DE7418086U

DE7418086U - Kontakt für elektrische Schalter

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Publication number: DE7418086U
Application number: DE7418086U
Authority: DE
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1973-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1974-10-31
Also published as: US3930849A; DE2425315A1; JPS5020299A; BR7403955D0; GB1432101A

Description

Patentanwälte Dipl. -LnC. ψ. We nc km an ν, ^! 1

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. D?.. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DXIIl/KtZ 8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 S20 MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9S 39 21/22

P.R« Mallory & Co Inc., 3029 East Washington Street Indianapolis, Indiana, USA

Kontakt für elektrische Schalter

Die vorliegende Neuerung betrifft einen Kontakt für elektrische Schalter auf der Basis eines Ag-GdO-Materials.

Materialien für elektrische Kontakte auf der Basis Ag-CdO sind im Vergleich zu Materialien auf der Basis Ag generell weniger anfällig gegen Kleben und Aerosion durch Bogenentladungen. Da auch der Kontaktwiderstand von Materialien auf der Basis Ag-OdO sehr stabil ist, sind derartige Materialien sowohl bei kleinen (bis zu etwa 20A) als auch bei großen (bis zu etwa 100A) Strombelastungen verwendbar. Andererseits sind derartige Materialien auf der Basis Ag-CdO in solchen Fällen weniger geeignet, in denen an den Kontaktflächen große Augenblickstemperaturen bis zu etwa 1000⁰C oder höher entstehen.

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Im Vergleich zu Materialien auf der Basis Ag-OdO sind Materialien auf der Basis Ag-CdO mit einem Oxid des Sn im Hinblick auf die Aerosion durch Bogenentladungen und des Kontaktkleb ens besser. Ein derartiges Kontaktmaterial ist in der US-Patentschrift 3 607 244 beschrieben. Ein derartiges Material besitzt jedoch andererseits wiederum den Nachteil, daß die Oxidationsrate bein Eerstellungsprozeß klein ist.

Der vorliegenden Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material für elektrische Eontakte auf der Basis Ag-CdO anzugeben, bei dem die oxidierbaren Komponenten im Vergleich zu einem Material auf der Basis Ag-Cd-Sn mit einer größeren Oxidationsrate oxidierbar sind. Das Material soll dabei eine vorgegebene kleine Oxid-Partikelgröße besitzen. Weiterhin soll das Material an der Kontaktfläche mit Augenblickstemperaturen bis zu etwa 1000⁰C belastbar sein, ohne daß sich die Kontaktflächen nachteilig verändern. Schließlich soll der Erweichungspunkt des Materials bei einer Temperatur von etwa 450⁰C oder höher liegen.

Diese Aufgabe wird bei einem Kontakt der eingangs genannten Art neuerungsgemäß durch folgende Materialzusammensetzung gelöst:

Ag und Cd mit bis zu 2 Gewichtsprozent an Sn und einem geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls aus der Gruppe HA des periodischen Systeme der Elemente, Metalle der seltenen Erden, Tt, Mischmetall oder Mischungen dieser Metalle, wobei das Material zur Überführung der oxidierbaren Komponenten in die entsprechende Metalloxide oxidierbar ist.

Das neuerungsgemäße Kontaktmaterial auf der Basis Ag-Cd-ISn besitzt also einen Metallzusatz, welcher früher als Cd oder sn oxidiert, d.h., dieser- Zusatz bildet Kristallisationskerne für die Oxidation des Sn und des Cd.

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Als Metalle aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente kommen gemäß einem besonderen Merkmal der Neuerung vorzugsweise Be, Mg, Ca und/oder Sr in Frage, während als Metalle der seltenen Erden vorzugsweise La, Ce und/oder Nd verwendet werden.

Die Neuerung wird im folgenden anhand der Figuren der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Mikrophotographie eines einer inneren Oxidation unterworfenen Kontaktmaterials auf der Basis Ag-CdO in 540-facher Vergrößerung mit etwa 9 Gewichtsprozent Cd, etwa 1,5 Gewichtsprozent Sn, etwa 0,06 Gewichtsprozent Ca und dem Rest Ag;

Fig. 2 eine Mikrophotographie eines einer inneren Oxidation unterworfenen Kontaktmaterials auf der Basis Ag-CdO in 340-facher Vergrößerung mit etwa 9 Gewichtsprozent Cd, 1,5 Gewichtsprozent Sn, 0,05 Gewichtsprozent Sr und dem Rest Ag; und

Fig. 3 Photographien vier verschiedener Kontaktmaterialien auf der Basis Ag-CdO, welche für 10 Minuten auf 1000⁰C erhitzt wurden.

