DK157511B - Fremgangsmaade til fremstilling af kontakt af kontaktmateriale af soelv, cadmiumoxid og lithiumcarbonat samt kontakt fremstillet ved fremgangsmaaden - Google Patents

Description

DK 15751 1 B

i

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af en elektrisk kontakt til elektriske effektanvendelser ud fra et første udgangsmateriale, der omfatter sølv i pulverform eller en reducerbar forbindelse heraf i pulverform og med en valgt maksimal 5 partikelstørrelse, og et andet udgangsmateriale, der består af cadmium eller en reducerbar forbindelse eller forbindelser heraf, alle med en valgt maksimal partikelstørrelse og tilsat i en mængde fra den mindst mulige virksomme mængde og op til den maksimale opløselighedsgrænse for det andet metal i det første metal, ved 10 sammenblanding af det første og det andet udgangsmateriale til opnåelse af en blanding med en i alt væsentligt ensartet fordeling af det første og det andet udgangsmateriale, opvarmning af blandingen i en reducerende atmosfære til en temperatur under smeltetemperaturen for legeringen af det første og det andet metal i de fore-15 liggende proportioner til frembringelse af en legering i pulverform, sigtning af den legerede blanding til tilvejebringelse af en valgt maksimal partikelstørrelse, opvarmning af den sigtede blanding i en oxiderende atmosfære ved en temperatur og under forhold, der er valgt således, at det andet metal oxideres i alt væsentligt fuld-20 stændigt samtidig med, at temperaturen ligger under smeltetemperaturen for legeringen i de foreliggende proportioner, således at blandingen bevares i pulverform, og sigtning af den oxiderede blanding til frembringelse af en valgt maksimal partikelstørrelse.

25 De ved fremgangsmåden fremstillede elektriske kontakter er særligt egnede til slutning og afbrydning af strømkredse med lav til middel effekt, og opfindelsen angår navnlig den metallurgiske sammensætning samt fremgangsmåde til fremstilling af sådanne kontakter.

30 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 middel eller lav elektrisk vekselspændingseffekt benyttes typisk sølv- og cadmiumoxidblåndinger. I den 35 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. Materialet og fremgangsmåden til fremstilling af materialet, således at lithiumoxidet fordeles

DK 157511B

2 ensartet gennem hele materialet, er omtalt i beskrivelserne til US patenterne nr. 4.011.053 og nr. 4.011.052, der er udstedt 8. marts 1977, og som af opfinderen T.A.Davies er overdraget til indehaveren af retten til den foreliggende opfindelse. En nyere udvikling inden 5 for fremstilling af kontaktmaterialer af sølv, cadmiumoxid og lithiumoxid omtales i beskrivelsen til US patent nr. 4.095.977, som er udstedt 20. juni 1978, og som af opfinderen F.S.Brugner er overdraget til indehaveren af retten til den foreliggende opfindelse. I patentet til Brugner, kombineret med patenterne til Davies, 10 omtales det, at hvis der er en ganske lille mængde lithiumoxid til stede i sølvcadmiumoxidkontaktmaterialet opnås en uventet drastisk forøgelse af kontaktens holdbarhed.

Ved at følge Davies og Brugners belæringer frembringes et kon-15 taktmateriale, som har langt bedre bestandighed mod erosion, og disse egenskaber frembringes ved at tilsætte en uventet lille mængde materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding til opnåelse af størst mulig forbedring. Man har således konstateret, at maximal erosionsbestandighed kan opnås ved omhyggeligt at vælge materialet 20 og det procentiske indhold af materiale med lav elektronisk løsrivelsesspænding i form af et oxid af materialet, som fordeles ensartet i en sølv-cadmiumoxidkontakt.

