EP0118708B1 - Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte - Google Patents

Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte Download PDF

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EP0118708B1 EP84100927A EP84100927A EP0118708B1 EP 0118708 B1 EP0118708 B1 EP 0118708B1 EP 84100927 A EP84100927 A EP 84100927A EP 84100927 A EP84100927 A EP 84100927A EP 0118708 B1 EP0118708 B1 EP 0118708B1
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Siemens AG
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    • C22C—ALLOYS
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
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    • H01H1/02372—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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
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    • B22F2009/0828—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid with a specific atomising fluid with water
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • 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 contact material for low-voltage switchgear in power engineering based on AgSn0 2 with further metal oxide additives.
  • contact materials based on AgCdO with CdO as the main active component have proven to be particularly advantageous. These contact materials show a small erosion in the arc, a low welding force and a low heating with continuous current supply.
  • a contact material is known from GB-A-20 55 398. by oxidation of a plated alloy sheet with 3 to 15% by weight of tin. 0.01 to 1% by weight bismuth and 0.1 to 8.5% by weight Cu is produced.
  • DE-A-27 54 335 discloses an electrical contact material based on silver metal oxide, in which 1.5 to 6% by weight bismuth oxide and 0.1 to 6% by weight tin oxide, based on the total amount of oxide, are present should be.
  • copper oxide or zinc oxide can also be present, but bismuth oxide and tin oxide always dominate and are of the same order of magnitude.
  • the object is achieved in that the material as sintered material consists of AgSnO 2 Bi 2 O 3 CuOCdO and that the total metal oxide content is between 10 and 25 vol .-% with a SnO 2 content ⁇ 70 vol .-% of the total amount of oxide and 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 a CdO content between 0.05 and 2% mass content.
  • a first material according to the invention can have an Ag mass content of 87.89%, an SnO 2 mass content of 9.92%, a Bi 2 0 3 mass content of 1.1%, a CuO mass content of 1.2% and a CdO Mass content of 0.3% and a second material according to the invention an Ag mass content of 81.42%, an SnO z mass content of 13.09%, a Bi 2 O 3 mass content of 2.0%, a CuO mass content of 1.5 % and a CdO mass content of 2.0%.
  • Molded bodies are compacted from the dried powder mixture with 300 MPa.
  • a second powder layer e.g. B. from pure silver to a two-layer compact. Sintering takes place at 850 ° C for one hour in air.
  • the contact pieces are compacted by hot pressing at 650 ° C with 800 MPa. To achieve 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 ⁇ , e.g. B. produced by pressure atomization 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 Bi 2 O 3 , 1.2% mass content CuO and 0.3 % Mass content of CdO obtained.
  • the internal oxidation is during a Annealing treatment carried out in air between 500 and 800 ° C.
  • 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 1.
  • a micrograph shows the uniform globular oxide deposits in the silver base metal.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik auf AgSn02-Basis mit weiteren Metalloxidzusätzen.
  • Für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik, z. B. in Schützen oder Selbstschaltern, haben sich Kontaktwerkstoffe auf der Basis AgCdO mit CdO als Hauptwirkkomponente als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Kontaktwerkstoffe 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 CdO in die Umwelt gelangen kann und CdO als toxischer Werkstoff eingestuft ist, wird angestrebt. Kontaktwerkstoffe mit anderen Hauptmetalloxidzusätzen, wie Sn02, ZnO. In203, CuO usw.. zu ersetzen. Kontaktwerkstoffe aus AgSn02 ohne weitere Metalloxidzusätze konnten nicht alle Forderungen an die Kontakteigenschaften erfüllen. Es sind AgSn02-Kontaktwerkstoffe mit weiteren Metalloxidzusätzen, wie beispielsweise In2O3, Bi2O3, vorgeschlagen worden. Aus der GB-A-20 55 398 ist ein Kontaktwerkstoff bekannt. der durch Oxidation eines plattierten Legierungsbleches mit 3 bis 15 Gew.-% Zinn. 0.01 bis 1 Gew.- % Wismut und 0,1 bis 8,5 Gew.-% Cu hergestellt ist.
