EP0064191A1 - Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0064191A1
EP0064191A1 EP82103195A EP82103195A EP0064191A1 EP 0064191 A1 EP0064191 A1 EP 0064191A1 EP 82103195 A EP82103195 A EP 82103195A EP 82103195 A EP82103195 A EP 82103195A EP 0064191 A1 EP0064191 A1 EP 0064191A1
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EP
European Patent Office
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composite material
atom
alloy
material according
germanium
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EP82103195A
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English (en)
French (fr)
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EP0064191B1 (de
Inventor
Manfred Dr. Wilhelm
Günther Dipl.-Ing. Rauter
Ludwig Dr. Schultz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP0064191B1 publication Critical patent/EP0064191B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/025—Composite material having copper as the basic material

Definitions

  • the invention relates to a composite material for electrical contacts made of at least two components that are not dissolved in one another, one component of which is a copper alloy, in particular for low-voltage and installation switching devices.
  • the invention further relates to a method for producing this composite material.
  • Composites for electrical contacts must contain electrically and thermally conductive parts to prevent excessive heating. Your mechanical properties such as Hardness, strength or elastic behavior are optimal for the respective application. adapt. In addition, the susceptibility to corrosive media should be low. In general, tarnish and scale layers and thus high contact resistances can only be avoided on relatively noble materials. Furthermore, the composite materials must not stick or weld when switching, and their burn-up and material migration should be low.
  • composite materials with silver and its alloys meet these and other requirements to be met by good contact materials to such an extent that these materials have been widely used in low-voltage technology.
  • silver is a ver relatively expensive material, so that efforts are being made to replace it with other, less expensive materials.
  • copper, its alloys or composite materials with a metallic matrix of these materials are suitable (cf. e.g. A.Keil: “Materials for electrical contacts", Springer-Verlag, Berlin, 1960; or D. Stöckel and others: “Materials for electrical Contacts ", Kunststoff & participate Vol. 43, Expert Verlag, 7031 Grafenau 1 / Württ., 1980).
  • No other contact material achieves the high electrical and thermal conductivity of the copper, combined with favorable mechanical properties, affordable costs and generally good procurement options. Because of its less noble character than silver, in particular its readiness to oxidize, this material in its pure form can often not be used for the manufacture of contact pieces, especially for low-voltage switchgear and installation switching devices such as contactors, auxiliary contactors, circuit breakers or circuit breakers. By adding certain elements to this material, the material properties such as the oxidation behavior can be improved.
  • known contacts made of copper alloys or of composite materials with such alloys, with inexpensive elements being alloyed with the copper generally have a relatively high contact resistance even after a few circuits, so that they are usually not suitable for low-voltage switching devices or installation switching devices.
  • a corresponding contact element made of a composite material is known, the matrix of which consists of a copper alloy which contains deposits of, for example, tin oxide or graphite. Palladium is the alloying partner for copper.
  • this noble metal which is to be used, for example, in a proportion by weight of between 8 and 50% of the alloy, is so expensive that a replacement of silver or silver alloys for cost reasons cannot be considered with the known copper alloy.
  • the object of the present invention is to provide a composite material with a copper alloy which, on the one hand, has at least approximately similar contact properties to the known silver-based composite materials used for contacts of low-voltage or installation switching devices and, on the other hand, is less expensive than these known materials.
  • the composite material should show lower scale rates compared to pure copper composite materials and at the same time have a relatively low contact resistance.
  • the alloy component of the copper is at least one element from the group of antimony, gallium and germanium, the antimony content of the alloy being between 0.01 and 7 atomic % or the corresponding gallium content between 0.5 and 20 atom% or the corresponding germanium content between 0.5 and 10 atom%.
  • the copper alloy components mentioned have a finite solubility in solid copper.
  • the component of the composite material which is not dissolved in these copper alloys is generally known materials, the usual mixing ratios of these materials must be provided with the component of the copper alloy (see, for example, the book by D. Stöckel et al., in particular pages 35 and 109 to 113).
  • the advantages achieved by the invention are to be seen in particular in that, by alloying the elements mentioned with the copper, on the one hand the corrosion resistance of the composite material is increased compared to the pure copper composite material and on the other hand contacts made of composite materials with these copper alloys in switching tests one for the intended application show tolerable contact resistance. Since the alloys mentioned are generally less expensive than the silver-based materials used in composite materials, they can thus advantageously serve as a replacement for these silver-based materials.
  • its copper alloy can also contain at least one further alloy component.
  • This component is then one or more elements from the G group cadmium, chromium, cobalt, palladium or silicon.