Die Oxidationsrate der oxidierbaren Komponenten, die Eigenschaften bei großen Augenblickstemperaturen, die Oxidpartikelstruktur und die Erweichungstemperatur eines Kontaktmaterials auf der Basis Ag-CdO werden gegenüber einem Kontaktmaterial auf der Basis Ag-CdO mit einem Zusatz eines Oxids des Sn dadurch verbessert, daß dem Ag-Cd bis zu zwei Gewichtsprozent Sn und bis zu etwa 0,1 Gewichtsprozent eines Zusatzmaterials zugesetzt wird, das aus der Gruppe HA des periodischen Systeme der Elemente (vorzugsweise Be, Mg, Ca, Sr), den Metallen der seltenen Erden (vorzugsweise La, Ce, Nd), Mischmetall oder Mischungen dieser

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Metalle gewählt ist_s und daß die oxidierbaren Komponenten dieses Materials auf der Basis Ag-Ca oxidiert werden. Die Mikrosbruktur enthält dabei feine Körner der Oxide des Cd, Sn und des Zusatzmetalls. Vorzugsweise enthält das Material eine effektive Menge von bis zu 2 Gewichtsprozent oxidierten Sn sowie eine effektive Menge von bis zu 0,1 Gewichtsprozent des oäfcidierten Metalls.

Generell gesprochen wird das Material auf der Basis Ag-CdO für dea neuerungsgemäßeη Kontakt dadurch hergestellt, daß ein Material oxidiert wird, das etwa 70 bis 95 Gewichtsprozent Ag, etwa 5 bis 30 Gewichtsprozent Cd, etwa 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Sn sowie einen geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente (vorzugsweise Be, Mg, Ca, Sr), der Metalle der seltenen Erden (vorzugsweise La, Cd, Nd), Mischmetalle oder Mischungen dieser Zusatzmetalle enthält. Die oxidierbaren Komponenten dieses Materials werden zur Bildung eines Kontaktes auf der Basis Ag-CdO oxidiert.

Das Zusatzmetall beginnt vor der Oxidation des Sn oder des Cd zu oxidieren und wirkt als Kristallisationskern für das Wachstum der Oxide des Sn und des Cd in Form von feinen Körnern. Eine Menge des Zusatzmetalls, welche kleiner als etwa 0,001 Gewichtsprozent ist, übt die Wirkung von Kristallisationskernen nicht mehr aus, während eine Menge von über etwa O₅15 Gewichts« prozent die Ausfällung des Cd und des Sn an den Korngrenzen vergrößert und die elektrische Leitfähigkeit, die Verarbeitbarkeit des Kontaktmaterials sowie die Oxidationsrate bei seiner Herstellung reduziert. Der Metallzusatz beträgt vorzugsweise etwa 0,01 bis 0,15 Gewichtsprozent. Das Zusatzmaterial ist in einer Schmelze mischbar, während Metalle wie beispielsweise Co, Pe oder Ni in Schmelzen nicht mischbar sind. Eb ist wichtig, daß das Zusatzmetall in einer Schmelze mischbar ist, um eine homogene Mischung zu erhalten, welche nach einemGießvorgang gleichförmige mechanische Eigenschaften besitzt.

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Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, bewirkt das Zusatzmetall daß die Körner der Oxide des Cd und des Sn nach der Oxidation des Materials auf der Basis Ag-Od sehr fein sind. Die Partikel der gemischten Oxide des Cd-Oa und Sn nach Pig. 1 und der Partikel der gemischten Oxide des Cd, Sr und Sn nach Fig. besitzen eine mittlere Größe von weniger als etwa 3 Mikrometer. Demgegenüber besitzen die (nicht dargestellten) Partikel der gemischten Oxide des Cd und Sn ohne den neuerungsgemäß vorgesehenen Metallzusatz eine mittlere Größe von etwa 20 Mikrometer.

