EP0586410A1 - Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik sowie verfahren zur herstellung von kontaktstücken aus diesem werkstoff. - Google Patents
Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik sowie verfahren zur herstellung von kontaktstücken aus diesem werkstoff.Info
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- the proportions of silver, iron oxide and rhenium oxide can be varied using the same procedure.
- a material with the composition AgFe 2 O 3 5.7 ReO 2 2.2 was also investigated.
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Description
Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in
Schaltgeräten der Energietechnik sowie Verfahren zur
Herstellung von Kontaktstücken aus diesem Werkstoff Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirkkomponenten wenigstens ein Oxid eines höher schmelzenden
Metalls en thäl t . Daneben bez ie ht sich di e Er find ung au ch au f ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einem derartigen Werkstoff.
Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energietechnik, z.B. in Leistungsschaltern sowie in
Gleichstrom-, Motor- und Hilfsschützen, sind Kontaktwerkstoffe einerseits des Systems Silber-Metall (AgMe) und andererseits des Systems Silber-Metalloxid (AgMeO) bekannt. Vertreter des ersten Systems sind beispielsweise Silber-Nickel (AgNi) oder Silber-Eisen (AgFe); Vertreter des zweiten Systems sind inbesondere Silber-Cadmiumoxid (AgCdO) oder Silber-Zinnoxid (AgSnO2). Hinzu können weitere Metalloxide, wie insbesondere Wismutoxid (Bi2O3), Kupferoxid (CuO) und/oder Tantaloxid (Ta2O5), kommen.
Die praktische Verwendbarkeit eines Kontaktwerkstoffes auf Silber-Metall- bzw. Silber-Metalloxid-Basis wird durch das sogenannte elektrische Kontakteigenschaftsspektrum bestimmt. Maßgebliche Kenngrößen sind dabei die Lebensdauerschaltzahl einerseits, die durch den Abbrand des Schaltstückes bestimmt wird, und die sogenannte Übertemperatur, d.h. die Kontakterwärmuπg an der Kontaktbrücke, welche
sich im wesentlichen aus dem elektrischen Widerstand des genannten Kontaktaufbaus ergibt, andererseits. Weiterhin wichtig sind eine hinreichend geringe Verschweißπeigung der Kontaktstücke und eine Korrosionsbeständigkeit, dε ourch Langzeitkorrosion des Werkstoffes in Luftschaltgeräten sich die Schalteigenschaften mit der Zeit verändern können.
Aus der DE-A-1 608 211 ist bereits ein elektrisches Kontaktmaterial des Systems Silber-Metalloxid bekannt, das neben Cadmium- bzw. Zinnoxid auch Eisenoxid enthalten kann. Weiterhin wird mit der DE-C-38 16 895 die Verwenαunc eines Silber-Eisen-Werkstoffs mit 3 bis 30 Gew.-% Eisen und einen oder mehreren der Zusätze Mangan, Kupfer, Zink, Antimon, Wismutoxid, Molybdänoxid, Weiframoxid, Chromnitrid in Mengen von insgesamt 0,05 bis 5 Gew.-%, Rest Silber, für elektrische Kontakte vorgeschlagen. Schließlich ist aus der DE-A-39 11 904 ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen eines Halbzeugs für elektrische Kontakte aus einem Verbundwerkstoff auf Silberbasis mit Eisen bekannt, bei dem 5 bis 50 Gew.-% Eisen als erster, Nebenbestandteil und 0 bis 5 Gew.-% eines zweiten Nebenbestandteils aus einer oαer mehreren Substanzen aus der Gruppe, welche die Metalle Titan, Zirkon, Niob, Tantal. Molybdän, Mangan, Kupfer und Zink sowie ihre Oxide unc ihre Karbide enthält, verwendet werden. Das Eisen in elementarer Form wird dabei insbesondere durch chemisches Fällen erhalten. Bei den Werkstoffen des Standes der Technik werden meist nicht alle Anforderungen des Schalteigenschaftsspektrums gleichzeitig erfüllt. Letztendlich wird angestrebt, für den jeweiligen Anwendungsfall ein daran angepaßtes Optimum
der jeweils wichtigsten Kenngrößen zu erreichen.