  • the cadmium content is between 0.1 and 2 atom% or the chromium content between 0.01 and 0.8 atom% or the cobalt content between 0.1 and 1.8 atom% or to choose the palladium content between 0.1 and 3 atom% or the silicon content between 0.5 and 10 atom%.
  • the proportion of these further components of the alloy should at most be equal to the proportion of antimony or gallium or germanium in the alloy.
  • FIGS. 1 to 4 show frequency curves of contact voltages. 1 to 3 are based on metallic alloys for composite materials according to the invention, while in FIG. 4 exemplary embodiments of such composite materials are assumed.
  • the copper alloy as the first component of the composite materials according to the invention must be corrosion-resistant and lead to a low contact resistance.
  • the second component also called the active component, is used primarily to increase the wear resistance and to reduce the erosion of the contacts.
  • the behavior of the first component is discussed in more detail below. For this purpose, a table provides information on the scale and corrosion behavior of some binary copper alloys to be used for composite materials according to the invention compared to pure copper.
  • Sheets were used to test the corrosion resistance of these materials. These sheets can be produced, for example, by melting the alloys mentioned using chemically pure starting materials under argon as a protective gas in a graphite crucible and at temperatures between 600 ° C. and 950 ° C to avoid segregation.
  • the homogeneous bodies of these alloys obtained in this way can be processed into sheet metal using customary forming processes such as rolling or hammering.
  • the weight increase ⁇ m of the individual materials measured in micrograms per square centimeter in the table can be obtained after oxidation in air after a 24-hour heat treatment at 250 ° C.
  • the contact resistance of contact pieces made of materials according to the invention can be estimated.
  • the predetermined copper alloys contained in these materials largely determine the contact resistance of these materials.
  • the embodiment according to the curves in the diagram of the figure is therefore based on a contactor with contacts placed, which are made only from the pure matrix material of some of the predetermined copper alloys.
  • This diagram shows the contact voltage U k in millivolts (mV) on the abscissa, while the ordinate shows the cumulative frequency W of the contact voltages measured at the respective contactor contact according to the so-called Weibull statistics. These contact voltages are measured after approximately 2000 switching operations of the contactor under an average load of 45 A at 110 V AC voltage under an ohmic load.
  • I In the area of the diagram denoted by I are the frequency curves of contact voltages on contacts which are produced from copper alloys to be provided for composite materials according to the invention. Three copper alloys are selected as the exemplary embodiment, the proportion of antimony or gallium or germanium in each case being approximately between 1.75 and 7 atom%.
  • a curve labeled II is entered in the figure, which shows the frequency of the. Indicates contact voltages on contacts made of pure copper.
  • the frequency curve labeled III results for contacts made from a common composite material based on silver, here for silver-oadmium oxide with a cadmium oxide content of 15% by volume.
  • the diagram of Fig. 1 shows that the. Contact voltages — the alloys to be provided for materials according to the invention correspond at least approximately to the contact voltages of previously used silver-based materials.
  • contact voltages are indicated in a diagram, which are to be measured on contacts made of binary copper-germanium alloys with different germanium concentrations.
  • the germanium concentration in atomic% is plotted on the abscissa and the contact voltage U k in mV on the ordinate for a frequency of 50%.
  • the exemplary embodiment of the figure is based on contact voltages on contacts at 45 A and 110 V AC under ohmic load after 2000 switching of the contacts.
  • the contact voltages and thus the contact resistances are particularly low, in particular at germanium concentrations between 3 and 7 atom%, preferably around 5 atom%.
  • composite materials can be produced in a known manner.
  • the materials which are generally known in the field of composite materials for electrical contacts from the switching devices mentioned can be provided as active components. These active components are to be introduced into the metallic matrix of the composite material in the usual mixing ratios.
  • oxidic Active ingredients such as beryllium oxide (BeO), cadmium oxide (Cd0), molybdenum oxide (Mo03), lithium oxide (Li 2 0), bismuth oxide (Bi 2 0 3 ), zinc oxide (Zn0) or tin oxide (Sn0 2 ) or carbon or refractory metals such as molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, vanadium or carbides such as tungsten carbide (WC), titanium carbide (TiC) or tungsten titanium carbide [(W, Ti) C] can be provided.
  • BeO beryllium oxide
  • Cd0 cadmium oxide
  • Mo03 molybdenum oxide
  • Li 2 0 lithium oxide
  • Bi 2 0 3 bismuth oxide
  • Zn0 zinc oxide
  • Zn0 zinc oxide
  • Sn0 2 tin oxide
  • carbon or refractory metals such as molybdenum, tungsten, niobium, tanta
  • the composite materials mentioned according to the invention can be produced, for example, on a powder-metallurgical basis by single pressing technology or by extrusion.
