WO1995017759A1

WO1995017759A1 - Sinterkontaktwerkstoff, verfahren zu dessen herstellung sowie diesbezügliche kontaktauflagen

Info

Publication number: WO1995017759A1
Application number: PCT/DE1994/001527
Authority: WO
Inventors: Claudia Peuker
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1995-06-29
Also published as: US5763105A; ES2109804T3; DE4344322A1; BR9408402A; EP0736217A1; JPH09506931A; EP0736217B1; DE59404552D1

Abstract

Ein Sinterkontaktwerkstoff aus Silber und Nickel ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil von Nickel zwischen 5 und 50 % liegt, und daß das Nickel im Silbergefüge mit mittleren Teilchengrößen (d) 1 νm > d < 10 νm in weitgehend homogener Verteilung vorliegt. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung dieses Sinterkontaktwerkstoffes ist dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern das Nickel nach Art des mechanischen Legierens in das Silbergefüge eingebracht wird, wobei dieser Vorgang unter Luftatmosphäre erfolgt. Daraus gefertigte Kontaktauflagen können durch Strangpressen als Bänder bzw. Profile, durch Formteiltechnik als einzelne Kontaktstücke sowie jeweils als Zwei-Schichter ausgebildet sein.

Description

Beschreibung

Sinterkontaktwerkstoff, Verfahren zu dessen Herstellung sowie diesbezügliche Kontaktauflagen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff aus Silber und Nickel, auf ein Verfahren zu dessen Herstel¬ lung sowie daraus gefertigte Kontaktauflagen.

Für das Schalten von Strömen in Schaltgeräten der Energie¬ technik haben sich in der Vergangenheit Kontaktwerkstoffe aus Silber (Ag) und Nickel (Ni) bewährt. Die Herstellung solcher Kontaktwerkstoffe sowie die Fertigung und Prüfung von diesbe¬ züglichen Kontaktstücken wird in Int. J. Powder Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), p. 219-228, im einzelnen beschrieben.

' Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes aus Silber und Nickel werden beim Stand der Technik üblicherweise Silber- und Nickelpulver in einem Mischer naß gemischt, getrocknet, druckverformt und unter reduzierender Atmosphäre gesintert. Die Feinheit des Gefüges ist im wesentlichen abhängig von der Größe der verwendeten Ausgangspulver. Derartige Zusammenhänge werden im einzelnen in der Monographie von H. Schreiner "Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte", Springer-Verlag (1976), Seiten 105 bis 140, beschrieben. Insbesondere wird ein mittels Fällungspulver hergestellter AgNi-Werkstoff mit mittleren Korngrößen von 1 um angegeben.

Es wurde bereits vermutet, daß bei Kontaktwerkstoffen aus Silber und Nickel die Nickelteilchen möglichst klein und feinverteilt im Silber vorliegen müssen, damit der Kontakt gute Schalteigenschaften aufweist. Dafür bietet sich im Prin¬ zip die bekannte Methode des mechanischen Legierens an. Be- reits aus der JP-OS 66/33090 ist ein Verfahren zur Herstel¬ lung von Materialien für elektrische Kontakte auf Silberbasis bekannt, bei der als weitere Komponente ein solches Metall gewählt ist, das keine oder nur geringe Löslichkeit im Silber hat.

Dieses Metall ist insbesondere Nickel, Eisen, Wolfram oder ein anderes Metall, das keinen Mischkristall mit Silber bildet oder bei dem aus thermodynamisehen Gründen entspre¬ chend dem Zustandsdiagramm das Bestreben einer Entmischung vorliegt.

Bei der JP-OS 6633090 wird eine Mischkristall-ähnliche Kon¬ stitution des Werkstoffes angestrebt. Dafür werden Elek¬ trolyt/Silber-Pulver und Carbonyl-Nickel-Pulver in einer Ku¬ gelmühle mit Stahlkugeln unter sogenanntem Styrol-Gas über längere Zeiträume, beispielsweise bis zu 300 h, gemischt, um ein mechanisch legiertes Pulver zu gewinnen. Das so erhaltene Pulver soll Korngrößen unter 0,01 um haben. In einer Röntgen- beugungsanalyse wurde dabei das Verschwinden von Nickelrefle¬ xen und damit das Vorliegen einer amorphen Legierung bestä- tigt. Bei Fertigung von Kontakten aus einem solchermaßen her¬ gestellten Legierungspulver mit abwechselnden Sinter- und Preßschritten sollen sekundäre Ausscheidungen entstehen kön¬ nen, wobei aber die Korngröße der Nickelteilchen auf 1 μm be¬ grenzt sein soll.