Ausgehend von obigen Anforderungen ist es Aufgabe der Erfindung, weitere Kontaktwerkstoffe auf Silber-EisenBasis und das zugehörige Herstellungsverfahren aufzufinden. Diese Werkstoffe sollen sich durch geringe Kontakterwärmung mit stabilem Erwärmungsverhalten, geringer
Neigung zum Verschweißen und eine hoher Lebensdauer in bezug auf die Schaltstromstärken auszeichnen. Weiterhin soll eine gute Korrosionsbeständigkeit gegeben sein.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Wirkkomponenten in Kombination Eisenoxid in Massenanteilen zwischen 1 und 50 % und ein Oxid eines weiteren chemischen Elementes in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5 % vorliegen. Das Eisenoxid kann dabei die Konstitution Fe2O3 oder Fe3O4, gegebenenfalls aber auch eine Mischform haben. Zur Fertigung von Kontaktstücken aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff werden das Eisenoxid und das weitere Oxid pulvermetallurgisch dem Silber hinzugefügt.
Im Rahmen vorliegender Erfindung wurde erkannt, daß speziell Eisenoxid als Hauptwirkkomponente in Verbindung mit einem weiteren Oxid als Nebenkomponente das EigenschaftsSpektrum als Kontaktwerkstoff verbessert. Vorzugsweise liegt das Eisenoxid in Massenanteilen von weniger als 40 % , insbesondere weniger als 30 % , vor. Als weiteres Oxid haben sich Rheniumoxid, Wismutzirkonat, Boroxid oder auch Zirkonoxid bewährt, die einzeln oder in Kombination mit unterschiedlicher Gewichtung vorliegen können.
Besonders vorteilhaft ist ein Kontaktwerkstoff der eingangs genannten Art, bei dem das Eisenoxid in Massen
anteilen von 2 bis 20 % vorliegt, mit einem Zusatz von 0,5 bis 2 m% Rheniumoxid und/oder 0,05 bis 3 m% Wismutzirkonat und/oder 0,05 bis 0,5 m% Boroxid und/oder 0,05 bis 2 m% Zirkonoxid.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfinoung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei wird einerseits auf unterschiedliche Verfahren zur Herstellung des beanspruchten Werkstoffes und andererseits auf die beigefügte Tabelle mit Einzelbeispielen für konkrete Werkstoffzusammensetzungen gemäß der Erfindung eingegangen.
In der Tabelle sind Meßwerte für die Übertemperatur der beanspruchten Werkstoffe, die jeweils an der Kontaktbrücke des Schaltgerätes gemessen wurde, angegeben. In der ersten Spalte der Temperaturmeßwerte ist die maximale Übertemperatur und in der zweiten Spalte der Temperaturmeßwerte ist die mittlere Brückentemperatur enthalten, die sich jeweils als Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur ergeben. Die Temperaturmeßwerte wurden in Schaltreihenversuchen in einem 15 kW-Schütz bis zu einer Schaltzahl von ns = 50.000 Schaltungen ermittelt. Die Tabelle umfaßt drei Ausführungsbeispiele mit aussagekräftigen Zusammensetzungen des beanspruchten Kontaktwerkstoffes. Dabei kann die Herstellung des eigentlichen
Werkstoffes und die Fertigung der diesbezüglichen Kontaktstücke nach teilweise unterschiedlichen Methoden erfolgen. Der Meßwert der erfindungsgemäßen Werkstoffe wird mit AgFe2O3 6,4 verglichen. Außerdem ist in der
Tabelle ein AgFe9-Kontaktwerkstoff angeführt. Auf die Ergebnisse wird weiter unten im einzelnen eingegangen.
Erstes Herstellungsverfahren:
Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes AgFe2O3 5,7 ReO2 1,1 werden entsprechende Anteile von Silberpulver, Eisenoxidpulver und Rheniumoxidpulver gemischt. Dazu werden handelsübliche Oxidpulver von Eisen oder Rhenium verwendet.