  • a powder mixture of the individual elements of the alloy and the active component can be assumed here.
  • Composite materials with refractory metals or carbides can also be produced using the known sintering technique.
  • Some of the composite materials according to the invention composed of the copper alloys and the active components mentioned are based on the diagram in FIG. 4.
  • the following three composite materials were selected as exemplary embodiments: Cu - 5 atomic% Ge - 5% by volume Mo; Cu - 5 atomic% Ge - 5% by volume ZnO and Cu - 1.5 atomic% Ge - 5% by weight C.
  • the molybdenum additive and the zinc oxide additive guarantee a high erosion resistance with at the same time favorable welding behavior, while contacts with carbon or graphite additives show particularly high weld strength.
  • the curves in the diagram can be used to make statements about the contact resistance of contact pieces made from these materials.
  • the abscissa shows the contact voltage U k to be measured on the contactor contact in mV, while the ordinate shows the cumulative frequency W of these contact voltages.
  • an average load of the contactor contacts of 45 A at 110 V AC voltage was assumed, the contacts being switched about 2000 times under an ohmic load.
  • the frequency curves of the contact voltages of contacts made from the aforementioned composite materials according to the invention lie in the region of the diagram of FIG. 4 designated by A.
  • a curve labeled B is entered in the diagram, which indicates the frequency of the contact voltages of pure copper contacts.
  • the frequency curve labeled C results for a common silver-based contact material, here for silver-cadmium oxide with a cadmium oxide content of 15 vol. 96.
  • the contact voltages of the materials according to the invention approximately correspond to the contact voltages of previously used silver-based materials. It is therefore possible to replace more expensive silver-based contact materials with the relatively inexpensive composite materials according to the invention.

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Abstract

Ein Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte, insbesondere für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte, enthält mindestens zwei ineinander nicht gelöste Komponenten, von denen eine Komponente eine Kupferlegierung ist. Kontakte aus diesem Verbundwerkstoff sollen insbesondere niedrige Kontaktspannungen nach einer Vielzahl von Schaltvorgängen zeigen. Die Erfindung sieht hierzu vor, daß der Legierungsbestandteil des Kupfers mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium ist, wobei der Antimon-Gehalt der Legierung zwischen 0,01 und 7 Atom-% bzw. der entsprechende Gallium-Gehalt zwischen 0,5 und 20 Atom-% bzw. der entsprechende Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen. Diese Kupferlegierungen können mindestens einen weiteren Legierungsbestandteil enthalten, und zwar eine vorbestimmte Menge eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium, Silizium. Als in den Kupferlegierungen nicht gelöste Komponenten sind an sich bekannte Wirkkomponenten geeignet.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte aus mindestens zwei ineinander nicht gelösten Komponenten, von denen eine Komponente eine Kupferlegierung ist, insbesondere für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs.
  • Verbundwerkstoffe für elektrische Kontakte müssen zur Verhinderung starker Erwärmung elektrisch und thermisch leitende Teile enthalten. Ihre mechanischen Eigenschaften wie z.B. Härte, Festigkeit oder elastisches Verhalten sind dem jeweiligen Anwendungszweck optimal. anzupassen. Außerdem sollte die Anfälligkeit gegenüber korrosiven Medien gering sein. Im allgemeinen lassen sich nur auf verhältnismäßig edlen Werkstoffen Anlauf- und Zunderschichten und damit hohe Kontaktwiderstände vermeiden. Ferner dürfen die Verbundwerkstoffe beim Schalten weder kleben noch verschweißen, und ihr Abbrand sowie ihre Materialwanderung sollten gering sein.
