ES2350827T3 - Material de contacto eléctrico y procedimiento de fabricación del mismo. - Google Patents

Abstract

Material de contacto eléctrico que incluye una matriz de plata y una fracción inestable incorporada en esta matriz, caracterizado porque la fracción inestable que incluye al menos un hidruro que tiene como base al menos uno de los elementos elegidos del grupo Ti, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, Y.

Description

La presente invención se refiere al ámbito de contactos eléctricos tal como se describe en los documentos de patentes de EE.UU. nº 4.644.118 y 3.641.298. Se refiere, más concretamente, a un material de contacto y su utilización para la extinción de arco eléctrico.

Tal tipo de material encuentra su aplicación principalmente para la realización de contactos llamados “de baja tensión”, es decir, cuyo intervalo de funcionamiento se sitúa aproximadamente entre 10 y 1.000 voltios y entre 1 y 10.000 Amperios. Estos contactos se utilizan generalmente en los ámbitos doméstico, industrial y automóvil, tanto en corriente continua como alterna, para interruptores, relés, contactores y disyuntores.

Cuando se abre un par de terminales de contactos eléctricos bajo tensión, la corriente continúa pasando de un terminal a otro ionizando el gas que atraviesa. Esta columna de gas ionizado, comúnmente llamada “arco eléctrico”, tiene una longitud máxima que depende de diferentes parámetros tales como la naturaleza y la presión del gas, la tensión en los terminales, el material de contacto, la geometría del aparato, la impedancia del circuito,…

La energía liberada por el arco eléctrico es suficiente para fundir el material que constituye los terminales, lo que implica, no solamente, la degradación de las partes metálicas sino, por ello, a veces, su soldadura, teniendo como consecuencia el bloqueo del aparato.

En las aplicaciones en corriente alterna, el paso de la tensión por cero facilita el corte del arco. Sin embargo, algunos aparatos de protección deben cortar corrientes muy elevadas, que causan arcos suficientemente energéticos por dañar los contactos.

En cambio, para las aplicaciones en corriente continua, los arcos eléctricos son muy estables, sobre todo cuando la tensión es claramente superior a 10 voltios. Una solución para cortar el arco consiste en aumentar su longitud de forma que se vuelve inestable y desaparece de sí mismo. Para una tensión de 14 voltios, una distancia del orden de milímetro es suficiente mientras que para una tensión de 42 voltios, especialmente cuando está en presencia de una carga inductiva, esta distancia puede ser de varios centímetros. Esto complica seriamente la construcción de los aparatos de corte y la duración de los arcos creados reduce mucho su duración de vida.

El problema se plantea muy especialmente en la industria del automóvil que prevé la utilización de circuitos a 42 voltios continuos para adaptarse al número siempre más elevado de dispositivos eléctricos presentes en los coches (hasta cien motores en un vehículo de alta gama). A tales tensiones, el interés en limitar los problemas vinculados a los arcos se vuelve primordial.

Así, los materiales de los contactos eléctricos deben satisfacer las tres siguientes exigencias: -baja resistencia de contacto para evitar un calentamiento excesivo durante el

paso de la corriente;

-buena resistencia a la soldadura en presencia de un arco eléctrico; y

-baja erosión bajo el efecto del arco.

Para satisfacer estas exigencias parcialmente contradictorias, una solución consiste en utilizar pseudo-aleaciones que incluyen una matriz de plata o de cobre e, insertada en esta matriz, una fracción constituida de aproximadamente 20% en volumen de partículas refractarias (por ejemplo, Ni, C, W, WC, CdO, SnO2) de un tamaño generalmente comprendido entre 1 y 5 micrones. El material así obtenido resiste mejor al calor liberado por el arco eléctrico. Aunque constituyendo una solución interesante, este método no permite limitar las fusiones y, a causa de su repetición, problemas de erosión y de soldadura de los terminales pueden ocurrir a corto o medio plazo.

Por otra parte, cuando se trata, en corriente alterna, de realizar aparatos de protección (disyuntores) capaces de cortar corrientes muy elevadas, se propuso recurrir a medios auxiliares para facilitar el corte del arco o evitar su reencendido: soplado electromagnético o neumático. También se propuso sustituir al gas presente en el espacio separando los dos contactos por un gas muy estable y, por lo tanto, difícil de ionizar, tal como el SF6. Sin embargo, todas estas soluciones son complejas de emplear.

La presente invención tiene, por lo tanto, por objeto proporcionar un material de contacto eléctrico con el cual se puede realizar terminales cuyo funcionamiento, no se altera ni a corto plazo, ni a largo plazo, por la energía de un arco eléctrico.

