EP0414709B1 - Sinterkontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik, insbesondere für kontaktstücke in niederspannungsschaltern - Google Patents

Sinterkontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik, insbesondere für kontaktstücke in niederspannungsschaltern Download PDF

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EP0414709B1
EP0414709B1 EP89904519A EP89904519A EP0414709B1 EP 0414709 B1 EP0414709 B1 EP 0414709B1 EP 89904519 A EP89904519 A EP 89904519A EP 89904519 A EP89904519 A EP 89904519A EP 0414709 B1 EP0414709 B1 EP 0414709B1
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contact material
contact
metal
titanium
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Joachim Dipl.-Phys. Grosse
Bernhard Rothkegel
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C32/00—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
    • C22C32/0047—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 carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
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    • C22C1/0466—Alloys based on noble metals
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C1/059—Making alloys comprising less than 5% by weight of dispersed reinforcing phases
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/023—Composite material having a noble metal as the basic material

Definitions

  • the invention relates to a sintered contact material based on silver for use in switching devices in power engineering, in particular for contact pieces in low-voltage switches, consisting of silver and other active components, which comprise a higher melting metal, a metal alloy and / or a metal compound as an active component.
  • switching devices in energy technology are to be understood exclusively as air switching devices.
  • contact materials of the silver-metal system have proven themselves for a long time.
  • the silver-nickel (AgNi) system had a significant share of these contact materials.
  • the advantageous properties of silver-nickel in contact systems are known and together with the test methods for contact materials, for example in Int. J. Powder Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), P 219-228.
  • JP-A-589 952 discloses a silver-based sintered contact material which, in addition to silver, comprises at least one nitride from the group of the metals titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), Chromium (Cr), molybdenum (Mo), manganese (Mn), iron (Fe), vanadium (V) or tantalum (Ta), also a metal from the group of nickel (Ni), iron (Fe) or cobalt (Co ) and in particular contains graphite.
  • JP-A-627 7439 describes a contact material for vacuum switches which, in addition to silver (Ag) and / or copper (Cu) as the base material, an auxiliary metal from the group of cobalt (Co), iron (Fe) and nickel ( Ni) has other high-melting components such as WC, MoC, Cr3C2, TiC, W, Mo, Cr and Ti.
  • the object of the invention is to provide a contact material of the type mentioned in the introduction, in which the nickel as active component in particular is replaced by a metal, a metal alloy or a metal compound without the contact properties being impaired.
  • the total proportion of all active components can preferably be less than 20%.
  • Iron (Fe) and titanium (Ti) in particular can be present in a mass fraction of approximately 54 to 46% and form the intermetallic compound FeTi.
  • Suitable metals for the nitrides and / or carbides and / or borides as possible further active components are, in particular, titanium, but also zirconium or tantalum.
  • the proportion of base components can be increased, ie the necessary proportion of silver can be reduced.
  • the material can contain the base components in mass fractions up to a maximum of 50%.
  • the table shows measured values for the maximum welding force in N, for the volume erosion in mm3 and for the contact resistance in m.
  • these measured values each characterize the property spectrum of the contact material, with the volume erosion in particular being a significant measure of the possible number of switching operations of the contact, i.e. the service life of the contact piece and the contact resistance is a significant measure of the excess temperature at the contact piece.
  • the measured values are compared with the measured values for AgNilO.
  • a powder mixture is first produced from commercially available silver powder and iron or titanium powder or FeTi alloy powder and the powders of the other components by wet mixing.
  • the maximum particle size of the powder is about 25 ⁇ m.
  • Molded parts are pressed from the powder mixture into contact pieces at a pressure of 200 MPa.
  • the molded parts are sintered at a temperature of about 850 ° C. for about an hour in a vacuum or under protective gas.
  • the sintered bodies are subsequently pressed at a pressure of 1000 MPa and sintered again at 650 ° C. for about an hour in a vacuum or under a protective gas.
  • the contact piece thus produced is again calibrated at a pressure of 1000 MPa.