Metal kontakter omfattende pulverformigt sølv og cadmiumoxid udstyres 25 sædvanligvis med en bagbeklædning af fint metallisk sølv, som fæstnes til et meget ledende metalunder!ag, såsom kobber, ved hjælp af en hensigtsmæssig metode, såsom sølvlodning. Når kontakterne fremstilles ifølge de hidtidige, kendte metoder, som eksemplificeret ved Davies patenterne, indføres en opløsning indeholdende en for-30 bindelse, der er reducerbar til lithiumoxid, sædvanligvis i det pulverformige kontaktmateriale til frembringelse af en opslæmning, som derefter behandles for at ændre litiumforbindelsen til lithiumoxid, som præcipiteres på partiklerne af sølv-cadmiumoxid. I det tilfælde, at trinnet til reduktion af lithiumforbindelsen til 35 lithiumoxid ikke er inkorporeret i processen, eller at reduktionen til lithiumoxid er ufuldstændig, når bagbeklædningen af det fint pulveriserede sølv anbringes på materialet, og kontakterne sintres til frembringelse af de individuelle kontakter, dannes blærer på grund af sønderdeling af den reducerbare lithiumforbindelse, og 3

DK 15751 1 B

følgelig sker der en indeslutning af gas mellem sølvbagklædningen og kontaktmaterialet, som illustreret på tegningerne. Dette er således tilfældet, når der som lithiumforbindelse anvendes lithiumnitrat, der sønderdeles ved ca. 600eC, medens sintringen af kontaktmateria-5 let og sølvbagbeklædningen kræver temperaturer derover, eksempelvis mindst 900-920°C eller derover.

Problemet med indeslutning af gas mellem sølvbagbeklædningen og kontaktmaterialet har nu vist sig at kunne overvindes ved anvendelse 10 af lithiumcarbonat som lithiumforbindelse, idet lithiumcarbonat simpelthen smelter ved 723°C og går i opløsning, men først sønderdeles ved 1.310eC, dvs. langt over sintringstemperaturen.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen med de indledningsvis angivne 15 karakteristika er i overensstemmelse hermed ejendommelig ved, at der tilsættes 1ithiumcarbonatpartikler, som fordeles ensartet overalt i materialet, at der dannes et kompakt legeme af det pul verformige materiale til tilvejebringelse af en elektrisk kontakt med ønsket form, størrelse og densitet, at det kompakte legeme sintres i en 20 forud fastlagt tid ved en temperatur under lithiumcarbonatets sønderdelingstemperatur til frembringelse af en sintret elektrisk kontakt med lithium i form af lithiumcarbonat.

Når kontakterne fremstilles ifølge den foreliggende opfindelse 25 indføres lithium i kontaktmaterialet som nævnt ovenfor i form af lithiumcarbonat, som hensigtsmæssigt kan være opløst i et egnet opløsningsmiddel, f.eks. vand. Sølv-cadmiumoxidpulverparti kl erne blandes i opløsningen til frembringelse af en opslæmning, som derefter tørres til eliminering af det trin i den kendte teknik, som 30 kræver at lithiumoxidforbindelsen frembringes ved dannelsen af lithiumoxid ud fra en eller anden lithiumforbindelse, før bagbeklædningen af fint sølv påføres. Når det tørrede sølv- cadmiumoxidpulver, som indeholder lithiumcarbonatpulver, sammenpresses, og sølvpulverbagbeklædningen anbringes derpå, vil 35 sintringen af kontakten ikke bevirke indeslutning af gas og dannelse af blærer mellem sølvlaget og kontaktmaterialet, således at sølvlåget forbliver i alt væsentlig glat, som vist på tegningerne, og der kan opnås en udmærket binding mellem kontaktmaterialet og kobber-bagbeklædningen, når det fæstnes som tidligere beskrevet.

4

DK 15751 1 B

Opfindelsen angår også en sintret elektrisk kontakt til anvendelse som omskifterkontakt i strømkredse og i alt væsentligt bestående af sølv og cadmiumoxid med lithium som materiale med lav elektronløsrivelsesspænding, hvilken kontakt er ejendommelig ved, at lithiumet 5 er til stede i form af lithiumcarbonat i det sintrede materiale i et omfang på fra 0,001 til 0,01 vægtprocent af kontaktmaterialet.