  • Diese und noch weitere, an gute Kontaktwerkstoffe zu steilenden Anforderungen werden von Verbundwerkstoffen mit Silber und seinen Legierungen dank hervorragender physikalischer und chemischer Eigenschaften dieser Materialien in einem Maße erfüllt, daß diese Materialien in der Niederspannungstechnik eine breite Anwendung gefunden haben. Silber ist jedoch ein verhältnismäßig teures Material, so daß man bestrebt ist, es durch andere, kostengünstigere Materialien zu ersetzen. Hierbei bieten sich Kupfer, dessen Legierungen oder Verbundwerkstoffe mit einer metallischen Matrix aus diesen Materialien an (vgl. z.B. A.Keil: "Werkstoffe für elektrische Kontakte", Springer-Verlag, Berlin, 1960; oder D.Stöckel u.a.: "Werkstoffe für elektrische Kontakte", Kontakt & Studium Bd. 43, Expert Verlag, 7031 Grafenau 1/Württ., 1980). Die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit des Kupfers, verbunden mit günstigen mechanischen Eigenschaften, tragbaren Kosten und im allgemeinen guter Beschaffungsmöglichkeit werden von keinem anderen Kontaktmaterial erreicht. Wegen seines im Vergleich zu Silber unedleren Charakters, insbesondere seiner Oxidationsfreudigkeit, kann jedoch dieser Werkstoff in reiner Form vielfach nicht zur Fertigung von Kontaktstücken, insbesondere für Niederspannungsschaltgeräte und Installationsschaltgeräte wie z.B. für Schütze, Hilfsschütze, Leistungsschalter oder Schutzschalter herangezogen werden. Zwar lassen sich durch Zulegierung bestimmter Elemente zu diesem Material die Werkstoffeigenschaften wie z.B. das Oxidationsverhalten verbessern. Jedoch haben bekannte Kontakte aus Kupferlegierungen oder aus.Verbundwerkstoffen mit solchen Legierungen, wobei kostengünstige Elemente dem Kupfer zulegiert sind, im allgemeinen be-_ reits nach wenigen Schaltungen einen verhältnismäßig hohen Kontaktwiderstand, so daß sie für Niederspannungsschaltgeräte oder Installationsschaltgeräte meistens nicht geeignet sind.
  • Aus der DE-OS 28 13 087 ist. ein entsprechendes Kontaktelement aus einem Verbundwerkstoff bekannt, dessen Matrix aus einer Kupferlegierung besteht, welche Einlagerungen aus z.B. Zinnoxid oder Graphit enthält. Als Legierungspartner des Kupfers ist Palladium vorgesehen. Dieses Edelmetall, das beispielsweise in einem Gewichtsanteil zwischen,8 und 50 % der Legierung verwendet werden soll, ist jedoch so kostspielig, daß mit der bekannten Kupferlegierung an einen Ersatz von Silber oder Silberlegierungen aus Kostengründen nicht zu denken ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff mit einer Kupferlegierung anzugeben, der einerseits zumindest annähernd ähnliche Kontakteigenschaften wie die bekannten, für Kontakte von Niederspannungs- oder Installationsschaltgeräten verwendeten Verbundwerkstoffe auf Silberbasis aufweist und der andererseits kostengünstiger als diese bekannten Werkstoffe ist. Insbesondere soll der Verbundwerkstoff im Vergleich zu reinen Kupferverbundwerkstoffen geringere Zunderraten zeigen und zugleich einen verhältnismäßig niedrigen Kontaktwiderstand haben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für den Verbund-werkstoff der eingangs genannten Art dadurch gelöst, "daß der Legierungsbestandteil des Kupfers mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium ist, wobei der Antimon-Gehalt der Legierung zwischen 0,01 und 7 Atom-% bzw. der entsprechende Gallium-Gehalt zwischen 0,5 und 20 Atom-% bzw. der entsprechende Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen.
  • Die genannten Legierungsbestandteile des Kupfers besitzen eine endliche Löslichkeit in festem Kupfer. Bei der in diesen Kupferlegierungen nicht gelösten Komponente des Verbundwerkstoffes handelt es sich um allgemein bekannte Materialien, wobei die gebräuchlichen Mischungsverhältnisse dieser Materialien mit dem Bestandteil der Kupferlegierung vorzusehen sind (vgl. z.B. das genannte Buch von D.Stöckel u.a., insbesondere Seiten 35 und 109 bis 113).
  • Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch Zulegierung der genannten Elemente zu dem Kupfer einerseits die Korrosionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffs gegenüber dem reinen Kupfer-Verbundwerkstoff erhöht wird und andererseits Kontakte aus'Verbundwerkstoffen mit diesen Kupferlegierungen in Schaltversuchen einen für den vorgesehenen Anwendungsfall tolerierbaren Kontaktwiderstand zeigen. Da die genannten Legierungen im allgemeinen kostengünstiger als die in Verbundwerkstoffen verwendeten Materialien auf Silberbasis sind, können sie somit vorteilhaft als Ersatz für diese Materialien auf Silberbasis dienen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verbundwerkstoffes nach der Erfindung kann seine Kupferlegierung noch mindestens einen weiteren Legierungsbestandteil enthalten. Bei diesem Bestandteil handelt es sich dann um ein oder mehrere Elemente aus der G Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium oder Silizium. Der Cadmium-Gehalt ist dabei zwischen 0,1 und 2 Atom-% bzw. der Chrom-Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 Atom-% bzw. der Kobalt-Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-% bzw. der Palladium-Gehalt zwischen 0,1 und 3 Atom-% bzw. der Silizium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% zu wählen. Der Anteil dieser weiteren Bestandteile der Legierung soll jedoch höchstens gleich dem Anteil an Antimon oder Gallium oder Germanium in der Legierung sein.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Tabelle und die Diagramme der Zeichnung Bezug genommen, aus denen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen nach der Erfindung abzuleiten sind. Dabei zeigen die Diagramme der Fig. 1 bis 4 Häufigkeitskurven von Kontaktspannungen. Den Fig. 1 bis 3 sind metallische Legierungen für Verbundwerkstoffe nach der Erfindung zugrundegelegt, während bei Fig. 4 Ausführungsbeispiele derartiger Verbundwerkstoffe angenommen sind.
  • Es ist allgemein bekannt, daß die Eigenschaften von Kontakten aus Verbundwerkstoffen weitgehend durch die Eigenschaften ihrer ineinander nicht löslichen Komponenten bestimmt werden. Die Kupferlegierung als erste Komponente der Verbundwerkstoffe nach der Erfindung muß korrosionsbeständig sein und zu einem niedrigen Kontaktwiderstand führen. Die zweite Komponente, auch Wirkkomponente genannt, dient hauptsächlich zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit und zur Verringerung des Abbrandes der Kontakte. Nachfolgend wird zunächst auf das Verhalten der ersten Komponente näher eingegangen. Hierzu sind aus einer Tabelle Angaben über das Zunder- bzw. Korrosionsverhalten einiger binärer, für Verbundwerkstoffe nach der Erfindung zu verwendender Kupferlegierungen im Vergleich zu reinem Kupfer zu entnehmen.
  • Zur Prüfung der Korrosionsbeständigkeit dieser Materialien dienten Bleche. Diese Bleche können beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß die genannten Legierungen unter Verwendung chemisch reiner Ausgangsmaterialien unter Argon als Schutzgas in einem Graphittiegel erschmolzen und bei Temperaturen zwischen 600°C und 950°C zur Vermeidung von Seigerungen getempert werden. Die so erhaltenen homogenen Körper aus diesen Legierungen lassen sich nach gebräuchlichen Umformverfahren wie Walzen oder Hämmern zu den Blechen verarbeiten. Die in der Tabelle in Mikrogramm pro Quadratzentimeter gemessene Gewichtszunahme Δm der einzelnen Materialien ist nach Oxidation an Luft nach einer 24stündigen Wärmebehandlung bei 250°C zu erhalten.
    Figure imgb0001
  • In der Tabelle sind die Anteile der jeweiligen Legierungszusätze zu dem Kupfer in Atom-% vermerkt. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, haben die für Verbundwerkstoffe nach der Erfindung zu verwendenden Legierungen eine wesentlich geringere Zunderneigung als reines Kupfer.
  • Anhand der Kurven in dem Diagramm der Fig. 1 kann der Kontaktwiderstand von-Kontaktstücken abgeschätzt werden, die aus Werkstoffen gemäß der Erfindung erstellt sind. Die in diesen Werkstoffen enthaltenen vorbestimmten Kupierlegierungen legen weitgehend den Kontaktwiderstand dieser Werkstoffe fest. Dem Ausführungsbeispiel gemäß den Kurven in dem Diagramm der Figur ist deshalb ein Schütz mit Kontakten zugrundegelegt, die lediglich aus dem reinen Matrixmaterial aus einigen der vorbestimmten Kupferlegierungen hergestellt sind. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Kontaktspannung Uk in Millivolt (mV) angegeben, während auf der Ordinate die kumulative Häufigkeit W der an dem jeweiligen Schützkontakt gemessenen Kontaktspannungen nach der sogenannten Weibull-Statistik aufgetragen ist. Diese Kontaktspannungen sind nach etwa 2000 Schaltungen des Schützes unter einer mittleren Belastung von 45 A bei 110 V Wechselspannung unter ohmscher Last gemessen.
