DK152600B - Kontaktmateriale i pulverform til fremstilling af elektriske kontakter - Google Patents

Description

i

DK 152600 B

Opfindelsen angår kontaktmateriale i pulverform til brug ved fremstilling af elektriske kontakter til effektniveauanvendelse; navnlig kontaker til elektrisk udstyr med middeleffekt eller lav effekt.

5 Inden for den kendte teknik er det velkendt at fremstille

elektriske kontakter af et ledende materiale og et tilsat materiale, som bibringer kontakten sprødhed. Til de fleste kontaktanvendelsesformål, hvor der er tale om mellemstor eller lav elektrisk vekselspændingseffekt, benyttes typisk sølv og cadmiumoxidblandinger. I

10 den seneste tid er disse elektriske kontakter blevet forbedret, navnlig for så vidt angår erosionshastighed ved tilsætning af et tredie materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding, såsom lithium, fortrinsvis i form af lithiumoxid. Materialer med lav elektronisk løsrivelsesspænding omfatter al kalimetal ler og jordalkali- 15 metaller, Gruppe 1A og 2A i det periodiske system, og de fleste af deres oxider. Oxiderne tilsættes fortrinsvis i en pulverproces, ved udfældning eller en tilsvarende teknik, hvorved der fremkommer en ensartet fordeling af det tredie materiale på pulverpartiklernes overflade.

20 Den kendte teknik anviser generelt, at tilsætningen af det tredie metaloxid bør finde sted i moderate, men signifikante vægt-andele for at opnå størst mulig forbedring som følge af, at den forbedrende effekt forventes at øges efter en eller anden ligefrem sammenhæng med den tilsatte andel. Det er således almindeligt 25 erkendt, at for en blanding af sølv og cadmiumoxid, typisk sølv med 15% cadmiumoxid, vil et procentisk indhold på fra ca. 1 til 3% lithium på vægtbasis af den totale blanding, tilsat enten i form af lithium eller lithiumoxid, give de gunstigst mulige resultater for så vidt angår erosionsegenskaber.

30 Ifølge den foreliggende opfindelse er der imidlertid fremstillet et materiale, som har meget bedre erosionsegenskaber, og disse egenskaber opnås ved tilsætning af en uventet lav mængde af materialet med lav elektronisk løsrivelsesspænding under opnåelse af størst mulig effekt.

35 Dette opnås med det indledningsvis angivne kontaktmateriale, som ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at det hovedsageligt består af et første metal med en forholdsvis høj elektrisk ledningsevne, et oxid af et andet metal, der er valgt således, at det bibringer materialet ønskede egenskaber, og som er tilsat i en 2

DK 152600 B

mængde, der ligger mellem den mindst mulige virksomme mængde og op til en størst mulig mængde, som svarer til opløselighedsgrænsen for det andet metal i det første metal, samt et additiv i form af et oxidmateriale, der er valgt således, at det har en lav elektronisk 5 løsrivelsesspænding, og er tilsat i oxidform i en mængde pi fra ca.

0,01 til ca. 0,078 molprocent af det samlede kontaktmateriale, idet det første og det andet metal er fordelt ensartet over alt i hele materialet.

Formålene og andre fordele ved opfindelsen vil fremgå af 10 nedenstående beskrivelse.

På tegningen viser figuren en kurve, der gengiver forsøgsresultater vedrørende erosionsegenskaber i et lineærtlogaritmisk koordinatsystem.

Materialet ifølge opfindelsen anvendes ved fremstilling af 15 elektriske kontakter ved sædvanlige metallurgiske metoder eller andre egnede metoder. Som følge af, at det er velkendt, at sølv er et foretrukket metal, og cadmiumoxid et foretrukket additiv i højt procentisk indhold, omfatter materialer, der er udvalgt til forsøg 85 vægtprocent sølv og 15 vægtprocent cadmiumoxid. Det er velkendt, 20 at dette materiale giver gode kontakter, og det fremstilles ved en pulverproces. Skønt en hvilken som helst proces, hvori de samme grundbestanddele benyttes, vil give forbedrede resultater, anviser den kendte teknik, at materiale fremstillet ved en pulverproces under anvendelse af en intern oxidationsmetode ville give den største 25 forbedring.