Formålet og andre fordele ved opfindelsen vil fremgå tydligere af nedenstående detaljerede beskrivelse i forbindelse med tegningen, 10 hvor:

Figur 1 viser et planfotografisk billede af en kontakt dannet af rent sølv, 15 figur 2 viser et planfotografisk billede af en kontakt dannet af rent sølv med 300 dele lithium pr. million tilsat til sølvpulveret i form af lithiumnitrat, og figur 3 viser et planfotografisk billede af en kontakt dannet af 20 rent sølv med 300 dele lithium pr. million tilsat til sølvpulveret i form af lithiumcarbonat.

I hver af de prøver, der er vist på tegningerne, er sølvpulveret af den type, der er kendt som "fint sølvpulver type 0", som kan opnås 25 fra Metz Metallurgical Corporation beliggende ved Plainfield, New Jersey, USA. Som specificeret har det fine sølvpulver af type 0 en tilsyneladende densitet på 0,42 g/cm'> (6,8 g/inch^), og 100% af pulveret vil passere gennem en 200 mesh sigte.

30 Udgangsmaterialer til brug ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse til fremstilling af elektriske kontakter kan fremstilles ved metal!urgiske standardmetoder eller andre egnede metoder.

35 Eftersom sølv er et foretrukket metal, og at cadmiumoxid er et foretrukket højprocentadditiv, omfattede de til forsøgene udvalgte materialer 85 vægt% sølv og 15 vægt% cadmiumoxid. Dette materiale vides at give gode kontakter, og det blev fremstillet ved en pulvermetode. Selvom der ved enhver metode, der anvender ovennævnte 5

DK 15751 1 B

basale bestanddele, ville frembringes gode resultater, ville ifølge den kendte tekniks opfattelse materiale fremstillet ved en pulvermetode under anvendelse af et indre oxidationstrin frembringe den største forbedring.

5

Til fremstilling af kontakter ifølge opfindelsen fremstilles et pulver ved at blande et første og et andet udgangsmateriale i de ønskede mængder. Det første udgangsmateriale er som ovenfor beskrevet sølvpulver. Det andet udgangsmateriale er cadmiumoxidpulver, der 10 indeholder partikler med en diameter i området fra 0,01 til 2 mi kron. De to pulvere tørtromleblandes i en tromle, og de til sidst blandede pulvere sigtes gennem en 40 mi kron sigte.

Det sigtede pulver opvarmes i en stærkt reducerende atmosfære af 15 hydrogen til omdannelse af cadmiumoxid til cadmium ved at anbringe det i en ovn ved en temperatur på fra ca. 200 til 700°C. Pulveret spredes ud i en dybde af ca. 1 cm. Temperaturen holdes under smeltepunktet for den fremkomne legering, der ville blive frembragt af den tilstedeværende mængde sølv og cadmium, til forhindring af 20 dannelsen af en smelte, og legering finder sted, når cadmium'et opløses eller diffunderer ind i sølvpartiklerne.

Det fremkomne legerede materiale opbrydes mekanisk og sigtes gennem en 500 mikron sigte til frembringelse af en legering i pulver- eller 25 partikelform. Det sigtede legeringspulver opvarmes derefter i en oxiderende atmosfære ved en temperatur, der er tilstrækkelig lav til at forhindre dannelsen af en smelte men tilstrækkelig høj til at sikre fuldstændig indre oxidation. Det oxiderede legeringsmateriale sigtes derefter til en finhed, der er hensigtsmæssig til fremstil-30 ling af kontakter.