  • In dem mit I bezeichneten Bereich des Diagramms liegen die Häufigkeitskurven von Kontaktspannungen an Kontakten, die aus für Verbundwerkstoffe nach der Erfindung vorzusehenden Kupferlegierungen er- stellt sind. Als Ausführungsbeispiel sind drei Kupferlegierungen gewählt, wobei der Legierungsanteil an Antimon bzw. Gallium bzw. Germanium jeweils etwa zwischen 1,75 und 7 Atom-% beträgt. Zum Vergleich ist in der Figur eine mit II bezeichnete Kurve eingetragen, welche die Häufigkeit der. Kontaktspannungen an Kontakten aus reinem Kupfer angibt. Die mit III bezeichnete Häufigkeitskurve ergibt sich für Kontakte aus einem gebräuchlichen Verbundmaterial auf Silberbasis, hier für Silber-Oadmiumoxid mit einem Cadmiumoxidgehalt von 15-Vol.-%.
  • Dem Diagramm der Fig. 1 ist zu entnehmen, daß die. Kontaktspannungen-der für Werkstoffe gemäß der Erfindung vorzüsehenien Legierungen zumindest annähernd den Kontaktspannungen bisher gebräuchlicher Materialien auf Silberbasis entsprechen.
  • In Fig. 2 sind in einem Diagramm Kontaktspannungen angegeben, die an Kontakten aus binären Kupfer-Germanium-Legierungen mit unterschiedlicher Germanium-Konzentration zu messen sind. Dabei sind auf der Abszisse die Germanium-Konzentration in Atom-% und auf der Ordinate die Kontaktspannung Uk in mV für eine Häufigkeit von 50 % aufgetragen. Dem Ausführungsbeispiel der Figur sind Kontaktspannungen an Kontakten bei 45 A und 110 V Wechselspannung unter ohmscher Belastung nach 2000 Schaltungen der Kontakte zugrundegelegt. Wie aus dem Diagramm dieser Figur abzulesen ist, sind insbesondere bei Germanium-Konzentrationen zwischen 3 und 7 Atom-%, vorzugsweise bei etwa 5 Atom-%, die Kontaktspannungen und somit die Kontaktwiderstände besonders niedrig. Diese Tatsache ist insofern überraschend, als der spezifische elektrische Widerstand der Legierungen bei etwa 5 Atom-% Germanium kein Minimum zeigt, sondern einen Wert von etwa 18 µΩ cm annimmt. Dieser Widerstandswert ist größer als der einer Legierung mit-einem geringeren in Germanium-Anteil als 5 Atom-%. Hieraus läßt sich ersehen, daß ein niedriger Kontaktwiderstand auch mit Materialien mit verhältnismäßig hohem spezifischen Widerstand erreicht wird, wenn nur der Fremdschichtwiderstand niedrig ist (vgl. die genannten Bücher von A.Keil und D.Stöckel).
  • Bei den Ausführungsbeispielen in der Tabelle und den beiden Fig. 1 und 2 wurde von Matrixmaterialien für Verbundwerkstoffe ausgegangen,--die aus einer binären Kupferlegierung bestehen. Gegebenenfalls können diesen Legierungen noch weitere Elemente hinzugefügt sein, so daß dann beispielsweise-ternäre oder quaternäre Legierungen gebildet sind. Hiermit läßt sich z.B. das Korrosionsverhalten oder der Kontaktwiderstand gegenüber den binären Legierungen noch weiter verbessern. Als solche zusätzlichen Legierungsbestandteile sind insbesondere die folgenden Materialien geeignet:
    • Cadmium mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 2 Atom-% oder Chrom mit einem Gehalt zwischen 0,01.und 0,8 Atom-% oder Kobalt mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-% oder Palladium mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 3 Atom-% oder Silizium mit einem Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-%. Selbstverständlich kann als dritter Legierungsbestandteil auch ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium innerhalb der im Zusammenhang mit den binären Legierungen genannte Grenzen der Legierungsanteile ausgewählt werden. Der in Atom-% angegebene Anteil der zusätzlichen, dritten und/oder vierten Legierungs- ' bestandteile ist dabei i.a. kleiner oder höchstens gleich dem zweiten Legierungsbestandteil an Antimon oder Gallium oder Germanium. Einige Ausführungsbeispiele solcher ternärer, Germanium enthaltender Legierungen, wie sie für Verbundwerkstoffe nach der Erfindung als Matrixmaterial vorgesehen werden können, sind den in dem Diagramm der Fig. 3 wiedergegebenen Kurven zugrundegelegt. Dabei sind die Meßbedingungen wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß dem Diagramm der Fig. 1 gewählt. In dem Diagramm der Fig.