For at fremstille kontakter med et materiale ifølge opfindelsen tilvejebringes der et pulver ved blanding af et første og et andet udgangsmateriale i de ønskede forhold. Det første udgangsmateriale er sølvpulver, som er fremkommet ved sigtning gennem en 40 pm 30 sigte, hvorved der fremkommer en middelpartikeistørrelse med en diameter på ca. 20 pm eller mindre. Det andet udgangsmateriale er cadmiumoxidpulver, hvis diameter ligger i størrelsesområdet fra 0,01 til 2 pm. De to pulvere tromleblandes tørt i en tromle, og de blandede pulvere sigtes gennem en 40 pm sigte.

35 Det sigtede pulver opvarmes i en stærkt reducerende hydro genatmosfære til omdannelse af cadmiumoxidet til cadmium ved at anbringe pulveret i en ovn ved en temperatur på fra ca. 200 til 700°C udbredt, så det har en dybde på ca. 1 cm. Temperaturen holdes under smeltetemperaturen af den legering, som ville dannes 3

DK 152600 B

med de relative mængder af sølv og cadmium, der er til stede, således at dannelse af en smelte hindres, og at der finder en legering sted, når cadmiummet opløses i eller diffunderer ind i sølvpartiklerne.

5 Det fremkomne legerede materiale nedbrydes mekanisk og sigtes gennem en 500 øm sigte under dannelse af en legering på pulver*-eller partikelform. Det sigtede legeringspuiver opvarmes derefter i en oxiderende atmosfære tii en temperatur, der er tilstrækkelig lav til at hindre dannelse af en smelte og tilstrækkelig høj til at sikre 10 fuldstændig intern oxidation. Materialet sigtes derefter til en finhedsgrad, der er passende til fremstilling af kontakter på kendt mide.

Et tredie udgangsmateriale, som vælges for sidenhen at udgøre et additiv-materiale, i form af et oxid af et alkalimetal eller 15 jordal kalimetal og fortrinsvis et oxid af lithium eller barium tilsættes efter sigtnings- og oxidationsoperationen. Det tredie udgangsmateriale, som kan være en hvilken som helst forbindelse af et metal med lav løsrivelsesspænding, der er oxiderbart til oxidform, opløses i et egnet opløsningsmiddel, som blandes med den oxiderede legering 20 under dannelse af en opslæmning. Mængdeforholdene vælges således, at det ønskede slutresultat opnås, og opslæmningen tørres, hvorved der dannes et internt oxideret sølv-cadmium-legeringspulver, hvor der på overfladen af pulverpartiklerne er dannet små krystaller af forbindelsen af materialet med lav løsrivelsesspænding. Den tørre 25 pulverblanding sigtes derefter gennem en sigte af egnet størrelse for at opbryde eventuelt dannede store kager af materiale og dekom-poneres derpå til oxidform ved opvarmning i nødvendig udstrækning.

Det fremkomne pulverformige materiale består derefter af et internt oxideret sølvcadmiumoxid-legeringspulver med oxidpartikler jævnt 30 fordelt over overfladerne. Dette materiale sigtes gennem en sigte for at give en til bearbejdning til kontakter passende størrelse.

Kontakterne fremstilles ved typiske metallurgiske metoder, der omfatter en sammenpresning af materialet under dannelse af et kompakt legeme, en sintring af legemet og presning af det sintrede 35 legeme til kontakternes endelige form og størrelse.

Kontakter fremstillet ved denne fremgangsmåde blev afprøvet med hensyn til relativ erosion efter 250.000 omskiftningsoperationer. Prøverne gennemførtes på et NEMA kontaktorgan, størrelse 3, med 300 operationer pr. time. Betingelserne ved slutning af kontakten 4

DK 152600 B

var 575 volt vekselstrøm ved 750 ampere med en 3-faset 60 hertz kilde og en belastning med en effektfaktor pi 0,35, og åbningen gennemførtes ved 95 volt vekselstrøm pi 125 ampere med samme kilde og effektfaktor. Resultaterne er vist i nedenstående tabel og afbildet 5 i figuren på tegningen, hvori molprocenten af lithiumoxid eller den omdannede ækvivalent hertil i den samlede blanding er afsat ad den lodrette logaritmiske akse og den relative erosionshastighed afsat ad den vandrette lineære akse.