De manera más precisa, el material de contacto con efecto de extinción de arco según la invención incluye una matriz de plata y una fracción inestable incorporada en esta matriz. La fracción inestable incluye al menos un hidruro que tiene por base al menos uno de los elementos elegidos del grupo Ti, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, Y.

En una matriz realizada de un metal conductor, se incorporan una fracción inestable que tiene la propiedad de descomponerse entre la temperatura de utilización del contacto eléctrico y la temperatura de fusión de dicho metal liberando un gas susceptible de desestabilizar un arco eléctrico, y una fracción refractaria.

Otras características de la invención resultarán de la descripción que va a seguir, no acompañada de dibujo.

El material de contacto según la invención está constituido esencialmente por los tres siguientes componentes:

-una matriz de metal conductor, generalmente de plata o de cobre;

-una fracción refractaria, estable a una temperatura superior a 900°C, que

puede ser ventajosamente elegida del siguiente grupo: CdO, SnO2, ZnO,

Fe2O3, Ni, Fe, W, Mo, C, WC, MgO; y

-una fracción inestable que se descompone a una temperatura comprendida

entre 200 y 900°C liberando un gas capaz de enfriar el arco, y que puede ser

elegida ventajosamente del siguiente grupo: hidruros metálicos (TiH2, ZrH2,

MgH2), hidruros multimetálicos a base Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe,

Co, Ni, La, Y.

Cuando la fracción inestable libera su gas de enfriamiento del arco, su descomposición que tiene lugar, en general, en el aire, el residuo es un metal, que haya parcial o totalmente reaccionado con el oxígeno y el nitrógeno del aire, que se puede sustituir, total o parcialmente, a la fracción refractaria. Ésta no es, por lo tanto, un componente indispensable del material de contacto.

En ausencia de fracción refractaria, la fracción inestable constituye, por sí sola, entre 5 y 50% del volumen del material de contacto.

En presencia de una fracción refractaria, las dos fracciones constituyen entre 5 y 50% del volumen del material pero, entonces, la proporción de fracción inestable es, al menos, de 2% en volumen.

El material según la invención puede ventajosamente comprender, además, pequeñas cantidades de dopantes destinados a optimizar las propiedades. Por ejemplo, estos dopantes son Bi2O3, CuO, Re.

Pares de terminales de contactos se pueden realizar utilizando materiales de las mismas composiciones o de composiciones diferentes. En este caso, es posible que uno sólo de los dos contactos contenga una fracción inestable.

Así se propone un material de contacto eléctrico que, bajo el efecto del calor producido por un arco eléctrico, libera un gas esencialmente formado por hidrógeno en el caso en que, ventajosamente y como se ha mencionado anteriormente, la fracción inestable descompuesta es un hidruro. Este gas enfría y desestabiliza el arco que se apaga entonces rápidamente.

Sin embargo, el arco que se produce, una porción de cada uno de los contactos pudo fundirse bajo el efecto de su calor, de tal modo que se encuentran soldados juntos. Si tal es el caso, dado que la liberación gaseosa de la fracción inestable volvió porosa, y en consecuencia frágil, la superficie de los contactos fundidos, su soldadura será fácil de romper durante la próxima apertura de los contactos. Se trata de una ventaja importante del material según la invención.

De manera general, el procedimiento de fabricación del material de contacto que acaba de ser descrito consiste sucesivamente en:

-dotarse de una mezcla de los constituyentes de base anteriormente mencionados: un metal conductor, una fracción inestable y, eventualmente, una fracción refractaria;

-compactar esta mezcla;

5 -eventualmente, fritar la pieza obtenida; -poner en forma la pieza según el uso deseado; -eventualmente, aplicarle un tratamiento térmico final; y -si es necesario, prepararla para su utilización.

Según un primer modo de realización preferido, los constituyentes de base del

10 material están bajo la forma de polvos que entonces se mezclan por vía seca, por vía húmeda o por la técnica denominada de “mechanical alloying” que provoca una soldadura de las partículas entre sí, luego su ruptura en partículas más pequeñas. Estos tres métodos se conocen muy bien por el experto en la técnica. La mezcla obtenida se compacta a continuación en forma de pastillas, bien

15 sea por prensado en frío de manera monoaxial, o bien por prensado en caliente pero a temperatura moderada y eventualmente bajo presión de hidrógeno, es decir, en condiciones de temperatura y de presión de hidrógeno donde la fracción inestable no se descompone, o bien también por choques (procedimiento de compactación adiabática).

20 Por lo tanto, la pieza resultante se frita a temperatura moderada y eventualmente bajo presión de hidrógeno. Se apreciará que esta operación es facultativa en los casos en que la compactación ha sido efectuada a temperatura moderada o por choques. Finalmente, la pieza se conforma por una recompactación en frío.

