WO1993017441A1

WO1993017441A1 - Sinterkontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeräten der energietechnik

Info

Publication number: WO1993017441A1
Application number: PCT/DE1993/000154
Authority: WO
Inventors: Franz Hauner; Günter Tiefel
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1993-09-02
Also published as: DE4205763A1

Abstract

Insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern besteht der Kontaktwerkstoff aus Silber und weiteren Wirkkomponenten. Gemäß der Erfindung liegen als Wirkkomponenten in Kombination ein Titankarbid und Rhenium bzw. eine Rheniumverbindung vor. Dabei liegt das Titankarbid vorzugsweise in Massenanteilen von 0,5 bis 40 % vor, während der Anteil von Rhenium bzw. der Rheniumverbindung in Massenanteilen von 0,1 bis 5 % liegt. Ein solcher Werkstoff zeichnet sich durch eine niedrige Übertemperatur bei insgesamt stabilem Temperaturverhalten aus.

Description

Sinterkontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energie¬ technik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspan¬ nungsschaltern, der neben Silber als weitere Komponenten wenigstens ein höherschmelzendes Metall, eine Metallegie¬ rung oder eine Metallverbiπduπg enthält.

Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energietechπik, z.B. in Leistungsschaltern sowie in Gleichstrom-, Motor- und Hilfsschützen, haben sich Kon¬ taktwerkstoffe des Systems Silber-Metall (AgMe) seit lan- gern bewährt. Vertreter dieses Systems sind insbesondere Silber-Nickel (AgNi) und Silber-Eisen (AgFe).

Silber-Nickel hat vorteilhafte Kontakteigenschaften, die zusammen mit den Prüfmethoden für Kontaktwerkstoffe bei- spielsweise in INT.J. Powder Metallurgy and Powder Techno¬ logy, Vol. 12 (1976), P 219 - 228 beschrieben sind. Nach¬ teilig ist jedoch, daß bei Herstellung des Werkstoffes Nickelstäube auftreten können, die schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben.

Die Verwendung von Eisen in Kontaktwerkstoffen auf Silber- Basis ist verschiedentlich vorgeschlagen worden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Silber-Eisen noch nicht die ge¬ stellten Forderungen erfüllt, da bei Dauerstro führuπg derartiger Kontaktstücke eine zu hohe Erwärmung auftritt, die durch eine kontaktwiderstandserhöhende Deckschicht- bilαung in diesem System erklärt werden kann. Aus der internationalen Veröffentlichung WO-A-89/10417 ist ein Sinterkontaktwerkstoff der eingangs genannten Art bekannt, der neben Silber als Wirkkomponente wenigstens Eisen und/ oder Titan enthält. Speziell dann, wenn das Eisen und das Titan in legierter Form vorliegen und eine intermetalli- sehe Verbindung bilden, wurden gute Ergebnisse bei Schalt¬ versuchen beobachtet. Gegebenenfalls können dabei als weitere Wirkkomponenten Nitride, Karbide und/oder Boride von Metallen, insbesondere von Titan, vorhanden sein.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiteren Kontaktwerkstoff auf Silber- Basis ohne Nickel als Wirkkomponente aufzufinden, der eine zulässige Kontakterwärmung mit stabilem Erwärmungsverhal¬ ten und hohe Lebensdauer in Bezug auf vorgegebene Schalt- Stromstärken kombiniert. Weiterhin soll dieser Werkstoff eine geringere Verschweißneigung als Silber-Nickel-Kon¬ taktwerkstoffe haben und insbesondere keine Schadwirkung auf den Menschen ausüben.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Werkstoff der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Wirkkompo¬ nenten in Kombination speziell Titankarbid und Rhenium bzw. eine Rheniumverbindung vorhanden sind.

In der nicht vorveröf entlichten älteren deutschen Patent¬ anmeldung P 41 17 312.0 wird zwar schon ausgeführt, daß speziell Rhenium in Kombination mit Eisen bei Werkstoffen auf Silberbasis das Eigenschaftsspektrum als Kontaktwerk¬ stoff verbessern kann. Dabei wird auch bereits darauf Bezug genommen, daß Rhenium in Kombination mit Silber be¬ reits in der Fachliteratur als Kontaktwerkstoff vorge¬ schlagen wurde. Dort ist allerdings das Rhenium als einzige Wirkkomponente mit vergleichsweise hohem Anteil, beispielsweise um 20 m% , vorgesehen. Aufgrund des hohen Preises von Rhenium hat sich ein derartiger Werkstoff nicht durchsetzen können. Im Anschluß an die ältere deutsche Patentanmeldung P 41 17 312.0 wurde nunmehr erkannt, daß insbesondere bei einem Silber-Titenkarbid- Werkstoff durch Rhenium als Minderkomponente das Eigen¬ schaftsspektrum im Schaltverhalten verbessert werden kann.