Et tredie udgangsmateriale, som er en lithiumcarbonatforbindelse, og som er kendt som et metalmateri ale med lav løsrivelsesspænding, opløses i et hensigtsmæssigt opløsningsmiddel, f.eks. vand, til 35 frembringelse af en opløsning. Opløsningen blandes derefter med den oxiderede legering til frembringelse af en opslæmning. Procentdelene af materialerne i opslæmningen udvælges til frembringelse af det ønskede slutresultat, og opslæmningen tørres derefter til frembringelse af et internt oxideret sølv-cadmiumlegeringspul ver med små

DK 157511B

6 krystaller af lithiumcarbonatforbindelse af materialet med lav løsrivelsesspænding dannet på pulverpartiklernes overflade. Den tørre pulverblanding sigtes derefter gennem en sigte med hensigtsmæssig maskevidde for at bryde eventuelle store kager af materiale 5 dannet under tørring til frembringelse af et pulverformigt materiale, der har partikelstørrelser, som er hensigtsmæssige til fremstilling af kontakter.

Kontakterne fremstilles ved typiske metallurgi ske metoder, der 10 involverer, at materialet presses sammen til frembringelse af et kompakt legeme, at legemet sintres ved en temperatur på ca. 900°C, hvilket er mindre end sønderdelingstemperaturen for lithiumcarbonat, og at det sintredede legeme formes til den endelige form og størrelse, der kræves til kontakterne.

15

Kontakter, der er fremstillet med lithiumcarbonat i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse, udviste i alt væsentlig den samme erosionsbestandighed som de kontakter, der, som omtalt i Brugners patent, indeholder lithiumoxid, når mængden af 20 lithiumadditiv i de to forskellige kontakter i alt væsentligt var den samme. Frembringelsen af lithiumoxid, som omtalt i Brugners patent, krævede imidlertid et yderligere trin, hvorved lithiumoxidet dannedes ud fra en reduceret lithiumforbindelse. Dette trin er blevet elimineret ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfin-25 del se uden at nedsætte lithiums effektivitet i det endelige kon taktprodukt.

Det er tidligere blevet anført, at lithiummetallet er et materiale med lav løsrivelsesspænding. Teorien om, hvordan materialer med lav 30 løsrivelsesspænding fungerer i kontaktmaterialet, er omtalt fuldt ud i Brugner-patentet. I beskrivelsen til dette Brugner-patent omtales, at hvis en meget lille kritisk mængde lithiumoxid er til stede i sølv-cadmiumoxidkontaktmaterialet og er ensartet fordelt deri, opnås der en uventet drastisk forøgelse i kontaktens holdbarhed.

35 Når Davies og Brugners belæringer således følges, har det fremstillede kontaktmateriale meget bedre egenskaber, hvad angår erosion. Denne erosionbestandighed tilvejebringes ved tilsætningen af en uventet lille mængde af et materiale med lav løsrivelsesspænding 7

DK 15751 1 B

til opnåelse af størst mulig forbedring. Ifølge den foreliggende opfindelse er det således konstateret, at den størst mulige bestan-_ dighed mod erosion opnås ved omhyggeligt at udvælge den rigtige procentdel af materiale med lav løsrivelsesspænding i form af en 5 stabil lithiumcarbonatforbindelse, som ikke kræver en kemisk modifikation til lithiumoxidform for at opnå det ønskede slutresultat, dvs. dannelsen af en elektrisk kontakt, som er meget bestandig overfor elektrisk erosion.