25 Según un segundo modo de realización preferido, el procedimiento retoma las mismas primeras etapas que el modo de realización descrito más arriba, siendo la mezcla, esta vez, compactada por prensado bajo la forma de una banda. El prensado se efectúa según el modo monoaxial en frío o a temperatura moderada, siendo la pieza resultante a continuación fritada a temperatura moderada, eventualmente bajo

30 presión de hidrógeno. Como en el primero modo de realización, el fritado no es necesario si el prensado ya se hizo a temperatura moderada. La pieza finalmente es puesta en forma por laminado.

Según un tercer modo de realización preferido, la misma mezcla inicial se compacta bajo la forma de una palanquilla, por prensado bien sea en frío, según un 35 modo isostático, o bien a temperatura moderada. La pieza resultante se frita a continuación también a temperatura moderada y eventualmente bajo presión de hidrógeno. El fritado es facultativo si el prensado ya se hizo a temperatura moderada. La pieza se conforma finalmente por extrusión a temperatura moderada bajo forma de

bandas o de hilos. A continuación, estos productos se transforman en piezas de contacto por todas las técnicas conocidas por el experto en la técnica.

Según un cuarto modo de realización, el procedimiento retoma las mismas primeras etapas que más arriba. Pero entonces, la mezcla se compacta en frío, sin fritado. La pieza resultante se conforma finalmente según una cualquiera de las técnicas ya mencionadas.

Según un quinto modo de realización, los distintos constituyentes se proporcionan también en polvo. Sin embargo, la fracción inestable no está bajo su forma definitiva, sino bajo la forma de un precursor, es decir, que los átomos metálicos de la fracción inestable tienen un grado de oxidación nulo. Por ejemplo, el polvo está en forma de Ti en lugar de TiH2, de Zr en lugar de ZrH2 o de Mg en lugar de MgH2. El precursor puede ser libre o combinado con la matriz. Los distintos polvos se mezclan a continuación por vía seca, por vía húmeda o por “mechanical alloying”. Luego, la mezcla se compacta en forma de pastilla por prensado en frío de manera monoaxial, por prensado en caliente o por choques. La pieza se frita a continuación a alta temperatura, sin hidrógeno, facultativamente si el prensado ha sido hecho en caliente o por choques, antes de ser sometido, en atmósfera de hidrógeno, a un tratamiento térmico de hidruración del precursor de la fracción inestable. Finalmente, la pieza se conforma por una recompactación en frío. Como variante, la fritada se puede efectuar directamente en atmósfera de hidrógeno, lo que evita, a continuación, el tratamiento específico de hidruración.

Según un sexto modo de realización, la misma mezcla que la descrita en el modo de realización anterior es compactada por prensado isostático en frío, o por prensado monoaxial en caliente. La pieza obtenida, a continuación, bien sea se frita a alta temperatura, facultativamente si el prensado se hizo en caliente, o bien se frita bajo atmósfera de hidrógeno, de tal modo que hidrure el precursor de la fracción inestable. Para eso, es necesario que la palanquilla compactada sea suficientemente porosa para permitir el acceso del hidrógeno hasta el centro de la pieza. Cuando la fritada se haya hecho a alta temperatura sin hidrógeno, la pieza es conforma por una extrusión a alta temperatura antes de ser sometida a un tratamiento de hidruración. En el caso en que la fritada se haya hecho bajo atmósfera de hidrógeno, la pieza se conforma por una extrusión a temperatura moderada.

Según un séptimo modo de realización, la misma mezcla que la descrita en el modo de realización anterior es compactada en forma de banda por prensado en frío de manera monoaxial o en caliente. La pieza obtenida a continuación bien sea se frita a alta temperatura, facultativamente si el prensado se ha hecho en caliente, o bien se frita bajo atmósfera de hidrógeno, de tal modo que hidrure el precursor de la fracción inestable. La pieza se conforma por laminado antes de ser sometida, si fuere necesario, a un tratamiento de hidruración.

Según un octavo modo de realización, los distintos constituyentes del material se proporcionan bajo la forma de una aleación masiva que contiene el precursor de la fracción inestable. La aleación se funde entonces y se vierte bajo la forma de una palanquilla o de un lingote luego, en el caso de una palanquilla, se extruda bajo alta temperatura, típicamente a 900°C, o, si se trata de un lingote, se transforma en banda o en hilo por operaciones de deformación plástica sucesivas (laminado, trefilado, martelado,…) entrecortadas de tratamientos térmicos, antes de ser sometida a la hidruración final.

Según los ocho modos de realización anteriores, las piezas se someten a tratamientos finales convencionales, por ejemplo recortado, conformado, pulido, tratamiento térmico de distensión.

