EP0736216A1 - Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik - Google Patents

Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik

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EP0736216A1
EP0736216A1 EP95902764A EP95902764A EP0736216A1 EP 0736216 A1 EP0736216 A1 EP 0736216A1 EP 95902764 A EP95902764 A EP 95902764A EP 95902764 A EP95902764 A EP 95902764A EP 0736216 A1 EP0736216 A1 EP 0736216A1
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silver
contact material
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    • H01H2001/02378—Composite material having a noble metal as the basic material and containing oxides containing iron-oxide as major component

Definitions

  • Silver-based contact material for use in switching devices in power engineering
  • the invention relates to a silver-based contact material for use in switching devices in energy technology, in particular for contact pieces in low-voltage switching devices, which contains at least iron oxide and zirconium oxide as active components in addition to silver.
  • contact materials are known on the one hand of the silver-metal system (AgMe) and on the other hand of the silver-metal oxide system (AgMeO).
  • Representatives of the first system are, for example, silver-nickel (AgNi) or silver-iron (AgFe);
  • Representatives of the second system are in particular silver-cadmium oxide (AgCdO) or silver-tin oxide (AgSn0 2 ).
  • other metal oxides such as in particular bismuth oxide (Bi 2 0,), copper oxide (CuO) and / or tantalum oxide (Ta 2 0r), can be used.
  • the practical usability of a contact material based on silver-metal or silver-metal oxide is determined by the so-called electrical contact property spectrum. Relevant parameters are the number of life cycles, on the one hand, which is determined by the erosion of the contact piece, and the so-called overtemperature, on the other hand, ie the heating of a contact bridge, which essentially results from the electrical resistance of the mentioned contact results. In addition, a sufficiently low tendency to weld the contact pieces and also corrosion resistance are important, since the switching properties can change over time, in particular due to long-term corrosion of the material in air switching devices.
  • a contact material of the type mentioned in which iron oxide in mass proportions between 1 and 50% and an oxide of a further chemical element in mass proportions between 0.01 and 5% are present as active components in combination .
  • zirconium oxide is mentioned as a further metal oxide. It has been shown that the combination of iron oxide and zirconium oxide in particular has a favorable switching property spectrum.
  • the latter new material can advantageously replace silver-nickel materials used in many applications, which are increasingly regarded as toxic because of the nickel dusts produced during manufacture and their harmful effects on the human organism.
  • the object of the invention is therefore to further improve a material based on silver, iron oxide and zirconium oxide.
  • the object of the invention is to add another oxide of the sixth subgroup of the periodic table and / or a mixed oxide consisting of iron oxide and the oxide of an element of the sixth subgroup of the periodic table.
  • the additive is preferably a mixed oxide with the elements iron and tungsten, in particular the additive is ferrotungstate (FeWO.).
  • the material according to the invention is preferably characterized by mass fractions of 1 to 50% iron oxide and 0.1 to 5% zirconium oxide with an addition in mass fractions of 0.01 to 5% of the further oxide, remainder silver.
  • the material is characterized in mass fractions by 2 to 20% iron oxide, 0.05 to 5% zirconium oxide and 0.01 to 2% ferrotungstate, the rest silver. It has been shown that the proportion of ferrotungstate in mass proportions can be less than 1%, in particular less than 0.05%.
  • the table shows the switch-on capacity for a material according to the invention in comparison to the materials of the prior art.
  • a 15 kW contactor is used for measurement in all cases.
  • a powder mixture is prepared by wet mixing the oxide powders.
  • the powder mixture is used to extrude strips or wires of the material as a semi-finished product for contact pads, or else to produce contact pieces directly using so-called molding technology. In both cases it is advantageous for secure connection technology with the contact carrier to produce two-layer tapes or two-layer contact pieces with a solderable silver layer on the back.
  • the concentrations of the individual active components can be varied during the production of the material. So-called mechanical alloying of silver and single oxide powders can also be used to produce suitable powder mixtures of silver, iron oxide, zirconium oxide and ferrotungstate. As a result, the structural properties of the finished material are advantageously influenced.
  • the AgFe 2 0.5.4 Zr0 2 l-FeW0.0.4 material produced is compared with two materials known from the prior art.
  • the welding limit current strength of the contact materials and the current carrying capacity of the device, which was measured under the same boundary conditions at the 15 kW / contactor, are listed in each case.
  • the other contact properties of the materials correspond to the requirements for contactor applications. From the table it is inferred that a material having the composition AgFe 2 0- 5 5,4Zr0 2 l already a higher welding strength than the limiting current commonly used AgNi20 material has. If an addition of 0.4% by mass FeWO ⁇ is added to this material, the switch-on capacity is limited by the current carrying capacity of the device and not by the welding limit current.
  • the welding limit current is increased by at least 20%.

