EP0118708A1 - Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte - Google Patents

Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte Download PDF

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EP0118708A1
EP0118708A1 EP84100927A EP84100927A EP0118708A1 EP 0118708 A1 EP0118708 A1 EP 0118708A1 EP 84100927 A EP84100927 A EP 84100927A EP 84100927 A EP84100927 A EP 84100927A EP 0118708 A1 EP0118708 A1 EP 0118708A1
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    • C22C32/001—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides
    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
    • C22C32/0021—Matrix based on noble metals, Cu or alloys thereof
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    • H01H1/02376—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides containing as major components one or more oxides of the following elements only: Cd, Sn, Zn, In, Bi, Sb or Te containing as major component SnO2
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to a sintered contact material for low-voltage switching devices in power engineering made of AgSn0 2 with at least two further metal oxide additives.
  • contact materials based on AgCd0 with Cd0 as the main active component have proven to be particularly advantageous. These contact materials show a small burn-up in the arc, a low welding force and a low heating with continuous current supply.
  • the aim is to use contact materials with other main metal oxide additives such as Sn0 2 , ZnO, In 2 O 3 , Cu0 etc. to replace.
  • Contact materials made of AgSnO 2 without additional metal oxide additives could not meet all the requirements regarding the contact properties.
  • AgSn0 2 contact materials with further metal oxide additives such as In 2 0 3 , Bi 2 O 3 are known.
  • the invention has for its object to improve the known AgSn0 2 materials with further metal oxide additives in such a way that the concentrations of the further metal oxide additives are significantly lower and in particular the content of toxic materials.
  • the object is achieved in that Bi203, Cu0 and optionally Cd0 are provided as further metal oxides and in that the total metal oxide content is between 10 and 25 vol.% With a Sn0 2 proportion ⁇ 70 vol.
  • a total metal oxide content between 15 to 20% by volume has proven to be particularly advantageous.
  • To be particularly advantageous according to the invention has a AgSn0 2 Bi 2 0 3 Cu0 material proved with a Ag - content of 87.95% -Massengehalt, a SnO 2 content of 9.97% -Massengehalt, a Bi 2 0 3 Content of 0.98% by mass and a CuO content of 1.10% by mass.
  • Another material according to the invention consists of AgSnO 2 Bi 2 O 3 CuOCdO with a Bi 2 0 3 content between 0.5 and 2% mass content, a CuO content between 0.5 and 1.5% mass content and one CdO content between 0.05 and 2% mass content, in particular with an Ag content of 87.89% mass content, an Sn0 2 content of 9.92% mass content, a Bi 2 0 3 content of 1, 1% mass content, a CuO content of 1.2% mass content and a CdO content of 0.3% mass content or with an Ag content of 81.42% mass content, an Sn0 2 content of 13, 09% mass content, a Bi 2 0 3 content of 2.0% mass content, a CuO content of 1.5% mass content and a CdO content of 2.0% mass content.
  • An alloy of AgSnBiCu of the specified composition is melted from 90.15% mass content of single-grain silver grains, 8.05% mass content of tin grains, 0.90% mass content of metallic bismuth as fragments and 0.90% mass content of copper in the form of rods .
  • An alloy powder of the same composition is produced from it by pressure atomization with water. After drying, the powder fraction smaller than 200 ⁇ m is sieved off. This portion is internally oxidized in air between 500 and 800 ° C, after which a composite powder of AgSn0 2 Bi 2 0 3 CuO with the composition 87.95% mass content Ag, 9.97% mass content SnO 2 , 0.98% mass content Bi 2 0 3 and 1.10% mass content Cu0 is obtained.
  • the composite powder can be used to produce contact pieces by pressing in a die with 600 MPa. For secure connection technology by brazing, it is useful to press a second layer of pure silver powder together with the contact layer when pressing the composite powder.
  • the contact pieces are sintered at 850 ° C for one hour in air.
  • the contact pieces are compacted by hot pressing at 650 ° C with 800 MPa. Further compaction and consolidation is achieved by a second sintering. To reach 850 ° C for one hour in air and a subsequent further cold compression.
  • the contact properties of such contact pieces were measured on a test switch.
  • the burn-up values were about 25% better than an extruded AgSn0 2 quality with the same oxide content.
  • In the sweat force values were 50% lower F S99.9 values and 10% lower values in contact resistance.
  • the structure of the contact material is very fine and even.
  • the dried powder mixture is compacted with 300 MPa moldings.