Von letzterem abgesehen wird mit der DE-C-15 21 294 die Anwendung eines an sich bekannten Verfahrens der chemi¬ schen Umwandlung gasförmiger Verbindungen zum Aufbringen von hochschmelzenden elektrisch leitenden Stoffen auf ein Grundmaterial aus Metall mit für die elektrische Stromlei- tung erforderlichen mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften angegeben, bei dem das be¬ schichtete Grundmaterial für elektrische Schaltkontakte Beschichtungskomponenten aus Molybdän, Wolfram, Rhenium oder Platinmetallen oder Molybdän-Rhenium-, Wolfram-Rhe- πium- oder Rhenium-Iridium-Legierungen bzw. Molybdän¬ oder Wolframkarbide oder Molybdän- oder Wolframboride enthält. Weiterhin ist in der DE-B-24 33 788 ein Schalt¬ stück für abbrandfeste elektrische Kontakte, bestehend aus einem Kontaktteil aus einem mit Silber- oder Silber- basis-Legierung getränkten Durchdringungsverbundmetall der hochschmelzenden Metalle bzw. Metallkarbide W, Mo, Re, WC, MoC- und ihren Kombinationen und einem Trägerteil aus Kupfer oder hochkupferhaltigen Legierungen angegeben, bei dem das Trägerteil mit dem Kontaktteil durch eine aus einem Teil des Tränkmetalls und einem Teil des Trägerteil¬ metalls gebildete Übergangszone metallisch fugenlos so verbunden ist, daß die Leitfähigkeit vom Kontaktteil zum Trägerteil hin ansteigt. Eine kombinatorische Wirkung eines Metallkarbides in Kombination mit Rhenium bzw. einer Rheniumlegierung zur Verbesserung der Schalteigenschaften ist aus diesem Stand der Technik alleroings nicht ableit¬ bar.

Demgegenüber liegt gemäß der Erfindung speziell eine Kom¬ bination von Titankarbid mit Rhenium bzw. einer Rhenium¬ legierung bei einem Silber-Basiswerkstoff vor, der sich in überraschender Weise für Schaltgeräte der Energietechnik bewährt hat. Vorzugsweise besteht bei erfindungsgemäße

Werkstoff neben Silber aus Titankarbid in Massenanteilen von 0,5 bis 40 % und Rhenium bzw. der Rheniumverbindung in Massenanteilen von 0,1 bis 5 % . Bei konkret untersuchten Werkstoffen beträgt der Massenanteil an Titankarbid vor- zugsweise weniger als 10 m%, insbesondere weniger als 8 m%.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden -Beschreibung von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. Dabei wird auf die beigefügte Tabelle Bezug genommen.

In der Tabelle sind insbesondere Meßwerte für die Über¬ temperatur, die jeweils an der Kontaktbrücke des Schalt- gerätes gemessen wurden, angegeben. In der ersten Spalte der Temperaturmeßwerte ist die maximale Übertemperatur (Ty ) und in der zweiten Spalte die mittlere Brücken¬ temperatur (T-7) enthalten. Die Temperaturmeßwerte wurden bei Dauerschaltversuchen mit einem 15 KW-Schütz für 32 A bis zu einer Schaltzahl von Ns_ = 50 000 Schaltung³en er- ittelt. Dazu wird in einem Erwärmungsprüfstand bei einem Strom von 45 A nach je 8000 Schaltungen gemessen. Die Herstellung von Werkstoffen mit Karbiden erfolgt in sachgerechter Weise pulvermetallurgisch: Dafür werden separat hergestellte Pulver aus Silber und Titankarbid sowie Rhenium oder Rheniumverbindungen oder -legierungen verwendet.