10 Li LigO 1A, 2A relativ

Materiale vægtprocent molprocent molprocent erosion A 0,0003 0,0024 0,0032 1,00 B 0,0025 0,020 0,028 0,61 15 C 0,0050 0,040 0,041 0,57 D 0,0100 0,078 0,080 0,79 E 0,0500 0,400 0,40 1,14 F - 0,039* 0,039 0,54

20 * BaO

Erosionshastigheden for kontakter stort set uden lithiumoxid valgtes til sammenligningsformål og er afbildet ved punkt A i prøve A. Som vist bestemtes lithiumindholdet i vægtprocent til 0,0003, 25 hvilket er 0,0024 molprocent lithiumoxid, hvilket er afbildet som en cirkel. Yderligere urenheder af tilstedeværende materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding hævede den samlede ækvivalente molprocent til 0,0032, hvilket er afbildet som et “X". Til de andre materialer var lithiumoxid tilsat som vist i tabellen, og de blev 30 undersøgt med hensyn til bestemmelse af urenhedsniveauerne af andre materialer med lav elektronisk løsrivelsesspænding, og resultaterne er afbildet som henholdsvis en cirkel og et "X" som vist i figuren. Forsøg F afbildet som en trekant i punkt F gennemførtes under anvendelse af bariumoxid.

35 Til sammenligningsformil påvistes det, at standardforholdet for relativ erosion for et materiale fremstillet ved en standardprocedure, dvs. en anden end pulverteknologi, med 85 vægtprocent sølv og 15 vægtprocent cadmiumoxid er ca. 1,2 i sammenligning med erosions-hastigheden for et dermed ækvivalent materiale fremstillet ved en 5

DK 152600 B

pulverproces, hvilken erosionshastighed er 1,0 (punkt A).

Materiale B indeholdt 0,0025 vægtprocent lithium, hvilket er ækvivalent med 0,02 molprocent lithiumoxid og en total mængde materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding pi 0,028 ækviva-5 lentmolprocent. Den relative erosionshastighed herfor var 61% af erosionshastigheden for sølv-cadmiumoxid-materialet A.

Materialerne C, D og E blev tilsat med de viste resultater til føige.

Materialet F indeholdt 0,039 molprocent bariumoxid med en 10 relativ erosionshastighed på ca. 0,54 af erosionshastigheden for materialet A.

Konklusionen af denne forsøgsserie og andre verificerende forsøgsresultater viser, at i modsætning ti! hvad man skulle have forventet i lyset af den kendte teknik, er den mængde lithiumoxid, 15 som skal tilsættes til sølv-cadmiumoxid-materialet, meget mindre end 1-3 vægtprocent. Den størst mulige fordel opnas, hvis det procentiske indhold af lithiumoxid eller andet materiale med lav elektronisk iøsrivelsesspænding på molbasis holdes i området fra 0,01 til 0,078 eller fortrinsvis i området fra 0,015 til 0,078, idet den 20 størst mulige effekt forekommer ved fra ca. 0,03 til 0,05 molprocent.

Det er imidlertid klart, at der opnås en vis forbedring med en hvilken som helst signifikant eller målelig effektiv mængde op til et maksimum på ca. 0,2 molprocent, hvilket er ca. 0,03 vægtprocent lithium, 25 Forsøgsresultaterne for barium underbygger teorien om, at et hvilket som helst af materialerne med lav elektronisk løsrivelsesspænding fra enten Gruppe 1A, som indbefatter lithium, natrium, kalium, rubidium og cæsium, eller Gruppe 2A, som indbefatter barium, beryllium, magnesium, calcium, strontium og radium, ville 30 give samme forbedring. Af sikkerhedshensyn anses beryllium og radium dog for uegnede. Med hensyn til de anvendte materialer er der ifølge den kendte teknik også grundlag for at antage, at det med et hvilket som helst iedende primært materiale, såsom sølv eller kobber, og tilsætning af et hvilket som helst sprødhedsbibringende 35 materiale, såsom cadmiumoxid, tinoxid eller zinkoxid, vil gælde, at tilsætningen af materialerne med lav elektronisk løsrivelsesspænding vil føre til stort set samme resultater med de passende reguleringer, som en fagmand med kendskab til den foreliggende opfindelse let kan gennemføre.

6

DK 152600 B

Tilsætningen af det andet sprødhedsbibringende metal til det første ledende metal kan opnås ved at tilsætte det i en mængde på fra den mindste, virksomme mængde og op til opløselighedsgrænsen for det andet metal i det første metal. Inden for dette område kan 5 det andet metal derefter oxideres internt på en hvilken som helst passende måde, og et oxid af det tredie materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding kan tilsættes i en mængde, der ligger inden for det ifølge den foreliggende opfindelse angivne procentområde.