Durch Naßmischen der Oxidpulver wird eine Pulvermischung zubereitet. Aus der Pulvermischung werden zunächst über die sogenannte Strangpreßtechnik Bänder oder Drähte des Werkstoffes als Halbzeug für die Kontaktstücke hergestellt. Die Verfahrensbedingungen hinsichtlich Temperatur einerseits und Druck andererseits werden dabei so gewählt, daß einer unerwünschten Verdampfung von Rhenium Rechnung getragen wird. Für eine sichere Verbindungstechnik ist es vorteilhaft, nach dem Zweischichten-Strangpreßverfahren Bänder mit einer lötfähigen Silberschicht herzustellen. Von dem so erzeugten Halbzeug lassen sich dann Kontaktstücke mit Richtgefüge abtrennen.
Bei einem gleichen verfahrensmäßigen Vorgehen können die Anteile von Silber, Eisenoxid und Rheniumoxid variiert werden. Weiterhin untersucht wurde ein Werkstoff der Zusammensetzung AgFe2O35,7 ReO22,2.
Zweites Herstellungsverfahren:
In einem anderen Verfahren werden die Kontaktstücke durch Formteiltechnik hergestellt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das weitere Oxid als Nebenwirkkomponente nicht Rheniumoxid, sondern beispielsweise Zirkonoxid ist. Hierzu werden wiederum entsprechende Anteile von Silber-
pulver, Eisenoxidpulver und das Zirkonoxidpulver miteinancer gemischt. Im einzelnen wurde ein Werkstoff der Zusammensetzung AgFe2O305,4 ZrO2 1,0 untersucht. Es kann weiterhin vorteihaft sein, neben Silberpulver und Eisenoxidpulver als weiteren Zusatz ein Pulver aus einer Mischung von zwei oder mehreren Komponenten aus Rheniumoxid, Wismutzirkonat, Boroxid und Zirkonoxid zu verwenden. Bei geeigneter Abstimmung der Anteile einer solchen Mischung können jeweils die Vorteile der einzelnen Zusatzoxide miteinander kombiniert werden.
Nach Naßmischen über einen geeigneten Zeitraum werden aus der Pulvermischung Formteile bei einem Druck von ca. 200 MPa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbindungstechnik des Kontaktstückes mit dem Kontaktstückträger durch Hartlöten ist es wiederum vorteilhaft, bei diesem Preßvorgang eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der eigentlichen Kontaktschicht zu einem Zweischichten-Kontaktstück zu verpressen.
Anschließend erfolgt eine Sinterung der Formteile bei einer Temperatur von ca. 850 °C etwa eine Stunde. Zur Erziεlung einer möglichst geringen Porosität der fertiger Kontaktstücke werden anschließend die Sinterkörper bei einem Druck von ca. 1000 MPa nachgepresst und nochmals bei ca. 800 ºC etwa eine Stunde gesintert. Das Kalibrieren der so herstellten Kontaktstücke erfolgt wiederum bei einem Druck von ca. 1000 MPa.
Es ist auch möglich, zur Herstellung geeigneter SilberMetalloxid-Pulvermischungen ein Langzeitmischen der Silber- und Einzeloxidpulver nach Art des sogenannte mecha-
nischen Legierens anzuwenden. Dadurch werden die Gefügeeigenschaften des fertigen Werkstoffes vorteilhaft beeinflußt. Die Fertigung der Kontaktstücke kann jeweils wiederum alternativ durch Strangpreßtechnik oder Formteiltechnik erfolgen. Speziell bei Verwendung von Rheπiumoxid als zusätzlicher Wirkkomponente muß wiederum einer möglichen Verdampfung von Rhenium Rechnung getragen werden. Diese Gefahr besteht bei Zirkonoxid nicht. Die Tabelle zeigt, daß bei den beiden ersten Beispielen des erfinduπgsgemäßen Werkstoffes jeweils eine mittlere Brückentemperatur vorliegt, die über dem Wert von AgFe9 und auch AgFe2O36,4 liegt. Demgegenüber liegt der entsprechende Wert beim dritten Beispiel unter den Vergleichsbeispielen. Festzuhalten ist, daß AgFe- und AgFe2O3-Werkstoffe in diesem Zusammenhang ein ähnliches Temperaturverhalten zeigen. Insgesamt liegen alle Werte für die mittlere Brückentemperatur in einem Bereich von 70 ± 5 K. Abgesehen von der mittleren Brückentemperatur zeigt sich aber nun, daß die maximale Übertemperatur bei allen erfindungsgemäßen Werkstoffen signifikant unter den Vergleichsbeispielen liegt. Insbesondere die statistisch auftretenden Maximawerte der Übertemperatur, die zu
Schaden im Schaltgerät führen können, konnten aber bisher kaum beherrscht werden.