Es wurde festgestellt, daß bei Verwendung von mechanisch le¬ gierten Silber-Nickel-Pulvern mit vorstehend beschriebenem amorphen Charakter unerwünschte Nebeneffekte auftreten kön¬ nen, welche zu vergleichsweise schlechten Kontakteigenschaf- ten führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, hier für Abhilfe zu sorgen. Es soll ein Kontaktwerkstoff aus Silber und Nickel geschaffen werden, der gegenüber üblichen Silber-Nickel-Werkstoffen ver- besserte Kontakteigenschaften hat. Gleichzeitig sollen das zugehörige Herstellungsverfahren und entsprechende Kontakt- auflagen angegeben werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Sinterkontaktwerk¬ stoff aus Silber und Nickel dadurch gelöst, daß der Massen- anteil von Nickel zwischen 5 und 50 % beträgt, und daß das Nickel im Silbergefüge mit mittleren Teilchengrößen 1 μm < d < 10 μ in weitgehend homogener Verteilung vorliegt.

Vorzugsweise ist die mittlere Teilchengröße von Nickel d < 5 μm, insbesondere d < 3 um. Bei den angegebenen Teil¬ chengrößenverteilungen sollte der mittlere Abstand D der Nickelteilchen zwischen 5 und 10 μm liegen.

Das Verfahren zur Herstellung des angegebenen Sinterkontak - Werkstoffes aus Silber und Nickel ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern das Nickel nach Art des mechanischen Legierens in das Silbergefüge eingebracht wird, wobei dieser Vorgang unter Luftatmosphäre erfolgt. Als Aus¬ gangsmaterialien werden dabei entweder Silberpulver und_. Nickelpulver oder aber Granulat aus Silber und Nickel ver¬ wendet. Vorzugsweise kommen- Teilchengrößenverteilungen unter 500 um, vorzugsweise unter 100 μm, insbesondere unter 50 μm, in Frage. Das Mischen nach Art des mechanischen Legierens erfolgt in einer Kugelmühle solange, bis sich ein lamellares Gefüge gebildet hat mit Ni-Lamellenbreiten sehr viel kleiner als der Teilchendurchmesser des Ausgangspulvers. Bei einem solchen Verfeinerungsgrad des Gefüges befindet man sich be¬ reits im Bereich der Nachweisgrenze eines Lichtmikroskopeε.

Bei der Erfindung können aus dem nach Art des mechanischen Legierens hergestellten Silber-Nickel-Pulver durch Druckver¬ formen, wie Strangpressen oder Formteiltechnik, und Sintern unter reduzierender Atmosphäre Kontaktauflagen gefertigt werden. Vorzugsweise sind die Kontaktauflagen als Bänder bzw. Profile oder als Kontaktstücke ausgebildet und werden bei einem Schaltgerät der Energietechnik eingesetzt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der Erfindung das mechanische Legieren nicht unter Schutzgas durchgeführt. Es wird vielmehr mit normaler Atmosphärenluft gearbeitet. Dabei erfolgt das Mischen auch nicht, wie speziell bei der JP-OS 6633090, möglichst lange, um ein möglichst feines, legiertes Pulver zu erhalten. Vielmehr wird bewußt ausgenutzt, den Vor¬ gang des mechanischen Legierens unter Luft durchzuführen. Da¬ durch bilden sich Oxidhäute auf den Partikeln, welche die gleiche Wirkung wie verschweißmindernde Additive haben. Weiterhin tragen die Oxide auf der Oberfläche der Partikel zur Versprödung der Verbundteilchen und dadurch zur schnel¬ leren Gefügeverfeinerung bei. Im Vergleich zum mechanischen Legieren unter Inertgas wird der mechanische Legierungsvor¬ gang beachtlich verkürzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf Gefügebilder mit zugehöriger Ausschnittsvergröße¬ rung und eine Tabelle mit den Ergebnissen einer elektrischen Prüfung Bezug genommen wird. Es zeigen in 400facher Vergröße¬ rung

Figur 1 das Schliffbild eines Werkstoffes AgNilO und Figur 2 das Schliffbild eines Werkstoffes AgNi40.