Skønt kontakterne kan fremstilles på en række måder, har 10 pulverprocessen vist sig at give de bedste resultater, og den foretrækkes til de fleste anvendelsesformål, der falder inden for det område, der fremgår af forsøgsresultaterne, og navnlig til kontaktanvendelsesformål, hvor slutning gennemføres på højt niveau og afbrydelse på lavt niveau. For at frembringe kontaktmateriale på 15 denne måde påbegyndes processen med en blanding af et første metal og et til det første metal tilsat andet metal, som skal legere med det første metal, og tilsættes i en mængde op til opløselighedsgrænsen for det andet metal i det første metal. Det blandede materiale legeres i pulverform, og pulveret opvarmes i en oxiderende atmosfære for 20 oxidation af det andet metal på en måde, hvorved det oxideres internt. Det tredie metal eller dets oxid tilsættes på en hvilken som helst kendt måde, såsom ved præcipitation, således at det dispergeres ligeligt over pulveret.

Navnlig hvad angår sølv og cadmiumoxid er et ønskeligt 25 cadmiumindhold ifølge den kendte teknik ca. 13 vægtprocent cadmium i den samlede materialeblanding. Det fremgår heraf, at en blanding på fra ca. 10 til 20% cadmiumoxid og resten sølv foretrækkes, hvortil det tredie metaloxid tilsættes. Det kan være hensigtsmæssigt at Øge cadmiummængden til visse anvendelsesformål som følge af, at cadmium 30 teoretisk kan være opløst i op til 40 vægtprocent cadmium til 60% sølv ved stuetemperatur, og dette kan forøges til 44% ved 400°C.

Med andre metaller, som er egnede, er det for at opnå intern oxidation af det andet metal nødvendigt ved typisk forarbejdning, at det andet metal oxideres lettere end det første metal under de 35 forarbejdningsbetingelser, som mødes eller vælges.

Uanset hvilke udgangsmaterialer der benyttes, komprimeres det fremkomne materiale derefter til den ønskede tæthed, sintres under dannelse af den ønskede struktur til brug i kontakten og formes endeligt til det ønskede resultat ved skæring eller andre metoder.

DK 152600 B

7

Kontakten kan derefter tilføres det fysiske kontaktomskiftningsapparat pi en hvilken som helst inden for teknikken velkendt måde.

Til forståelse af virkemåden af et materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding kræves ifølge én teori, som forklarer virke-5 måden, ensartet fordeling af materialet med lav løsn velsesspænding på den færdige elektriske kontakt. Når en kontakt består af stoffer med elektroniske løsrivelsesspændinger, der ligner hinanden, forårsages erosion af den udladning fra kontaktoperationen, som foregår mellem de punkter, som rager længst ud fra kontaktover-10 fladerne. Når kontakten er virksom og udladningen initieres, udsendes der elektroner fra disse fremspring, og det elektriske felt i nærheden af fremspringene deformeres og øges til et niveau, som væsentligt forøger udsendelsen af elektroner. Dette skaber en særlig og sandsynlig bane for bueudladningen. Hver bue gør kontakt-15 overfladerne i det område, hvor den forekommer, ru og beskadiger dem, hvorved der dannes store fremspring i det pågældende område, og dette forøger sandsynligheden for, at senere udladningssteder vil forekomme i samme område. Dette medfører særlig kraftig erosion eller særlig stor overføring af kontaktmateriale på samme afgrænsede 20 steder.

Hvis materiale med lav løsrivelsesspænding fordeles jævnt over kontaktoverfladen ifølge den foreliggende opfindelse, reduceres erosionen væsentligt, formodentlig som følge af den jævne fordeling.

Den tilsyneladende forklaring er, at det jævnt fordelte materiale med 25 lav løsrivelsesspænding tilvejebringer en anden mekanisme til initiering af bueudladning som følge af, at elektroner emitteres meget lettere, dvs. ved lavere elektrisk feltstyrke af materialet med den lavere elektronisk løsrivelsesspænding end af de andre materialer med højere løsrivelsesspænding. De steder i kontakten, hvor 30 materialet med lav elektronisk løsrivelsesspænding forekommer, virker på stort set samme måde med hensyn til elektronemission som fremspringene i den sædvanlige kontakt. Det højeste fremspring, som indeholder materiale med lav løsrivelsesspænding, leverer de elektroner, som initierer bueudladningen, og den resulterende udladning 35 ødelægger fremspringenes oprindelige form og "opriver" det område, der omgiver det, til en reduceret højde som følge af den reducerede strømtæthed. Udladningen fjerner også materialet med lav elektronisk løsrivelsesspænding fra området, og det er derfor mere sandsynligt, at den næste udladning initieres fra det højeste fremspring, som 8

DK 152600B

indeholder materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding osv.

