EP0736216B1 - Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik - Google Patents

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EP0736216B1 EP95902764A EP95902764A EP0736216B1 EP 0736216 B1 EP0736216 B1 EP 0736216B1 EP 95902764 A EP95902764 A EP 95902764A EP 95902764 A EP95902764 A EP 95902764A EP 0736216 B1 EP0736216 B1 EP 0736216B1
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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

  • the invention relates to a silver-based contact material for use in switching devices in power engineering, in particular for contact pieces in low-voltage switching devices, which contains at least iron oxide and zirconium oxide in addition to silver as active components.
  • 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 (AgSnO 2 ).
  • there may be other metal oxides such as, in particular, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), copper oxide (CuO) and / or tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
  • 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 lifetime switching number on the one hand, which is determined by the erosion of the switching element, 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 is known, 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.
  • 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.
  • a material especially of the constitution AgFe 2 O 3 / Fe 3 O 4 ZrO 2 is characterized in addition to low contact heating, stable heating behavior, low tendency to weld and a long service life in particular by good corrosion resistance.
  • the object of the invention is therefore to further improve a material based on silver, iron oxide and zirconium oxide.
  • the object is according to the invention by adding a further 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 4 ).
  • 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, the rest being 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 fractions 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 with 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 either extrude tapes or wires of the material as a semi-finished product for contact pads, or 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. 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 O 3 5.4 ZrO 2 l-FeWO 4 O, 4 material produced is compared in the table 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 are listed, which were measured under the same conditions on the 15 kW / contactor.
  • the other contact properties of the materials correspond to the requirements for contactor applications.

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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

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten, 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 Silber-Eisen (AgFe); Vertreter des zweiten Systems sind insbesondere Silber-Cadmiumoxid (AgCdO) oder Silber-Zinnoxid (AgSnO2). Zu letzterem 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 andererseits, d.h. die Erwärmung einer Kontaktbrücke, welche 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 eingangs 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 weiteres Metalloxid ist dort unter anderem Zirkonoxid genannt. Es hat sich gezeigt, daß speziell die Kombination von Eisenoxid und Zirkonoxid ein günstiges Schalteigenschaftsspektrum hat.
  • Letzterer neue Werkstoff kann in vielen Anwendungsfällen vorteilhafterweise bisher verwendete Silber-Nickel-Werkstoffe ersetzen, die in zunehmendem Maße wegen der bei der Herstellung anfallenden Nickelstäube und deren Schadwirkungen auf den menschlichen Organismus als toxisch angesehen werden. Ein Werkstoff speziell der Konstitution AgFe2O3/ Fe3O4ZrO2 zeichnet sich neben geringer Kontakterwärmung, stabilem Erwärmungsverhalten, geringer Neigung zum Verschweißen 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 verbessern.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß 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. Vorzugsweise ist der Zusatz ein Mischoxid mit den Elementen Eisen und Wolfram, insbesondere ist der Zusatz Ferrowolframat (FeWO4).
  • Der erfindungsgemäße Werkstoff ist bezüglich der Wirkkomponenten 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 %, insbesondere 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 erfindungsgemäßen Werkstoff im Vergleich zu den Werkstoffen des Standes der Technik angegeben. Zur Messung dient in allen Fällen ein 15 kW Schütz.
  • Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes AgFe2O35,4-ZrO2lFeWO40,4 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 unmittelbar durch sogenannte Formteiltechnik Kontaktstücke hergestellt. In beiden Fällen ist für eine sichere Verbindungstechnik mit dem Kontaktträger vorteilhaft, Zwei-Schicht-Bänder bzw. Zwei-Schicht-Kontaktstücke mit einer lötfähigen Silberschicht auf der Rückseite herzustellen.
  • Bei der Herstellung des Werkstoffes können die Konzentrationen der einzelnen Wirkkomponenten variiert werden. Zur Herstellung geeigneter Pulvermischungen aus Silber, Eisenoxid, Zirkonoxid und Ferrowolframat kommt auch das sogenannte mechanische Legieren von Silber- und Einzeloxidpulvern in Frage. Dadurch werden die Gefügeeigenschaften des fertigen Werkstoffes vorteilhaft beeinflußt.
  • In der Tabelle wird der hergestellte AgFe2O35,4 ZrO2l-FeWO4O,4-Werkstoff mit zwei vom Stand der Technik vorbekannten Werkstoffen verglichen. Aufgeführt ist jeweils die Schweißgrenzstromstärke der Kontaktwerkstoffe bzw. die Stromtragfähigkeit des Gerätes, die unter gleichen Randbedingungen 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 AgFe2O35,4ZrO2l bereits eine höhere Schweißgrenzstromstärke als der üblicherweise verwendete AgNi2O Werkstoff hat. Wird diesem Werkstoff ein Zusatz von 0,4 % Massenanteilen FeWO4 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
    AgNi2O 500 A Schweißgrenzstromstärke
    AgFe2O35,4ZrO2l 550 A Schweißgrenzstromstärke
    AgFe2O35,4ZrO2lFeWO40,4 650 A Stromtragfähigkeit

Claims (7)

  1. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber (Ag) als Wirkkomponenten zumindest Eisenoxid (Fe2O3/Fe3O4) und Zirkonoxid (ZrO2) enthält, gekennzeichnet 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.
  2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz ein Mischoxid mit den Elementen Eisen (Fe) und Wolfram (W) ist.
  3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz Ferrowolframat (FeWO4) ist.
  4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wirkkomponenten Eisenoxid (Fe2O3/Fe3O4) in Massenanteilen von 1 bis 50 % und Zirkonoxid (ZrO2) 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, gekennzeichnet, durch Massenanteile von 2 bis 20 % Eisenoxid (Fe2O3/ Fe3O4), 0,05 bis 5 % Zirkonoxid (ZrO) und 0,05 bis 2 % Ferrowolframat (FeWO4), Rest Silber (Ag).
  6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil an Ferrowolframat (FeWO4) weniger als 1 % beträgt.
  7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil an Ferrowolframat (Fe3WO4) weniger als 0,5 m% beträgt.
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