  • the contact pieces are compacted by hot pressing at 650 ° C with 800 MPa.
  • a further compression can be achieved by a further heat treatment at 850 ° C for half an hour in air or nitrogen and a subsequent further cold or warm compression.
  • An alloy of AgSnBiCuCd with 90.06% mass content Ag, 7.67% mass content Sn, 1.01% mass content Bi, 0.98% mass content Cu and 0.27% mass content Cd becomes a particle size powder ⁇ 200 ⁇ m, for example by pressure spraying with water.
  • a composite powder made of AgSnO 2 Bi 2 O 3 CuOCdO with 87.89% mass content Ag, 9.92% mass content Sn0 2 , 1.1% mass content Bi203, 1.2% mass content Cu0 and 0.3% mass content Cd0 obtained.
  • the internal oxidation is carried out during an annealing treatment in air between 500 and 800 ° C. The time is chosen so that complete internal oxidation is achieved.
  • a two-layer powder compact is produced from the composite powder as in Example 1.
  • the compact is solidified by sintering and the residual porosity of the contact piece is reduced by hot or cold post-compression.
  • the contact quality achieved in this way also has the same good contact properties with the same composition as in Example 2.
  • a micrograph shows the uniform globular oxide deposits in the silver base metal.
  • the silver-tin-oxide contact materials with the further oxide additives Bi203, Cu0 and optionally Cd0 according to the invention represent one of the multitude of possibilities Special material selection with a very specific composition.
  • the contact materials with CdO as an oxide additive the CdO content could be reduced by 1 to 2 orders of magnitude.

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Abstract

Für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik haben sich Kontaktwerkstoffe auf der Basis AgCdO mit CdO als Hauptwirkkomponente als besonders vorteilhaft erwiesen. Beim Schalten von AgCdO-Kontaktwerkstoffen kann über den Abbrand CdO in die Umwelt gelangen, welches als toxischer Werkstoff eingestuft ist. Es wird daher angestrebt, den CdO-Gehalt im Kontaktwerkstoff so gering wie möglich zu halten bzw. ganz auszuschalten. Der Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung ist ein Sinter-Kontaktwerkstoff, der aus AgSnO2 mit mindestens zwei weiteren Metalloxidzusätzen besteht. Die Metalloxidzusätzen sind Bi2O3, CuO und wahlweise CdO. Die Zusätze von Bi2O3, CuO und wahlweise CdO betragen mengenmäßig gegenüber SnO2 insgesamt maximal 25 Vol.-% der Gesamtoxidmenge.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik aus AgSn02 mit mindestens zwei weiteren Metalloxidzusätzen.
  • Für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik, z.B. in Schützen oder Selbstschaltern, haben sich Kontaktwerkstoffe auf der Basis AgCd0 mit Cd0 als Hauptwirkkomponente als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Kbntaktwerkstoffe zeigen einen kleinen Abbrand im Lichtbogen, eine kleine Schweißkraft und eine niedrige Erwärmung bei Dauerstromführung.
  • Da beim Schalten aus Kontaktstücken, die aus AgCdO-Kontaktwerkstoffen bestehen, über den Abbrand Cd0 in die Umwelt gelangen kann und Cd0 als toxischer Werkstoff eingestuft ist, wird angestrebt, Kontaktwerkstoffe mit anderen Hauptmetalloxidzusätzen, wie Sn02, ZnO, In2O3, Cu0 usw., zu ersetzen. Kontaktwerkstoffe aus AgSnO2 ohne weitere Metalloxidzusätze konnten nicht alle Forderungen an die Kontakteigenschaften erfüllen. Es sind AgSn02-Kontaktwerkstoffe mit weiteren Metalloxidzusätzen wie In203, Bi2O3 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten AgSn02-Werkstoffe mit weiteren Metalloxidzusätzen dahingehend zu verbessern, daß die Konzentrationen der weiteren Metalloxidzusätze wesentlich niedriger sind und dabei insbesondere der Gehalt an toxischen Werkstoffen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als weitere Metalloxide Bi203, Cu0 und wahlweise Cd0 vorgesehen sind und daß der Summenmetalloxidgehalt zwischen 10 und 25 Vol.-% mit einem Sn02-Anteil ≥ 70 Vol.-% der Gesamtoxidmenge beträgt.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich ein Summenmetalloxidgehalt zwischen 15 bis 20 Vol.-% erwiesen.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich gemäß der Erfindung ein AgSn02Bi203Cu0-Werkstoff erwiesen mit einem Ag-Gehalt von 87,95 %-Massengehalt, einem SnO2-Gehalt von 9,97 %-Massengehalt, einem Bi203-Gehalt von 0,98 %-Massengehalt und einem CuO-Gehalt von 1,10 %-Massengehalt.