Beispiel: Es soll ein Kontaktstück aus einem Werkstoff der Konstitution AgTiCRe hergestellt werden: Durch quantitati¬ ves Einwiegen von Silberpulver, Titankarbidpulver und bei- spielsweise Rheniumpulver wird eine geeignete Zusammenset¬ zung des Werkstoffes vorgegeben, z.B. 5,4 m% TiC und 2 m% Re, mit Rest Ag. Nach Naßmischeπ über einen geeigneten Zeitraum werden aus der Pulvermischung Formteile erzeugt und bei einem Druck von ca. 200 Mpa zu Kontaktstücken ge- preßt. Für eine sichere Verbindungstechnik des Kontakt¬ stückes mit dem Kontaktstückträger des Schaltgerätes durch Hartlöten kann es vorteilhaft sein, bei dem Preßvorgang eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der ei¬ gentlichen Kontaktschicht z einem Zweischichten-Kontakt- stück zu verpressen.

Die so hergestellten Kontaktstücke werden in einem Prüf¬ schalter untersucht und mit anderen bisher für den glei¬ chen Zweck eingesetzten Werkstoffen verglichen, was in der Tabelle wiedergegeben ^'ist:

Die Tabelle umfaßt neben dem erfindungsgemäßen Werkstoff als Vergleichsbeispiele Silber-Nickel und Silber-Titan¬ karbid. Im einzelnen wird der im Beispiel beschriebene Werkstoff AgTiC5,4Re2 mit den vom Stand der Technik be¬ kannten Werkstoffen AgNilO und AgTiC5,8 verglichen. Gegen¬ übergestellt werden das Temperaturverhalten des Werkstof¬ fes einerseits und die Schweißkraft andererseits. Maßgebend für die Verwendung eines Werkstoffes als Kon¬ taktwerkstoff ist neben der reinen Schaltzahl das diffe¬ renzierte Übertemperaturverhalten bei Verwendung im Schaltgerät. Die Übertemperatur kann an unterschiedlichen Punkten des Schaltgerätes gemessen werden und wird bei vorliegenden Untersuchungen direkt an der Brücke erfaßt. Insofern sind bei Bewertung der Ergebnisse immer die Ver¬ gleichsbeispiele zu beachten.

Die Prüfergebnisse zeigen, daß beim erfindungsgemäßen Werkstoff das Übertemperaturverhalten speziell im Ver¬ gleich zu Silber-Titankarbid verbessert ist und nunmehr befriedigende Werte hat. Damit werden Silber-Titankarbid- Werkstoffe mit Rheniumzusatz als Ersatz für Silber-Nickel in Schaltgeräten der Energietechnik interessant. Neben der geringen Kontakterwärmung lassen weiterhin das insgesamt stabile Temperaturverhalten und die gleichzeitig geringe Verschweißneigung, die bei AgTiC-Werkstoffen bekannter¬ maßen erheblich geringer ist als beim AgNilO-Vergleichs- Werkstoff, in der Praxis gute Gebrauchseigenschaften er¬ warten.

Ein entsprechend günstiges Schaltverhalten ist im Prinzip auch bei Werkstoffen auf der Basis von Silber-Titankarbid mit Rhenium-Titan zu erwarten. Das metallische Rhenium kann dabei durch die intermetallische Verbindung Re₂5Ti,- oder auch gegebenenfalls durch eine Rheniumlegierung er¬ setzt werden. Tabelle

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Claims

Patentansprüche

1. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräteπ der Energietechnik, insbesondere für Kon- taktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirkkomponenten wenigstens ein höherschmel¬ zendes Metall, eine Metallegierung oder eine Metallver¬ bindung enthält, 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 ein Ti- tenkarbid (TiC) und Rhenium (Re) bzw. eine Rheniumverbin¬ dung vorhanden sind.

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 Titankarbid in Massen- anteilen von 0,5 bis 40 % und Rhenium bzw. die Rhenium¬ verbindung in Massenanteilen von 0,1 bis 5 % vorliegen.

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 Massenanteil von Titankarbid weniger als 10 % beträgt.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Massenanteil von Titankarbid weniger als 8 % beträgt.

5. 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 von Titankarbid weniger als 6 % beträgt.

6. 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 Massenanteil von Rhenium bzw. der Rheniumverbindung weniger als 4 % be¬ trägt.

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 von Rhenium bzw. der Rheniumverbindung weniger als 3 % be¬ trägt.

8. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Werkstoff aus 5,4 m% Titankarbid (TiC), 2 m% Rhenium (Re) und Silber (Ag) als Rest besteht.