnet und seine elektrische Erosionsbeständigkeit ist sehr gering. Fig. 4 zeigt im Masstab 280 eine Mikrographie der Oberfläche des Werkstoffes nach einem Abschaltversuch von 12 kA unter 250 V; man stellt fest, dass die Kontaktfläche nach der Abschaltung unter Kurzschlusstrom ihre feine, gleichmässige und isotrope Struktur der Faserreste 50 von unterschiedlicher Länge und beliebiger Orientation in der Silbermatrix 51 beibehält.
Dank seines Kurzschlussverhaltens ist der beschriebene Werkstoff besonders für den Einsatz in Schaltautomaten geeignet.

Claims

1. Herstellungsverfahren eines elektrischen Kontakt-Verbundwerkstoffes auf der Basis eines elektrisch gut leitenden Metalls, wie beispielsweise Silber, Kupfer oder deren Verbindungen, durch Mischen von Kohlenstoffasern mit dem Metallpulver, Verdichten der Mischung und Sintern, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kohlenstoffasern, deren ursprüngliche Länge einen vorbestimmten Mittelwert (L1) aufweist, einer mechanischen Zerkleinerungsbehandlung in einer Mühle unterworfen werden,

- die Zerkleinerungbedingungen so festgelegt sind, dass Reste von zerkleinerten Kohlenstoffasern erzeugt werden, deren endgültige Länge um einen Mittelwert (L2) herum schwankt, der wesentlich unter dem ursprünglichen Mittelwert (L1) liegt,

- die Mischung der zerkleinerten Faserreste und des Metallpulvers so beschaffen ist, dass sie isotropisch im Werkstoff verteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ursprüngliche mittlere Länge (L1) der Kohlenstoffasern zwischen etwa 100 um und etwa 800 um liegt, und dass die endgültige mittlere Länge (L2) der gemahlenen Kohlenstoffaserreste kleiner ist als etwa 20 um.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung der Kohlenstoffasern mit dem Metallpulver auf trockenem Wege erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerkleinern der Kohlenstoffasern vor ihrer Mischung mit dem Metallpulver erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerkleinern der Kohlenstoffasern und das Mischen mit dem Metallpulver durch mechanische Synthese gleichzeitig erfolgen.