10 Det efterfølgende eksempel illustrerer den måde, hvorpå fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse kan udføres med hensyn til fremstillingen af et sølv-cadmiumoxidkontaktmateriale omfattende lithiumcarbonat under tilstedeværelse af cadmiumoxid og lithiumcarbonat i præcise mængder og ensartet fordelt gennem hele 15 kontaktmaterialet. Indledningsvis afvejedes 200 g af et sølv- cadmiumoxidpulver indeholdende 15% cadmiumoxid og 85% sølv fremstillet ved den i beskrivelserne til patenterne til Davies og Brugner omtalte metode med reduktion og efterfølgende oxidation i et glasbæger, og 0,058 g lithiumcarbonatpulver (LigCOg) afvejedes på en 20 rustfri stål plade på en mi krovægt. Pladen af rustfrit stål og lithiumcarbonatpulveret anbragtes derefter i et ren teflon-bager og skylledes med redesti lieret vand i ca. 1 minut til fjernelse af alle uønskede stoffer og forureninger. Redesti lieret vand tilfpni.es derefter til bægeret til et niveau på ca. 0,64 cm over bægerets 25 bund. Bægeret og dets indhold anbragtes i fryseomgivelser i kort tid (ca. 15 minutter) til forøgelse af lithiumcarbonats opløselighed i vand. Bægeret fjernedes fra fryseatmosfæren, og opløsningen blandedes til opløsning af L^COg i vand, hvilken opløsning til sattes til det på forhånd dannede Ag-CdO-pulver i glasbægeret. Indhol dot af 30 teflonbægeret skylledes med redesti lieret vand ned i gi asbageret og der sattes yderligere redestilleret vand til glasbægeret til frembringelse af en opslæmning af indholdet i glasbægeret. Opslæmningen blandedes grundigt, og glasbægeret dækkedes med et urglas og anbragtes i en ovn ved 60°C i 8 timer til tørring af indholdet- i 35 bægeret. Efter at pulvermaterialet var helt tørt, blev alle materi -aleklumper, som var blevet dannet under processen, brækket i stykker, og materialet blev ført gennem en 100 mesh sigte og forarbejdet til elektriske kontakter ifølge de velkendte, ovenfor beskrevne metallurgi ske metoder.

DK 157511 B

8

Fotografierne, af hvilke figurerne 1 til 3 er tegninger, viser klart den store forskel, når der sættes lithiumnitrat og lithiumcarbonat til et fint sølvpulver. Fotografierne viser kontakter, der ikke indeholder cadmiumoxid, og hvert billede blev taget 5 efter, at sølvpulver af Metztype 0 var sammenpresset under 206.850 kPa og sintret i en time ved 920°C. Hvert fotografi blev taget med en 65mm linse med en blænderåbning på 6 til frembringelse af en forstørrelse på 5 gange størrelsen af den fotograferede kontakt. Kontakten på figur 1, som dannedes af et fint sølvpulver, ekspone-10 redes fotografisk i 1/8 af et sekund. Til de kontakter på fotografierne, hvorudfra figurerne 2 og 3 blev tegnet, var der sat 300 ppm Li, og de eksponeredes fotografisk i 1/30 af et sekund.

Lithiumadditivet på figur 2 er lithiumnitrat (LiNOg), og additivet i figur 3 er lithiumcarbonat (LigCOg). De 300 ppm, som blev tilsat til 15 demonstrationsformål, er langt mere end de mængder, der anbefales i det ovenfor nævnte Brugner-patent.

Når kontaktmaterialet, som indeholder LiNOg, og som har en fin sølvpulverbagbeklædning, sammenpresses og sintres ved en temperatur 20 på 920°C eller derover, hvilket er påkrævet for at fremkalde den rigtige sintring af kontaktmaterialet, vil temperaturen være over 600°C, som er sønderdel ingstemperaturen for LiNOg, og der vil som vist på fotografierne dannes gasblærer mellem kontaktmaterialet og den sintrede sølvbeklædning. Bemærk i figur 2, at de to blærer, som 25 blev dannet ved indeslutning af gas, da LiNOg sønderdeltes til LigO, er specielt fremtrædende. Når LigCOg, som smelter ved 723°C og sønderdeles ved 1310°C, derimod tilsættes til kontaktmaterialet, og materialet sammenpresses og sintres ved en temperatur på 920°C, vil lithiumcarbonatet smelte ved 723°C, men ikke sønderdeles, og der vil 30 ikke dannes blærer, som illustreret i figur 3, der viser de samme egenskaber, som er illustreret ved kontakten i figur 1, der er fremstillet af fint sølv uden nogen additiver.