  • Daneben ist aus der DE-A-27 54 335 ein elektrischer Kontaktwerkstoff auf Silber-Metalloxidbasis bekannt, bei dem 1,5 bis 6 Gew.-% Wismutoxid und 0,1 bis 6 Gew.-% Zinnoxid, bezogen auf die Gesamtoxidmenge, vorhanden sein sollen. Zusätzlich kann auch Kupferoxid oder Zinkoxid vorhanden sein, wobei aber immer Wismutoxid und Zinnoxid dominieren und in der gleichen Größenordnung liegen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten AgSnO2-Werkstoffe mit weiteren Metalloxidzusätzen zu kombinieren, wobei die Konzentration der weiteren Metalloxidzusätze, d. h. insbesondere der Gehalt an toxischen Werkstoffen niedriger sein soll und trotzdem ähnlich gute Schalteigenschaften wie bei AgCdO-Werkstoffen erreicht werden.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Werkstoff als Sinterwerkstoff aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO besteht und daß der Summenmetalloxidgehalt zwischen 10 und 25 Vol.-% beträgt mit einem SnO2-Anteil ≥ 70 Vol.-% der Gesamtoxidmenge und mit einem Bi203-Anteil zwischen 0,5 und 2%-Massengehalt, einem CuO-Anteil zwischen 0,5 und 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Anteil zwischen 0,05 und 2 %-Massengehalt.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich ein Summenmetalloxidgehalt zwischen 15 bis 20 Vol.-% erwiesen. Insbesondere kann ein erster erfindungsgemäßer Werkstoff einen Ag-Massengehalt von 87.89 %, einen Sn02-Massengehalt von 9,92 %, einen Bi203-Massengehalt von 1,1 %, einen CuO-Massengehalt von 1,2 % und einen CdO-Massengehalt von 0,3 % und ein zweiter erfindungsgemäßer Werkstoff einen Ag-Massengehalt von 81,42%, einen SnOz-Massengehalt von 13,09 %, einen Bi2O3-Massengehalt von 2.0 %, einen CuO-Massengehalt von 1.5 % und einen CdO-Massengehalt von 2.0 %, haben.
  • Anhand von Ausführungsbeispielen wird das Herstellen des Werkstoffes und des daraus zu fertigenden Kontaktstückes gemäß der Erfindung näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffes aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO und des Kontaktstückes.
  • Aus 81,42 %-Massengehalt Elektrolyse- oder Fällungssilberpulver und feinen Metalloxidpulvern aus 13,09 %-Massengehalt Sn02, 2,0 %-Massengehalt Bi203, 1,5 %-Massengehalt CuO 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 850 °C während einer Stunde an Luft. Durch Warmnachpressen bei 650 °C mit 800 MPa werden die Kontaktstücke verdichtet. 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 2
  • Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffes aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO und des Kontaktstückes.
  • Aus einer Legierung aus AgSnBiCuCd mit 90,06 %-Massengehalt Ag, 7,67 %-Massengehalt Sn, 1,01 %-Massengehalt Bi, 0,98 %-Massengehalt Cu und 0,27 %-Massengehalt Cd wird ein Pulver der Teilchengröße < 200 µ, 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 Bi2O3, 1.2 %-Massengehalt CuO und 0,3 %-Massengehalt CdO 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 1 die gleich guten Kontakteigenschaften. Ein Gefügebild zeigt die gleichmäßig globularen Oxidausscheidungen im Silbergrundmetall.
  • Die Silber-Zinnoxid-Kontaktwerkstoffe mit den speziellen Oxidzusätzen Bi203, CuO und CdO gemäß der Erfindung stellen eine aus der Vielzahl der Möglichkeiten spezielle Werkstoffauswahl bei ganz bestimmter Zusammensetzung dar. Gegenüber den Kontaktwerkstoffen mit CdO als einzigem Oxidzusatz konnte der CdO-Gehalt um 1 bis 2 Größenordnungen gesenkt werden.

Claims (4)

1. Kontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik auf AgSnO2-Basis mit weiteren Metalloxidzusätzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff als Sinterwerkstoff aus AgSnO2Bi2O3CuOCdO besteht und daß der Summenmetalloxidgehalt zwischen 10 und 25 Vol.-% beträgt mit einem SnO2-Anteil ≥ 70 Vol.- % der Gesamtoxidmenge und einem Bi203-Anteil zwischen 0,5 und 2 %-Massengehalt, einem CuO-Anteil zwischen 0,5 und 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Anteil zwischen 0,05 und 2 %-Massengehalt.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Summenmetalloxidgehalt 15 bis 20 Vol.-% beträgt.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Ag-Massengehalt von 87.89 %, einen SnO2-Massengehalt von 9,92 %, einen Bi203-Massengehalt von 1,1 %, einen CuO-Massengehalt von 1,2% und einen CdO-Massengehalt von 0,3 % aufweist.
4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Ag-Massengehalt von 81,42%, einen SnO2-Massengehalt von 13,09 %, einen Biz03-Massengehalt von 2.0 %, einen CuO-Massengehalt von 1.5% und einen CdO-Massengehalt von 2.0 % aufweist.
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