-3 ist auf der Abszisse die-Kontaktspannung Uk in mV angegeben, während auf der Ordinate die-kumulative Häufigkeit W der zu messenden Kontaktspannungen aufgetragen ist. Als Kontaktmaterialien sind drei spezielle CuGe3-xXx-Legierungen mit x.Atom-% als Ausführungsbeispiele-ausgewählt, nämlich: CuGe2,5CoO,5 (Kurve a), CuGe2,5SbO,5 (Kurve b) und CuGe2,9Cr0,1 (Kurve c). Außerdem sind zum Vergleich das binäre CuGe3,0 (Kurve d) und zusätzlich ein bekannter Verbundwerkstoff auf Silberbasis, nämlich AgCdO (Kurve e) aufgeführt. Aus dem Verlauf der Kurven a bis c in dem Diagramm ist ersichtlich, daß auch Kontakte aus ternären Kupferlegierungen Kontaktwiderstände aufweisen, die ohne weiteres in der Größenordnung von Kontaktmaterialien auf Silberbasis liegen, Einen besonders geringen Kontaktwiderstand haben Legierungen mit Kobalt als drittem Legierungspartner (Kurve a). Aufgrund der geringen Kontaktwiderstände der Kontakte aus den reinen ternären Kupferlegierungen sind entsprechend günstige Kontaktwiderstände von Kontakten aus Verbundmaterialien mit diesen Legierungen zu erwarten. Diese Legierungen sind deshalb als Matrixmaterialien für die Verbundwerkstoffe nach der Erfindung besonders gut geeignet.
  • Auch die genannten Zusätze zu den binären Kupfer-Antimon- oder Kupfer-Gallium-Legierungen ergeben ähnliche Kontaktspannungsverhältnisse, so daß auch diese Legierungen vorteilhaft für Verbundwerkstoffe nach der Erfindung vorgesehen werden können.
  • Mit den vorgenannten Legierungen als Matrixkomponenten lassen sich Verbundwerkstoffe in bekannter Weise herstellen. Als in den Kupferlegierungen der Matrix nicht gelöste Komponente der Verbundwerkstoffe können die auf dem Gebiet der Verbundwerkstoffe für elektrische Kontakte von den genannten Schaltgeräten allgemein bekannten Materialien als .Wirkkomponenten vorgesehen werden. Dabei sind diese Wirkkomponenten in die metallische Matrix des Verbundwerkstoffes in gebräuchlichen Mischungsverhältnissen einzubringen. So kann beispielsweise zur Erhöhung der Verschweißfestigkeit und der Verminderung des Abbrandes der Verbundwerkstoffe ein vorbestimmter Anteil oxidischer Wirkstoffe wie Beryllium-Oxid (BeO), Cadmiumoxid (Cd0), Molybdänoxid (Mo03), Lithiumoxid (Li20), Wismutoxid (Bi203), Zinkoxid (Zn0) oder Zinnoxid (Sn02) bzw. Kohlenstoff oder hochschmelzender Metalle wie z.B. Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal, Vanadium oder auch Carbide wie z.B. Wolframcarbid (WC), Titancarbid (TiC) oder Wolframtitancarbid [(W, Ti)C] vorgesehen werden. Die genannten Verbundwerkstoffe nach der Erfindung lassen sich z.B. auf pulvermetallurgischer Basis durch Einzelpreßtechnik oder durch Strangpressen erstellen. Hierbei kann man von einer Pulvermischung der einzelnen Elemente der Legierung und der Wirkkomponente ausgehen. Es ist jedoch ebenso möglich, zunächst ein Pulver der Legierung herzustellen und dieses dann mit dem Pulver der Wirkkomponente zu vermischen. Verbundwerkstoffe mit hochschmelzenden Metallen oder Carbiden können auch nach der bekannten Sintertränktechnik hergestellt werden.
  • Einige aus den genannten Kupferlegierungen und den genannten Wirkkomponenten zusammengesetzte Verbundwerkstoffe nach der Erfindung sind dem Diagramm der Fig. 4 zugrundegelegt. Als Ausführungsbeispiel wurden die folgenden drei Verbundwerkstoffe gewählt: Cu - 5 Atom-% Ge - 5 Vol.-% Mo; Cu - 5 Atom-% Ge - 5 Vol.-% ZnO und Cu - 1,5 Atom-% Ge - 5 Gew.-% C. Bei der Herstellung der Kontakte eines Schützes aus diesen Materialien wurde von einer Mischung aus Kupfer-Pulver, Germanium-Pulver und dem Pulver der Wirkkomponente ausgegangen. Dabei gewährleisten der Molybdän-Zusatz und der Zinkoxid-Zusatz eine hohe Abbrandfestigkeit bei gleichzeitig günstigem Verschweißverhalten, während Kontakte mit Kohlenstoff- bzw. Graphit-Zusätzen besonders hohe Verschweißfestigkeit zeigen.