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Abstract

Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, die bisher häufig aus Silber-Nickel bestanden, werden in zunehmendem Maße Ersatzwerkstoffe vorgeschlagen. Bei einem derartigen Ersatzwerkstoff, der neben Silber als Wirkkomponenten zumindest Eisenoxid (Fe2O3/Fe3O4) und Zirkonoxid (ZrO2) enthält, wird das Einschaltvermögen hinsichtlich der Schweißgrenzstromstärke durch einen Zusatz eines weiteren Oxides der sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder eines Mischoxides, das aus Eisenoxid und dem Oxid eines Elementes der sechsten Nebengruppe des Periodensystems besteht, verbessert. Dabei ist der weitere Zusatz insbesondere Ferrowolframat (FeWO4).

Description

Beschreibung
Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schalt¬ geräten der Energietechnik
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energie¬ technik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspan¬ nungsschaltgeräten, der neben Silber als Wirkkomponenten zumindest Eisenoxid und Zirkonoxid enthält.
Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energietechnik, z.B. Leistungsschaltern sowie Gleichstrom- 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 Sil¬ ber-Eisen (AgFe); Vertreter des zweiten Systems sind ins¬ besondere Silber-Cadmiumoxid (AgCdO) oder Silber-Zinnoxid (AgSn02). Zu letzterem können weitere Metalloxide, wie insbesondere Wismutoxid (Bi20,), Kupferoxid (CuO) und/oder Tantaloxid (Ta20r), kommen.
Die praktische Verwendbarkeit eines Kontaktwerkstoffes auf Silber-Metall- bzw. Silber-Metalloxid-Basis wird durch das sogenannte elektrische Kontakteigenschaftsspektrum be¬ stimmt. Maßgebliche Kenngrößen sind dabei die Lebensdauer¬ schaltzahl einerseits, die durch den Abbrand des Schalt¬ stückes bestimmt wird, und die sogenannte Übertemperatur andererseits, d.h. die Erwärmung einer Kontaktbrücke, wel¬ che sich im wesentlichen aus dem elektrischen Widerstand des genannten Kontaktaufbaus ergibt. Daneben sind eine hinreichend geringe Verschweißneigung der Kontaktstücke und weiterhin eine Korrosionsbeständigkeit wichtig, da insbesondere durch Langzeitkorrosion des Werkstoffes in Luftschaltgeräten sich die Schalteigenschaften mit der Zeit verändern können.
Aus der DE-OS 41 17 311 ist ein Kontaktwerkstoff der ein¬ gangs genannten Art bekannt, bei dem 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. Als wei¬ teres Metalloxid ist dort unter anderem Zirkonoxid ge¬ nannt. Es hat sich gezeigt, daß speziell die Kombination von Eisenoxid und Zirkonoxid ein günstiges Schalteigen- schaftsspektru hat.
Letzterer neue Werkstoff kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhafterweise bisher verwendete Silber-Nickel-Werk- stoffe ersetzen, die in zunehmendem Maße wegen der bei der Herstellung anfallenden Nickelstäube und deren Schadwirku¬ ngen auf den menschlichen Organismus als toxisch angesehen werden. Ein Werkstoff speziell der Konstitution AgFe203 Fe-jO.Zr02 zeichnet sich neben geringer Kontakterwärmung, stabilem Erwärmungsverhalten, geringer Neigung zum Ver¬ schweißen und hoher Lebensdauer insbesondere auch durch eine gute Korrosionsbeständigkeit aus.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Werkstoff auf der Basis von Silber, Eisenoxid und Zirkonoxid weiter zu ver¬ bessern. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch einen Zusatz eines weiteren Oxides der sechsten Nebengruppe des Perioden¬ systems und/oder eines Mischoxides, das aus Eisenoxid und dem Oxid eines Elementes der sechsten Nebengruppe des Periodensystems besteht. Vorzugsweise ist der Zusatz ein Mischoxid mit den Elementen Eisen und Wolfram, insbeson¬ dere ist der Zusatz Ferrowolframat (FeWO.).
Der erfindungsgemäße Werkstoff ist bezüglich der Wirkkom- ponenten vorzugsweise durch Massenanteile von 1 bis 50 % Eisenoxid und 0,1 bis 5 % Zirkonoxid mit einem Zusatz in Massenanteilen von 0,01 bis 5 % des weiteren Oxides, Rest Silber, gekennzeichnet. Speziell beim Zusatz von Ferrowolframat als weiteres Oxid ist der Werkstoff in Massenanteilen durch 2 bis 20 % Eisenoxid, 0,05 bis 5 % Zirkonoxid und 0,01 bis 2 % Ferrowolframat, Rest Silber gekennzeichnet. Dabei hat sich gezeigt, daß der Anteil an Ferrowolframat in Massenanteilen weniger als 1 %, insbe¬ sondere weniger als 0,05 % betragen kann.
Untersuchungen haben ergeben, daß beim erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff das Einschaltvermögen hinsichtlich der Schweißgrenzstromstärke verbessert ist. Damit ergeben sich in überraschender Weise erweiterte Anwendungsmöglichkeiten als Silber-Nickel-Ersatzwerkstoffe.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen, wobei insbesondere auf die Tabelle Bezug genommen wird.
In der Tabelle ist das Einschaltvermögen für einen er¬ findungsgemäßen Werkstoff im Vergleich zu den Werkstof¬ fen des Standes der Technik angegeben. Zur Messung dient in allen Fällen ein 15 kW Schütz. Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes AgFe20,5,4- Zr02lFeWθ θ,4 werden entsprechend eingewogene Anteile von Silberpulver, Eisenoxidpulver, Zirkonoxidpulver und Ferrowolframat-Pulver gemischt. Dazu werden handelsübliche Oxidpulver von Eisen, Zirkon und Ferrowolframat verwendet.
Durch Naßmischen der Oxidpulver wird eine Pulvermischung zubereitet. Aus der Pulvermischung werden entweder durch Strangpressen Bänder bzw. Drähte des Werkstoffes als Halbzeug für Kontaktauflagen oder aber es werden unmittel¬ bar durch sogenannte Formteiltechnik Kontaktstücke herge¬ stellt. In beiden Fällen ist für eine sichere Verbindungs¬ technik mit dem Kontaktträger vorteilhaft, Zwei-Schicht- Bänder bzw. Zwei-Schicht-Kontaktstücke mit einer lötfähi- gen Silberschicht auf der Rückseite herzustellen.
Bei der Herstellung des Werkstoffes können die Konzen¬ trationen der einzelnen Wirkkomponenten variiert werden. Zur Herstellung geeigneter Pulvermischungen aus Silber, Eisenoxid, Zirkonoxid und Ferrowolframat kommt auch das sogenannte mechanische Legieren von Silber- und Einzel¬ oxidpulvern in Frage. Dadurch werden die Gefügeeigen¬ schaften des fertigen Werkstoffes vorteilhaft beein¬ flußt.
In der Tabelle wird der hergestellte AgFe20,5,4 Zr02l- FeW0.0,4-Werkstoff mit zwei vom Stand der Technik vor¬ bekannten Werkstoffen verglichen. Aufgeführt ist jeweils die Schweißgrenzstromstärke der Kontaktwerkstoffe bzw. die Stromtragfähigkeit des Gerätes, die unter gleichen Randbe¬ dingungen am 15 kW/Schütz gemessen wurde. Die übrigen Kontakteigenschaften der Werkstoffe entsprechen den für Schützanwendungen gestellten Anforderungen. Aus der Tabelle ist entnehmbar, daß ein Werkstoff der Zusammensetzung AgFe20-55,4Zr02l bereits eine höhere Schweißgrenzstromstärke als der üblicherweise verwendete AgNi20 Werkstoff hat. Wird diesem Werkstoff ein Zusatz von 0,4 % Massenanteilen FeWO^ zugegeben, so ist das Einschaltvermögen durch die Stromtragfähigkeit des Gerätes und nicht durch die Schweißgrenzstromstärke begrenzt. Die Schweißgrenzstromstärke ist mindestens um 20 % erhöht.
Tabelle
Werkstoff Einschaltvermögen
AgNi20 500 A Schweißgrenzstromstärke
AgFe2035,4Zr02l 550 A Schweißgrenzstromstärke
AgFe2035,4Zr02lFeW040,4 650 A Stromtragfähigkeit