Das Material für den neuerungsgemäßen elektrischen Kontakt kann entweder durch einen Voroxi&ations- oder Nachoxidationsprozeß hergestellt werden. Hinsichtlich eines Voroxidationsprozesses bei der Oxidation von Materialien auf der Basis Ag-Cd können Parameter gemäß den US-Pjatentschriften 27 075 und 3 5^-5 067 gewählt werden, um die oxidierbaren Komponenten des Materials auf der Basis Ag-Cd gemäß der Neuerung zu oxidieren. Dabei wird eine Schmelze des Ag-Cd-Sn gebildet und das Zusatzmetall vorbereitet, zerstäubt und oxidiert. Nach der Oxidation der Komponenten wird die Kontaktform gebildet. Um Verluste an Sn und/oder des Zusatzmetalls während der Herstellung der Schmelze und/oder der Zerstäubung zu kompensieren, kann das Sn und/oder das Zusatzmetall im Überschuß zugefügt werden.

Für einen Nachoxidationsprozeß für Materialien auf der BaaLs Ag-Cd können Parameter gemäß den US-Patentschriften 2 539 und 2 673 167 gewählt werden, um die oxidierbaren Komponenten des Materials für neuerungsgemäße Kontakte zu oxidieren, Bei diesem Prozeß wird zunächst die Kontaktform gebildet, wonach die oxidierbaren Komponenten oxidiert werden.

Bei der Oxidation der Komponenten des Materials durch Voroxidation bzw. bei der Oxidation der fertigen oder halbfertigen

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Kontaktform durch Nachoxidation ist in Abhängigkeit von der Kontaktform, der Oxidationstemperatur und des Sauerstoffgehaltes der Atmosphäre eine Oxidationstemperatur von bis zu etwa 850⁰O und eine Oxidationszeit von bis zu etwa 120 Stunden erforderlich.

Unter der Annahme der gleichen Abmessungen und der gleichen Prozeßparameter für ein Material auf der Basis Ag-Od-Sn und ein Material auf der Basis Ag-Od-Sn mit einem Metallzusatz ist die Oxidationsrate für das letztgenannte Material bis zu etwa 10 # größer. Das n©«erungs.gemäße Material auf der Basis Ag-OdO vermag Augenblickstemperaturen von bis zu 1000° C besser zu widerstehen als ein oxidiertes Material auf der Basis Ag-OdO-Sn. Wird beispielsweise ein durch innere Oxidation hergestelltes Material mit 9 Gewichtsprozent Od, 1,5 Gewichtsprozent Sn und 89»5 Gewichtsprozent Ag für etwa 10 Minuten auf eine Temperatur von 1000⁰C aufgeheizt, so bildet sich an der Materialoberfläche ein zusammengelaufenes Bad einer Silberschmelze. Das zeigt, daß ein derartiges Material großen Augenblickstemperaturen besser zu widerstehen vermag, wodurch das neuerungsgemäße Material auf der Basis Ag-OdO als Kontaktmaterial für Unterbrecherkreise besser als ein durch innere Oxidation hergestelltes Material auf der Basis Ag-OdO-Sn geeignet ist.

Figur 3 zeigt Proben von vier verschiedenen, durch innere Oxidation hergestellten Materialien nach einer Aufheizung für 10 Minuten auf 1000⁰C. Eine Probe 30 (Ag-90d) zeigt eine beträchtliche Zusammenballung von geschmolzenem Silber 31 an ihrer Oberfläche. Bei einer Probe 32 (Ag-9Cd-1,5Sn) ist ebenfalls eine Zusammenballung von geschmolzenem Ag 33 an der Oberfläche vorhanden. Proben 34 (Ag-90d-1,5Sn-O,05Ca) und 35 (Ag-90d-1,5Sn-0,o5Sr) zeigen, wenniiberhaupt, eine sehr geringe Zusammenballung von Ag an ihrer Oberfläche.

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Bei Zimmertemperatur beträgt die Härte des neuerungsgemäßen Materials etwa 90 bis 95 R_H» während die Härte eines Materials auf der Basis Ag-OdO bei Zimmertemperatur etwa 80 bis 85 R₁₁ beträgt. Die Erweichungstemperatur für daß neuerungsgemäße Material liegt bei etwa 450⁰O, während die Erweichungstemperatur für ein Material auf der Basis Ag-OdO bei etwa 400⁰O liegt.

Durch Zusatz eines Metalls, das gegen Sauerstoff eine größere Affinität als Od oder Sn besitzt, wird die Oxidationsrate eines Materials auf der Basis Ag-OdO um etwa 10# erhöht. Darüber hinaus wird auch ein stabileres Oxid gebildet, als es durch Cd oder Sn möglich ist. Übersteigt die Menge des Zusatzmetalls, beispielsweise von Oa jedoch etwa 0,15 Gewichtsprozent, so bildet sich an den Korngrenzen eine starke Oxidausfällung, welche die Oxidationsrate des Materials auf der Basis Ag-CdO reduziert.