Los distintos métodos de realización que se acaban describir no constituyen una lista exhaustiva. Otras combinaciones de los distintos medios propuestos para cada una de las etapas se pueden eventualmente utilizar.

En todos los modos de realizaciones descritos, se puede también añadir, durante la compactación, una subcapa fina, generalmente de la misma composición que el metal conductor utilizado (generalmente plata o cobre), destinada a facilitar, más tarde, las diferentes operaciones de soldadura a que se podrá someter la pieza durante su utilización.

Bien entendido, la fracción inestable puede estar constituida por una mezcla, bien sea de varios de los elementos propuestos más arriba para formar dicha fracción, o bien de uno de estos elementos pero bajo distintas granulometrías. De este modo, es posible obtener cinéticas de descomposición variadas de tal modo que el material obtenido puede funcionar en un intervalo extendido de condiciones.

Así, en resumen, la invención propone un material de contacto eléctrico y su utilización para desestabilizar un arco eléctrico que ocurre entre dos terminales de contacto, de tal manera que no se altere a largo plazo por los efectos del calor liberado.

Claims (13)

1. Reivindicaciones

   1.-Material de contacto eléctrico que incluye una matriz de plata y una fracción inestable incorporada en esta matriz, caracterizado porque la fracción inestable que incluye al menos un hidruro que tiene como base al menos uno de los elementos elegidos del grupo Ti, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, Y.
2. 2.-Material según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha fracción inestable constituye entre 5 y 50% de su volumen.
3. 3.-Material de contacto eléctrico que incluye una matriz de metal conductor, una fracción inestable incorporada en esta matriz, teniendo dicha fracción inestable la propiedad de descomponerse entre la temperatura de utilización del contacto eléctrico y la temperatura de fusión de dicho metal liberando un gas susceptible de desestabilizar un arco eléctrico, caracterizado porque dicho material incluye, además una fracción refractaria.
4. 4.-Material según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho metal es plata o cobre.
5. 5.-Material según una cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque dicha fracción inestable incluye al menos un hidruro.
6. 6.-Material según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho hidruro tiene como base al menos uno de los elementos elegidos del grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, Y.
7. 7.-Material según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque dicha fracción inestable constituye entre 5 y un 50% de su volumen.
8. 8.-Material según la reivindicación 3 a 7, caracterizado porque dicha fracción refractaria incluye al menos un componente elegido del grupo CdO, SnO2, ZnO, Fe2O3, Ni, Fe, W, Mo, C, WC y MgO.
9. 9.-Material según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, caracterizado porque la fracción refractaria y la fracción inestable constituyen entre 5 y 50% de su volumen, constituyendo la fracción inestable al menos 2% de dicho volumen.
10. 10.-Utilización de un material de contacto eléctrico para desestabilizar un arco eléctrico que ocurre entra dos terminales unos de los cuales al menos está formado de dicho material, incluyendo dicho material una matriz de plata y una fracción inestable incorporada en esta matriz, incluyendo la fracción inestable al menos un hidruro que tiene por base al menos uno de los elementos elegidos del grupo Ti, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, Y.
11. 11.-Utilización de un material de contacto eléctrico para desestabilizar un arco eléctrico que ocurre entra dos terminales uno de los cuales al menos está formado de dicho material, incluyendo dicho material una matriz de metal conductor y una fracción inestable incorporada en esta matriz, teniendo la fracción inestable la propiedad de descomponerse entre la temperatura de utilización del contacto eléctrico y la temperatura de fusión de dicho metal liberando un gas susceptible de desestabilizar un arco eléctrico, comprendiendo dicho material, además, una fracción refractaria.

    5 12.-Utilización según la reivindicación 11, caracterizada porque dicho metal es plata o cobre. 13.-Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 11 y 12, caracterizada porque dicha fracción inestable incluye al menos un hidruro. 14.-Utilización según la reivindicación 13, caracterizada porque dicho hidruro 10 tiene por base al menos un elemento elegido del grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mg, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, La, Y. 15.-Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizada porque dicha fracción inestable constituye entre 5 y 50% de su volumen. 16.-Utilización según la reivindicación 10, caracterizada porque dicho material 15 incluye, además una fracción refractaria.
12. 17.-Utilización según la reivindicación 16, caracterizada porque dicha fracción refractaria incluye al menos un componente elegido del grupo CdO, SnO2, ZnO, Fe2O3, Ni, Fe, W, Mo, C, WC y MgO.
13. 18.-Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17 caracte20 rizada porque la fracción refractaria y la fracción inestable constituyen entre 5 y 50% de su volumen, constituyendo la fracción inestable al menos 2% de dicho volumen.