  • Ein weiterer Werkstoff gemäß der Erfindung besteht aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO mit einem Bi203-Gehalt zwischen 0,5 und 2 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt zwischen 0,5 und 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt zwischen 0,05 und 2 %-Massengehalt, insbesondere mit einem Ag-Gehalt von 87,89 %-Massengehalt, einem Sn02-Gehalt von 9,92 %-Massengehalt, einem Bi203-Gehalt von 1,1 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt von 1,2 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt von 0,3 %-Massengehalt oder mit einem Ag-Gehalt von 81,42 %-Massengehalt, einem Sn02-Gehalt von 13,09 %-Massengehalt, einem Bi203-Gehalt von 2,0 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt von 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt von 2,0 % Massengehalt.
  • Anhand dreier Ausführungsbeispiele wird das Herstellen des Werkstoffs und daraus eines Kontaktstückes gemäß der Erfindung näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffes aus AgSnO2Bi2O3CuO und des Kontaktstückes.
  • Aus 90,15 %-Massengehalt F.einsilberkörnern, 8,05 %-Massengehalt Zinnkörnern, 0,90 %-Massengehalt metallischem Wismut als Bruchstücke und 0,90 %-Massengehalt Kupfer in Form von Stangen wird eine Legierung aus AgSnBiCu der angegebenen Zusammensetzung erschmolzen. Durch Druckverdüsen mit Wasser wird daraus ein gleich zusammengesetztes Legierungspulver hergestellt. Nach dem Trocknen wird der Pulveranteil kleiner 200 um abgesiebt. Dieser Anteil wird an Luft zwischen 500 und 800°C inneroxidiert, wonach ein Verbundpulver aus AgSn02Bi203CuO der Zusammensetzung 87,95 %-Massengehalt Ag, 9,97 %-Massengehalt SnO2, 0,98 %-Massengehalt Bi203 und 1,10 %-Massengehalt Cu0 erhalten wird.
  • Aus dem Verbundpulver können durch Pressen in einer Matrize mit 600 MPa Kontaktstücke hergestellt werden. Für die sichere Verbindungstechnik durch Hartlöten ist es zweckmäßig beim Pressen des Verbundpulvers eine zweite Schicht aus Reinsilberpulver mit der Kontaktschicht gemeinsam zu verpressen. Die Sinterung der Kontaktstücke erfolgt bei 850°C während einer Stunde an Luft. Durch Warmnachpressen bei 650°C mit 800 MPa werden die Kontaktstücke verdichtet. Eine weitere Verdichtung und Verfestigung ist durch eine zweite Sinterung bei. 850°C während einer Stunde an Luft und eine darauf folgende weitere Kaltverdichtung zu erreichen.
  • Die Kontakteigenschaften solcher Kontaktstücke wurden auf einem Prüfschalter gemessen. Die Abbrandwerte lagen gegenüber einer stranggepreßten AgSn02-Qualität mit gleichem Oxidanteil um etwa 25 % besser. In den Schweißkraftwerten wurden 50 % niedrigerer FS99,9-Werte und im Kontaktwiderstand 10 % niedrigere Werte erreicht. Das Gefüge des Kontaktwerkstoffes ist sehr fein und gleichmäßig.
    • Beispiel 2
  • Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffs aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO und des Kontaktstückes.
  • Aus 81,42 %-Massengehalt Elektrolyse- oder Fällungssilberpulver und feinen Metalloxidpulvern aus 13,09 %-Massengehalt SnO2, 2,0 %-Massengehalt Bi2O3, 1,5 %-Massengehalt Cu0 und 2,0 %-Massengehalt CdO wird ein Pulver durch Naßmischen und Sieben der Teilchengröße < 200 µm hergestellt.
  • Aus der getrockneten Pulvermischung werden mit 300 MPa Formkörper verdichtet. Um eine einwandfreie Verbindung der Kontaktstücke mit einem Träger sicherzustellen ist es zweckmäßig, die Kontaktschicht mit einer zweiten Pulverschicht, z.B. aus Reinsilber, zu einem Zweischichten-Preßkörper zu verdichten. Die Sinterung erfolgt bei 8500C während einer Stunde an Luft. Durch Warmnachpressen bei 650°C mit 800 MPa werden die Kontaktstücke verdichtet. Eine weitere Verdichtung ist durch eine weitere Wärmebehandlung bei 850°C während einer halben Stunde an Luft oder Stickstoff und eine darauf folgende weitere Kalt- oder Warmverdichtung zu erreichen.