  • contact pieces can be manufactured by first processing the contact material into strips or wires by extrusion. Contact pieces with a directional structure can then be separated from this semi-finished product.
  • iron-titanium alloy powders were used.
  • Optimal properties are available with a FeTi46 alloy in which iron and titanium form the intermetallic phase FeTi. Titanium in particular counteracts the tendency of iron to corrode, which could otherwise have a disruptive effect on the contact piece on the iron over a longer service life.
  • composition of the active component was predominantly chosen so that approximately a volume fraction corresponding to the nickel in the material AgNilO is achieved.
  • titanium nitrides and / or titanium carbides are added to the FeTi46 alloy. Their mass fractions are measured so that they are between 1 and 50% based on the iron-titanium content. Overall, in the examples, care is taken that the material contains a maximum of 50% base components in mass fractions.
  • the welding force of the volume burnup and the contact resistance were determined in a known manner in a test switch under constant test conditions at an inrush current of 1000 A and an off current of 1000 A using a switching number of 500.
  • the results are summarized in the table and are compared with the measured values of a conventional AgNilO material.
  • the table shows that the maximum welding force in all examples is not significantly higher than that of the known AgNilO reference material.
  • the volume burn-off on the other hand, is consistently below that of the reference material.
  • the contact resistance is of the same order of magnitude, sometimes even at higher values.
  • the range of contact properties formed by the combination of the individual values shows values comparable with AgNilO.
  • the specified contact materials can therefore replace the AgNi materials, so that the carcinogenic nickel can now be completely dispensed with.
  • borides can also be used as additional active components.
  • zirconium or tantalum boride can be expected to have good properties, it being possible in each case to combine borides with carbides and / or nitrides.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, bestehend aus Silber und weiteren Wirkkomponenten, die ein höherschmelzendes Metall, eine Metallegierung und/oder eine Metallverbindung als Wirkkomponente umfassen. Unter Schaltgeräten der Energietechnik sind in vorliegendem Fall ausschließlich Luftschaltgeräte zu verstehen.
  • Für Kontaktstücke in Schaltgeräten der Energietechnik, z.B. in Leistungsschaltern sowie in Gleichstrom- und Hilfsschützen, haben sich Kontaktwerkstoffe des Systems Silber-Metall (AgMe) seit langem bewährt. Einen wesentlichen Anteil an diesen Kontaktwerkstoffen hat in der Vergangenheit das System Silber-Nickel (AgNi) gehabt. Die vorteilhaften Eigenschaften von Silber-Nickel in Kontaktsystemen sind bekannt und zusammen mit den Prüfmethoden für Kontaktwerkstoffe beispielsweise in Int. J. Powder Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), P 219 - 228 beschrieben.
  • Es wurde aber vor einiger zeit erkannt, daß Nickelstaub karzinogene Wirkungen hat. Deshalb sind Bestrebungen im Gange, für Schützanwendungen das Nickel durch ein anderes Metall oder eine Metallegierung bzw. eine Metallverbindung zu ersetzen. Diese neuen Werkstoffe müssen jedoch ein ähnliches Kontakteigenschaftsspektrum wie AgNi-Werkstoffe aufweisen.
  • Aus der JP-A-589 952 ist ein Sinterkontaktwerkstoff auf Silberbasis bekannt, der neben Silber wenigstens ein Nitrid aus der Gruppe der Metalle Titan (Ti), Zirkon (Zr), Niob (Nb), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Vanadium (V) oder Tantal (Ta), weiterhin ein Metall aus der Gruppe von Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) sowie insbesondere Graphit enthält. Schließlich wird in der JP-A-627 7439 ein Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter beschrieben, der neben Silber (Ag) und/oder Kupfer (Cu) als Grundwerkstoff, einem Hilfsmetall aus der Gruppe von Kobalt (Co), Eisen (Fe) und Nickel (Ni) weitere hochschmelzende Komponenten wie WC, MoC, Cr₃C₂, TiC, W, Mo, Cr und Ti hat.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Kontaktwerkstoff der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem speziell das Nickel als Wirkkomponente durch ein Metall, eine Metalllegierung oder eine Metallverbindung ersetzt ist, ohne daß die Kontakteigenschaften verschlechtert werden.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Werkstoff folgender Zusammensestzung gelöst:
    • mindesten Eisen (Fe) und Titan (Ti), die in legierter Form als Hauptwirkkomponenten vorliegen,
    • wahlweise Nitride und/oder Carbide und/oder Boride von Metallen als weitere Wirkkomponenten, wobei
    • die weiteren Wirkkomponenten in Massenanteilen bis zu 50 % bezogen auf den Anteil von Eisen und Titan umfassen und
    • der Anteil aller Wirkkomponenten am Werkstoff in Massenanteilen zwischen 2 und 50 % liegt und
    • als Rest jeweils Silber vorhanden ist.