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kon- taktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber (Ag) als Wirkkomponenten zumindest Eisenoxid (Fe203 Fe304) und Zirkonoxid (Zr02) enthält, g e k e n n z e i c h -. n e t durch einen Zusatz eines weiteren Oxides der sechsten Nebengruppe des Periodensystems und/oder eines Mischoxides, das aus Eisenoxid und dem Oxid eines Elemen¬ tes der sechsten Nebengruppe des Periodensystems besteht.
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 der Zusatz ein Misch- oxid mit den Elementen Eisen (Fe) und Wolfram (W) ist.
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 der Zusatz Ferro- wolfra at (FeW04) ist.
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 als Wirkkomponenten Eisenoxid (Fe20-./Fe304) in Massenanteilen von 1 bis 50 % und Zirkonoxid (Zr02) in Massenanteilen von 0,01 bis 5 % und ein weiteres Oxid in Massenanteilen von 0,01 bis 5 % vorhanden sind.
5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, wobei der Zusatz Ferrowolframat (FeWo4) ist, g e k e n n z e i c h n e t durch Massenanteile von 2 bis 20 % Eisenoxid (Fe203/ Fe304), 0,05 bis 5 % Zirkonoxid (ZrO) und 0,05 bis 2 % Ferrowolframat (FeW04), Rest Silber (Ag).
6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Massenanteil an Ferrowolframat (FeW04) weniger als 1 % beträgt.
7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Massenanteil an Ferrowolframat (Fe3W04) weniger als 0,5 m% beträgt.
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