  • Die Kontakteigenschaften dieser Kontaktstücke wurden auf einem Prüfschalter gemessen und mit einer sehr guten AgCdO-Qualität verglichen. Bei vergleichbaren Abbrandwerten wurden eine etwas günstigere Erwärmung (10 % niedrigerer Kontaktwiderstand) und eine etwa um 15 % niedrigere Schweißkraft erreicht.
    • Beispiel 3
  • Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffes aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO und des Kontaktstückes.
  • Aus einer Legierung aus AgSnBiCuCd mit 90,06 %-Massengegehalt Ag, 7,67 %-Massengehalt Sn, 1,01 %-Massengehalt Bi, 0,98 %-Massengehalt Cu und 0,27 %-Massengehalt Cd wird ein Pulver der Teilchengröße < 200 µm, z.B. durch Druckverdüsen mit Wasser, hergestellt. Durch innere Oxidation des Legierungspulvers wird ein Verbundpulver aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO mit 87,89 %-Massengehalt Ag, 9,92 %-Massengehalt Sn02, 1,1 %-Massengehalt Bi203, 1,2 %-Massengehalt Cu0 und 0,3 %-Massengehalt Cd0 erhalten. Die innere Oxidation wird während einer Glühbehandlung an Luft zwischen 500 und 800°C durchgeführt. Dabei wird die Zeit so gewählt, daß eine vollständige innere Oxidation erreicht wird.
  • Aus dem Verbundpulver wird wie bei Beispiel 1 ein Zweischichten-Pulverpreßkörper hergestellt. Durch Sintern wird der Preßkörper verfestigt und durch Warm- bzw. Kaltnachverdichten wird die Restporosität des Kontaktstückes herabgesetzt. Auch die so erreichte Kontaktqualität hat bei gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 2 die gleich guten Kontakteigenschaften. Ein Gefügebild zeigt die gleichmäßig globularen Oxidausscheidungen im Silbergrundmetall.
  • Die Silber-Zinn-Oxid-Kontaktwerkstoffe mit den weiteren Oxidzusätzen Bi203, Cu0 und wahlweise Cd0 gemäß der Erfindung stellen eine aus der Vielzahl der Möglichkeiten spezielle Werkstoffauswahl bei ganz bestimmter Zusammensetzung dar. Bei den Kontaktwerkstoffen mit CdO als Oxidzusatz konnte der CdO-Gehalt um 1 bis 2 Größenordnungen gesenkt werden.

Claims (6)

1. Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik aus AgSn02 mit mindestens zwei weiteren Metalloxidzusätzen, dadurch gekennzeichnet , daß als weitere Metalloxide Bi203, Cu0 und wahlweise Cd0 vorgesehen sind und daß der Summenmetalloxidgehalt zwischen 10 und 25 Vol.-% mit einem SnO2-Anteil ≥ 70 Vol.-% der Gesamtoxidmenge beträgt.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Summenmetalloxidgehalt 15 bis 20 Vol.-% beträgt.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß er aus AgSnO2Bi2O3CuO besteht mit einem Ag-Gehalt von 87,95 %-Massengehalt, einem SnO2-Gehalt von 9,97 %-Massengehalt, einem Bi203-Gehalt von 0,98 %-Massengehalt und einem CuO-Gehalt von 1,10 %-Massengehalt.
4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß er aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO besteht mit einem Bi203-Gehalt zwischen 0,5 und 2 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt zwischen 0,5 und 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt zwischen 0,05 und 2 %-Massengehalt.
5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Ag-Gehalt von 87,89 %-Massengehalt, einen Sn02-Gehalt von 9,92 %-Massengehalt, einen Bi203-Gehalt von 1,1 %-Massengehalt, einen CuO-Gehalt von 1,2 %-Massengehalt und einen Cd0-Gehalt von 0,3 %-Massengehalt aufweist.
6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Ag-Gehalt von 81,42 %-Massengehalt, einen SnO2-Gehalt von 13,09 %-Massengehalt, einen Bi203-Gehalt von 2,0 %-Massengehalt, einen CuO-Gehalt von 1,5 %-Massengehalt und einen CdO-Gehalt von 2,0 %-Massengehalt aufweist.
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