Som følge af, at materialerne med lav løsrivelsesspænding er fordelt over kontakten, bliver erosionen dermed godt fordelt over kontaktoverfladerne.

5 Andre forklaringer af den mekanisme, efter hvilken kontakten fungerer, kendes og synes at bidrage til forklaringen af andre observerede fænomener. Det synes også at være sandt, at med materialerne med lav løsrivelsesspænding reduceres strømtætheden i de dannede buer, hvilket reducerer den materialemængde, der 10 ødelægges af hver bue. Som følge af, at materialerne med lav løsrivelsesspænding også synes at have høje første-ionisationspotentialer, synes denne egenskab at medvirke til at forklare de iagttagne forbedringer.

En anden forbedring, der er konstateret, og som støttes af 15 forklaringen, er effektiviteten af oxiderne af alkali- og jordal kalimetallerne. Udover, at oxiderne har lave elektronisk løsrivelses-spændinger, har de generelt høje første-ionisationspotentialer sammenlignet med deres metaller. Udover, at oxiderne er lettere at håndtere og bearbejde og har lave elektroniske løsrivelses-20 spændinger, har de også et højere ionisationspotentiale med de deraf følgende fordele.

De to fænomener kan også forklare andre resulterende erosionsegenskaber, eftersom oxiderne dekomp onerer ved forskellige temperaturer men generelt i det temperaturomride, som optræder i 25 buerne. Denne dekomponering ville sænke ionisationspotentialet og den elektroniske løsrivelsesspænding fra dem for oxidet til dem for metallet og ville forklare de forskellige forbedringer ved forskellige kombinationer.

Som følge heraf kan den samlede forbedring i erosionsegen-30 skaberne bestemmes ved en sammenligning af den elektroniske løsrivelsesspænding for metallet og dets oxid, ionisationspotentialet for metallet og dets oxid, den temperatur, ved hvilken oxidet dekomponerer til metallet og oxygen, og temperaturen og varigheden af de buer, der optræder. I det omfang faktorerne kan fastlægges, 35 kan der konstrueres kontakter, hvormed der opnås de mest gunstige resultater for nærmere bestemte anvendelsesformål under anvendelse af den foreliggende opfindelsens lære. Dette forudsætter, at disse teorier faktisk forklarer de fordele, der opnås, ved anvendelse af kontakter fremstillet ifølge den foreliggende opfindelse. Sandsynlig- 9

DK 152600 B

heden synes at tale herfor men er dog ikke endeligt fastslået, og forbedringerne ifølge den foreliggende opfindelse kan delvis stamme fra fænomener, som ikke kendes eller ikke er klarlagt.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (8)

1. Kontaktmateriale i pulverform til brug ved fremstilling af elektriske kontakter til effektniveauanvendelser, kendeteg- 5 net ved, at det hovedsageligt består af et første metal med en forholdsvis høj elektrisk ledningsevne, et oxid af et andet metal, der er valgt således, at det bibringer materialet ønskede egenskaber, og som er tilsat i en mængde, der ligger mellem den mindst mulige virksomme mængde og op til en størst mulig mængde, som svarer til Ί0 opløselighedsgrænsen for det andet metal i det første metal, samt et additiv i form af et oxidmateriale, der er valgt således, at det har en lav elektronisk løsrivelsesspænding, og er tilsat i oxidform i en mængde pi fra ca. 0,01 til ca. 0,078 molprocent af det samlede kontaktmateriale, idet det første og det andet metal er fordelt 15 ensartet over alt i hele materialet.

2. Kontaktmateriale ifølge krav 1, kendetegnet ved, at additivmaterialet er tilsat i en mængde på fra ca. 0,03 til ca. 0,05 molprocent af hele kontaktmaterialet.

3. Kontaktmateriale ifølge krav 1, kendetegnet 20 ved, at additivmaterialet er tilsat i en mængde pi fra ca. 0,015 til ca. 0,078 molprocent af hele kontaktmaterialet.

4. Kontaktmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at det første metal består af sølv.

5. Kontaktmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, 25 kendetegnet ved, at additivet består af lithiumoxid eller bariumoxid.

6. kontaktmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kendetegnet ved, at additivet er et oxid af magnesium, calcium, strontium, natrium, kalium, rubidium, cæsium eller 30 francium.

7. Kontaktmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, kendetegnet ved, at det andet metal er udvalgt således, at det bibringer kontakten ønskede sprødhedsegenskaber.

8. Kontaktmateriale ifølge krav 7, kendetegnet 35 ved, at det andet metal er cadmium.