Aus den Meßwerten läßt sich also die Erkenntnis ableiten, daß ein Zusatz von entweder Rheniumoxid oder insbesondere von Zirkonoxid das Temperaturverhalten eines AgFe2O3- Werkstoffes entscheidend stabilisiert. Letzteres drückt sich in der deutlich niedrigeren maximalen Übertemperatur aus.
Gemäß Tabelle wurden im einzelnen AgFe2O3ReO2- und
AgFe2O3ZrO2-Werkstoffe untersucht. Der gleiche positive Einfluß wie von Rheniumoxid oder Zirkonoxid kann auch von anderen geeigneten Oxidzusätzen erwartet werden. Beispielsweise können als geeignete Nebenkomponenten zum
Eisenoxid auch Wismutzirkonat (2Bi2O3 × 3ZrO2) oder Borsäure (H3BO4) verwendet werden. Auch Mischungen der einzelnen Komponenten sind möglich. Bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen kann das Eisenoxid anstatt der chemischen Konstitution Fe2O3 auch in der Konstitution Fe3O4 oder in einer Mischform vorliegen. Im einzelnen zeigt sich, daß das Eisenoxid insbesondere in Massenanteilen von 2 bis 20 %, der Zusatz von Rheniumoxid zwischen 0,5 und 3 m%, der Zusatz von Wismutzirkonat zwischen 0,05 und 3 m%, der Zusatz von Borsäure zwischen 0,05 und 0,5 m% und der Zusatz von Zirkonoxid zwischer 0,05 und 2 m% liegen sollte.
Claims
1. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirkkomponenten wenigstens ein Oxid eines höher schmelzenden Metalls, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Wirkkomponenten in Kombination Eisenoxid (Fe2O3/Fe3O4) in Massenanteilen zwischen 1 und 50 % und ein Oxid eines weiteren chemischen Elementes in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5 % vorliegen.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Eisenoxid
(Fe2O3/Fe3O4) in Massenanteilen von weniger als 40 % vorliegt.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Eisenoxid
(Fe2O3/Fe3O4) in Massenanteilen von weniger als 30 % vorliegt.
4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das weitere Oxid
Rheniumoxid (ReO2) ist.
5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das weitere Oxid
Wismutzirkonat (2Bi2O3 × 3ZrO2) ist.
6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das weitere Oxid Boroxid, insbesondere Borsäure (H3BO4), ist.
7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das weitere Oxid
Zirkonoxid (ZrO2) ist.
8. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder einem der
Ansprüche 2 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Eisenoxid (Fe2O3 und/oder
Fe3O4) in Massenanteilen von 2 bis 20 % vorliegt, mit einem Zusatz von 0,5 bis 3 m% Rheniumoxid (ReO2) und/oder 0,05 bis 3 m% Wismutzirkonat (2Bi2O3 × 3ZrO2) und/oder 0,05 bis 0,5 m% Boroxid (H2BO4) und/oder 0,05 bis 2 m% Zirkonoxid (ZrO2).
9. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einem Werkstoff gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis
8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Herstellung des Werkstoffes pulvermetallurgisch erfolgt, wobei separate Pulver aus Silber, Eisenoxid und dem weiteren Oxid verwendet werden, aus denen - gegebenenfalls über Halbzeug - die Kontaktstücke gefertigt werden.
10. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einem Werkstoff gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Herstellung des Werkstoffes pulvermetallurgisch erfolgt, wobei separate Pulver aus Silber, Eisenoxid und dem weiteren Oxid mechanisch legiert werden, woraus gegebenenfalls über ein Halbzeug - die Kontaktstücke gefertigt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fertigung der Kontaktstücke durch eine Formteiltechnik erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fertigung der Kontaktstücke durch Strangpressen erfolgt, wozu zunächst aus dem Pulver ein stranggepreßtes Halbzeug hergestellt wird, von dem Kontaktstücke abtrennbar sind.
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