  • Der Gesamtanteil aller Wirkkomponenten kann vorzugsweise kleiner als 20 % sein. Insbesondere Eisen (Fe) und Titan (Ti) können speziell in Massenanteilen von etwa 54 zu 46 % vorliegen und die intermetallische Verbindung FeTi bilden. Als Metalle für die Nitride und/oder Carbide und/oder Boride als mögliche weitere Wirkkomponenten kommt insbesondere Titan, aber auch Zirkon oder Tantal in Frage. Durch die Nitrile, Carbide und/oder Boride läßt sich der Anteil der unedlen Bestandteile vergrößern, d.h. den notwendigen Silberanteil verringern. Insgesamt kann der Werkstoff die unedlen Bestandteile in Massenanteilen bis maximal 50 % enthalten.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles zur Herstellung von Kontaktstücken, wobei weiterhin auf die beigefügte Tabelle mit Einzelbeispielen für unterschiedliche Werkstoffzusammensetzungen gemäß der Erfindung hingewiesen wird.
  • In der Tabelle sind Meßwerte für die maximale Schweißkraft in N, für den Volumenabbrand in mm³ und für den Kontaktwiderstand in m angegeben. Diese Meßwerte kennzeichnen in Kombination jeweils das Eigenschaftsspektrum des Kontaktwerkstoffes, wobei insbesondere der Volumenabbrand ein signifikantes Maß für die mögliche Schaltzahl des Kontaktes, d.h. der Lebensdauer des Kontaktstückes und der Kontaktwiderstand ein signifikantes Maß für die Übertemperatur am Kontaktstück ist. Die Meßwerte werden jeweils mit den Meßwerten für AgNilO verglichen.
  • Zur Herstellung des Kontaktwerkstoffes wird zunächst aus handelsüblichem Silber-Pulver und Eisen- bzw. Titan-Pulver oder FeTi-Legierungspulver sowie den Pulvern der weiteren Komponenten durch Naßmischen eine Pulvermischung hergestellt. Die maximale Teilchengröße der Pulver beträgt etwa 25 µm. Aus der Pulvermischung werden Formteile bei einem Druck von 200 MPa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbindungstechnik des Kontaktstückes mit dem Kontaktstückträger durch Hartlöten kann es vorteilhaft sein, bei diesem Preßvorgang eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der Kontaktschicht zu einem Zweischichtenkontaktstück zu verpressen.
  • Es erfolgt eine Sinterung der Formteile bei einer Temperatur von etwa 850°C etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas. zur Erzielung einer möglichst geringen Porosität werden anschließend die Sinterkörper bei einem Druck von 1000 MPa nachgepreßt und nochmals bei 650°C etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas gesintert. Das Kalibrieren des so hergestellten Kontaktstückes erfolgt wiederum bei einem Druck von 1000 MPa.
  • Alternativ zur Formteiltechnik können Kontaktstücke dadurch hergestellt werden, daß zunächst der Kontaktwerkstoff durch Strangpressen zu Bändern oder Drähten verarbeitet wird. Von diesem Halbzeug lassen sich dann Kontaktstücke mit Richtgefüge abtrennen.
  • In Versuchsreihen wurde außer mit reinem Fe-Pulver bzw. Ti-Pulver insbesondere mit Eisen-Titan-Legierungspulvern gearbeitet. Optimale Eigenschaften liegen bei einer FeTi46-Legierung vor, bei der Eisen und Titan die intermetallische Phase FeTi bilden. Dabei wirkt insbesondere das Titan der Korrosionsneigung von Eisen entgegen, die sich ansonsten über eine längere Lebensdauer des Kontaktstückes am Eisen störend bemerkbar machen könnte.
  • Bei den Beispielen wurde die Zusammensetzung der Wirkkomponente überwiegend so gewählt, daß in etwa ein Volumenanteil entsprechend dem Nickel im Werkstoff AgNilO erreicht wird.
  • In weiteren Einzelbeispielen werden zur FeTi46-Legierung Titannitride und/oder Titankarbide hinzugefügt. Deren Massenanteile werden so bemessen, daß sie bezogen auf den Eisen-Titan-Gehalt zwischen 1 bis 50 % liegen. Insgesamt wird bei den Beispielen darauf geachtet, daß der Werkstoff maximal in Massenanteilen 50 % unedle Bestandteile enthält.
  • Von den nach obiger Vorschrift hergestellten Kontaktstücken aus den angegebenen Werkstoffen wurden in einem Prüfschalter unter konstanten Prüfbedingungen bei einem Einschaltstrom von 1000 A und einem Ausschaltstrom von 1000 A in bekannter Weise über eine Schaltzahl von 500 die Schweißkraft der Volumenabbrand und der Kontaktwiderstand ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengestellt und werden mit den Meßwerten eines herkömmlichen AgNilO-Werkstoffes verglichen.
  • Die Tabelle zeigt, daß die maximale Schweißkraft bei allen Beispielen nicht wesentlich über dem beim bekannten AgNilO-Vergleichswerkstoff liegt. Der Volumenabbrand liegt dagegen durchweg unter dem des Vergleichswerkstoffes. Der Kontaktwiderstand liegt jeweils in der gleichen Größenordnung, teilweise auch bei höheren Werten.
  • Insgesamt zeigt aber das durch die Kombination der Einzelwerte gebildete Kontakteigenschaftsspektrum jeweils mit AgNilO vergleichbare Werte. Die angegebenen Kontaktwerkstoffe können daher die AgNi-Werkstoffe ersetzen, so daß nunmehr auf das karzinogene Nickel vollständig verzichtet werden kann.
  • In weiteren Beispielen können neben den oben angegebenen Metallverbindungen als zusätzliche Wirkkomponenten auch Boride verwendet werden. Insbesondere Zirkon- oder Tantalborid lassen gute Eigenschaften erwarten, wobei jeweils Boride mit Karbiden und/oder Nitriden kombiniert werden können.
    Figure imgb0001