. 35

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en elektrisk kontakt til elektriske effektanvendelser ud fra et første udgangsmateriale, der 5 omfatter sølv i pulverform eller en reducerbar forbindelse heraf i pulverform og med en valgt maksimal partikelstørrelse, og et andet udgangsmateriale, der består af cadmium eller en reducerbar forbindelse eller forbindelser heraf, alle med en valgt maksimal partikelstørrelse og tilsat i en mængde fra den mindst mulige virksomme 10 mængde og op til den maksimale opløsel ighedsgrænse for det andet metal i det første metal, ved sammenblanding af det første og det andet udgangsmateriale til opnåelse af en blanding med en i alt væsentligt ensartet fordeling af det første og det andet udgangsmateriale, opvarmning af blandingen i en reducerende atmosfære til en 15 temperatur under smeltetemperaturen for legeringen af det første og det andet metal i de foreliggende proportioner til frembringelse af en legering i pulverform, sigtning af den legerede blanding til tilvejebringelse af en valgt maksimal parti kel størrelse, opvarmning af den sigtede blanding i en oxiderende atmosfære ved en temperatur 20 og under forhold, der er valgt således, at det andet metal oxideres i alt væsentligt fuldstændigt samtidig med, at temperaturen ligger under smeltetemperaturen for legeringen i de foreliggende proportioner, således at blandingen bevares i pulverform, og sigtning af den oxiderede blanding til frembringelse af en valgt maksimal 25 partikelstørrelse, kendetegnet ved, at der tilsættes lithiumcarbonatpartikler, som fordeles ensartet overalt i materialet, at der dannes et kompakt legeme af det pulverførmige materiale til tilvejebringelse af en elektrisk kontakt med ønsket form, størrelse og densitet, at det kompakte legeme sintres i en forud 30 fastlagt tid ved en temperatur under lithiumcarbonatets sønderdelingstemperatur til frembringelse af en sintret elektrisk kontakt med lithium i form af lithiumcarbonafc.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, k e n d e t e g n e t ved, at der 35 tilføjes et lag sølvpulver på den ene side af det kompakte legeme, inden det kompakte legeme sintres, til tilvejebringelse af en kontakt med en sølvbagbeklædning.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet DK 15751 1 B ved, at lithiumcarbonatet opløses i et passende opløsningsmiddel til dannelse af en opløsning, og at den oxiderede pulverblanding iblandes opløsningen til dannelse af en opslæmning med valgt konsistens til opnåelse af en ensartet fordeling af den valgte lithiummængde i 5 kontaktmaterialet.

4. Sintret elektrisk kontakt til anvendelse som omskifterkontakt i strømkredse og i alt væsentligt bestående af sølv og cadmiumoxid med lithium som materiale med lav elektronløsrivelsesspænding, ken - 10 detegnet ved, at lithiumet er til stede i form af lithiumcarbonat i det sintrede materiale i et omfang på fra 0,001 til 0,01 vægtprocent af kontaktmaterialet.

5. Elektrisk kontakt ifølge krav 4, kendetegnet ved, at 15 cadmiumoxidet er valgt således, at kontakten bibringes den ønskede grad af sprødhed, og er tilsat i en mængde mellem den mindst mulige virksomme mængde og op til den maksimale opløsel ighedsgrænse for cadmiumet i sølvet.

6. Elektrisk kontakt ifølge krav 4 eller 5, kendetegnet ved, at kontakten består af ca. 85 vægtprocent sølv, 15 vægtprocent cadmiumoxid og fra 0,001 til 0,01 vægtprocent lithium.

7. Elektrisk kontakt ifølge krav 4, kendetegnet ved, at 25 vægtprocenten af lithium er ca. 0,005.

8. Elektrisk kontakt ifølge krav 4, kendetegnet ved, at kontakten består af ca. 85 vægtprocent sølv, 15 vægtprocent cadmiumoxid og ca. 0,005 vægtprocent lithium. 30

9. Elektrisk kontakt ifølge krav 4, kendetegnet ved, at det første metal, oxidet og lithiumcarbonatet er partikler af ensartet størrelse og er ensartet fordelt overalt i kontaktmaterialet. 35