Im neuerungsgemäßen Material auf der Basis Ag-CdO ist das Zusatzmetall gleichmäßig verteilt. Bei der Oxidation der oxidierbaren Komponenten im neuerungsgemäßen Material bildet sich das Oxid des Zusatzmetalls vor der Bildung der Oxide des Sn oder des Cd. Die Bildung eines Oxids des Zusatzmetalls führt zur Erzeugung von Kristallisationskeimen für die Oxide des Sn und des Cd, wodurch die Bildung dieser letztgenannten Oxide beschleunigt wird. Die Oxide des Zusatzmetalls und des Sn tendieren dazu, sich an die CdO-Fartikel anzulagern.

Das neuerungsgemäße Kontaktmaterial auf der Basis Ag-CdO oxidiert im wesentlichen gleichförmig durch das Material, so daß die elektrischen Eigenschaften im wesentlichen gleich bleiben, wenn die Kontaktflächen sich abnutzen.

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Wird das Material gemäß der Neuerung für etwa 10 Minuten einer Temperatur von etwa 100O⁰C ausgesetzt, so bilden sich praktisch keine Zusammenballungen von geschmolzenem Ag an den Kontaktoberflächen.

Bei dem Metallzusatz handelt es sich um ein Metall aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente, nämlich Ca, Sr, Be und Mg; ein Metall der seltenen Erden, nämlich La, Ce. Nd; Yt; und Mischmetall. Aus diesen vorgenannten Metallen sind die Metalle Ca, Sr, Ce und Mischmetall bevorzugt, aus denen wiederum Ca, Sr und Mischmetall vorteilhaft sind. Die untere Grenze des Anteils in Gewichtsprozent des Metallzusatzes muß ausreichen, damit er als Kristallisationskeim für die Bildung der Oxide von Sn und Cd wirken kann, übersteigt die Menge des Zusatzmetalls jedoch 0,2 Gewichtsprozent, so werden die gewünschten Effekte nicht mehr erreicht. Die Menge des Zusatzmetalls beträgt vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent oder weniger.

Das Vorhandensein geringer Mengen von verunreinigenden Elementen spielt für das neuerungsgemäße Material keine kritische Rolle.

Über die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele hinausgehend ist es auch möglich, dem neuerungsgemäßen Material auf der Basis Ag-CdO geringe Mengen weiterer Metallkomponenten zuzusetzen.

- Schutzansprüche -

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Claims

S chutzansprüche

1. Kontakt für elektrische Schalter auf der Basis eines Ag-CdO-Materials, gekennzeichnet durch folgende Mat eri alausammensetzung:

Ag und Cd mit bis zu 2 Gewichtsprozent an Sn und einem geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente, Metalle der seltenen Erden, Yt, Mischmetall oder Mischungen dieser Metalle, wobei das Material zur Überführung der oxidierbaren Komponenten in die entsprechenden Metalloxide oxidiert ist.

2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid des Sn sowie das Oxid des geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls das Reaktionsprodukt der Erhitzung des Sn bzw. des Metallzusatzes in einer sauerstoffreichen Atmosphäre auf eine erhöhte !Temperatur ist.

3. Kontakt nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geringe aber merkliche Zusatz eines Metalloxids ein Oxid eines Metalls aus der Gruppe Ga, Sr, Be, Mg, Yt, La, Ce, Nd, Mischmetall oder Mischungen der Oxide dieser Metalle, vorzugsweise ein Oxid des Ca, Sr, des Mischmetalls oder Mischungen der Oxide dieser Metalle ist.

4. Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch g e k e η η· zeichnet, daß der geringe aber merkliche Zusatz eines Metalloxids bis zu etwa 0,1 Gewichtsprozent des Metalls beträgt.

5· Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g ekennzeichnet, daß das CdO und das Oxid des Sn im Material gleichmäßig verteilt sind und daß das Oxid des Metalls aus der Gruppe HA des periodischen Systems der

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Elemente, Yt, des Mischmetalls oder Mischungen der Oxide dieser Metalle sich an den Korngrenzen des OdO und des Oxids des Sn befinden.

6. Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gemischten Oxide des Od, Sn und des Zusatzmetalls eine mittlere Partikelgröße von höchstens etwa 3 Mikrometer besitzen.

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