Claims (8)

  1. Sinterkontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, bestehend aus Silber und weiteren Wirkkomponenten, die ein höher schmelzendes Metall, eine Metallegierung und/oder eine Metallverbindung umfassen, in folgender Zusammensetzung:
    - mindestens Eisen (Fe) und Titan (Ti), die in legierter Form als Hauptwirkkomponenten vorliegen,
    - wahlweise Nitride und/oder Carbide und/oder Boride von Metallen als weitere Wirkkomponenten, wobei
    - die weiteren Wirkkomponenten in Massenanteilen bis zu 50 % bezogen auf den Anteil von Eisen und Titan umfassen und
    - der Anteil aller Wirkkomponenten am Werkstoff in Massenanteilen-zwischen 2 und 50 % liegt und
    - als Rest jeweils Silber vorhanden ist.
  2. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkomponente kleiner als 40 % ist.
  3. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkomponente kleiner als 30 % ist.
  4. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wirkkomponente kleiner als 20 % ist.
  5. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Eisen (Fe) und Titan (Ti) in Massenanteilen von etwa 54 zu 46 % vorliegen und die intermetallische Verbindung FeTi bilden.
  6. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zur Bildung der Nitride, Karbide und/oder Boride Titan (Ti) ist.
  7. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zur Bildung der Nitride, Karbide und/oder Boride Zirkon (Zr) ist.
  8. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zur Bildung der Nitride, Karbide und/oder Boride Tantal (Ta) ist.
EP89904519A 1988-04-20 1989-04-19 Sinterkontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik, insbesondere für kontaktstücke in niederspannungsschaltern Expired - Lifetime EP0414709B1 (de)

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