  • Anhand der Kurven in dem Diagramm können Aussagen über Kontaktwiderstände von Kontaktstücken aus diesen Werkstoffen gemacht werden. Wie in den vorhergehenden Diagrammen ist auf der Abszisse die an dem Schützkontakt zu messende Kontaktspannung Uk in mV angegeben, während auf der Ordinate die kumulative Häufigkeit W dieser Kontaktspannungen aufgetragen ist. Bei den Ausführungsbeispielen der Figur wurde eine mittlere Belastung der Schützkontakte von 45 A bei 110 V Wechselspannung angenommen, wobei die Kontakte unter ohmscher Belastung etwa 2000 mal geschaltet wurden.
  • In dem mit A bezeichneten Bereich des Diagramms der Fig. 4 liegen die Häufigkeitskurven der Kontaktspannungen von Kontakten aus den genannten Verbundwerkstoffen nach der Erfindung. Zum Vergleich ist in dem Diagramm eine mit B bezeichnete Kurve eingetragen,'welche die Häufigkeit der Kontaktspannungen von reinen Kupferkontakten angibt. Die mit C bezeichnete Häufigkeitskurve ergibt sich für ein gebräuchliches Kontaktmaterial auf Silberbasis, hier für Silber-Cadmiumoxid mit einem Cadmiumoxidgehalt von 15 Vol.-96.
  • Wie dem Diagramm der Fig. 4 zu entnehmen ist, entsprechen-die Kontaktspannungen der Werkstoffe gemäß der Erfindung annähernd den-Kontaktspannungen bisher gebräuchlicher Materialien auf Silberbasis. Es ist deshalb möglich, mit den verhältnismäßig kostengünstigen Verbundwerkstoffen gemäß der Erfindung teurere Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis zu ersetzen.

Claims (15)

1. Verbundwerkstoff für elektrische-Kontakte aus mindestens zwei ineinander nicht gelösten Komponenten, von denen eine Komponente eine Kupferlegierung ist, insbesondere für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte, dadurch gekennzeichnet , daß der Legierungsbestandteil des Kupfers mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium ist, wobei der Antimon-Gehalt der Legierung zwischen 0,01 und 7 Atom-% bzw. der entsprechende Gallium-Gehalt zwischen 0,5 und 20 Atom-% bzw, der entsprechende Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kupferlegierung mindestens einen weiteren Legierungsbestandteil enthält, und zwar ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium, Silizium, wobei der jeweilige Gehalt der Legierung an Cadmium zwischen 0,1 und 2 Atom-% bzw. an Chrom zwischen 0,01 und 0,8 Atom-% bzw, an Kobalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-% bzw. an Palladium zwischen 0,1 und 3 Atom-% bzw. an Silizium zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen und wobei der Anteil des weiteren Legierungsbestandteils höchstens gleich dem Anteil an Antimon oder Gallium oder Germanium ist. -
3. Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix aus einer Kupfer-Germanium-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Germanium-Gehalt der Legierung zwischen 3 und 7 Atom-%.
4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Germanium-Gehalt der Legierung von etwa 5 Atom-%.
5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil des Germaniums teilweise durch Kobalt ersetzt ist.
6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Wirkkomponente als in der Kupferlegierung nicht gelöste Komponente.
7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wirkkomponente ein Metalloxid ist.
8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß als Wirkkomponente Berylliumoxid (Be0) oder Cadmiumoxid (Cd0) oder Molybdänoxid (Mo03) oder Lithiumoxid (Li20) oder Wismutoxid (Bi203) oder Zinkoxid (Zn0) oder Zinnoxid (Sn02) vorgesehen sind.
9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, gekennzeichnet , durch ein hochschmelzendes Metall als Wirkkomponente.
10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß als Wirkkomponente Molybdän oder Wolfram oder Niob oder Tantal oder Vanadium vorgesehen sind.
11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Kohlenstoff bzw. Graphit als Wirkkomponente.
12. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Carbid als Wirkkomponente.
13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß als Wirkkomponente Wolframcarbid (WC) oder Titancarbid (TiC) oder Wolframtitancarbid [(W, Ti)C] vorgesehen sind.
14. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß Pulver der Komponenten durch Einzelpreßtechnik oder durch Strangpressen zusammengefügt werden.
15. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit hochschmelzenden Materialien nach einem der An- sprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Sintertränktechnik.
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