Zur Herstellung der Werkstoffe AgNilO und AgNi40 werden Sil¬ berpulver mit einer Teilchengrößenverteilung < 300μm und Nickelpulver mit einer Teilchengrößenverteilung < 150 μm als Ausgangsmaterialien verwendet. Nach entsprechender Einwaage werden die Pulver in eine Kugelmühle (Attritor) gegeben und dort solange mechanisch legiert, bis im sich ausbildenden Gefüge das Nickel eine Größe von < 3 μm aufweist und homogen im Silber vorliegt. Dabei wird in der Kugelmühle an Luft¬ atmosphäre und ohne Wachse als weitere Zusätze gearbeitet. Die beim mechanischen Legieren entstehende Gefügeverfeinerung geht einher mit einer Änderung der Pulver-Teilchenform und -Teilchengröße. Durch die Bearbeitung unter Luftatmosphäre wird bewußt in Kauf genommen, daß sich Oxidhäute an den Par- tikeln bilden.

Nach dem Mischen nach Art des mechanischen Legierens werden in bekannter Weise Kontaktauflagen durch Druckverformen und Sintern unter reduzierender Atmosphäre hergestellt. Als Methode des Druckverformens kommt alternativ das Strang¬ pressen zur Fertigung von Bändern bzw. Profilen oder die sogenannte Form eiltechnik zur Fertigung einzelner Kontak - stücke in Frage. Vorteilhaft ist dabei auch, Zweischicht- Kontaktauflagen bzw. -Kontaktstücke mit einer ersten Schicht aus Silber-Nickel und einer zweiten Schicht aus Reinsilber herzustellen, um eine sichere Verbindungstechnik mit dem Kontaktstückträger zu gewährleisten.

Die Gefügebilder gemäß Figur 1 und Figur 2 zeigen den Werk- Stoff AgNilO einerseits und AgNi40 andererseits. Deutlich wird die homogene Verteilung der Nickelpartikel, deren mittlere Teilchengrößen in Figur 1 etwa 3 μm und in Figur 2 durchweg < 10 μm sind. Aus dem Bildausschnitt zu Figur 1 ist erkennbar, daß bei Nickelteilchen mit einer Teilchengröße in der Größenordnung von «^ = 3 μm der mittlere Abstand D zweier Partikel etwa beim Doppelten, also bei D = 6 μm liegt. Auch dieser Wert D ist ein signifikanter Parameter zur Kennzeich¬ nung des Werkstoffes.

In der Tabelle sind Meßwerte für Schweißkraft Fs, Abbrand A und die Kontaktwiderstände Rk beim Ein- und Ausschalten angegeben. Aufgeführt sind die Schalteigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Kontakte Nr. 2 und Nr. 4 am Beispiel der WerkstoffZusammensetzungen AgNilO und AgNi40, die mit den Eigenschaften konventionell hergestellter Kon¬ takte Nr. 1 und Nr. 3 gleicher Zusammensetzung verglichen sind.

Die elektrische Prüfung erfolgte an balligen Kontakten (r = 80 mm) der Abmessung 10 mm x 10 mm mit 1000 Ein- und Ausschaltvorgängen unter AC 1000 A, 220 V, cosφ = 0,4 und der Kontaktkraft 60 N. Die Prellzeit der ersten drei Sprünge be¬ trug 5 ms mit einer Schließgeschwindigkeit von 1,0 m/s und einer Öffnungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s bei einem Ein¬ schaltwinkel von 0° und einem Ausschaltwinkel von 80° sowie einem Blasfeld B = 0,5 T/A. Die Kontaktwiderstandsprüfung er¬ folgte unter 10 A. Der Abbrand wurde durch Wägen beider Kon¬ taktstücke und Mittelwertbildung ermittelt. Daraus wurde unter Berücksichtigung der theoretischen Dichte der Volumen¬ abbrand abgeleitet.

Die Tabelle zeigt deutlich, daß sich die durch erfindungs¬ gemäße Verfahren hergestellten Kontaktwerkεtoffe Nr. 2 und Nr. 4 durch geringere Schweißkraftwerte sowie durch erheblich niedrigere Abbrandraten auszeichnen.

Umfangreiche Untersuchungen haben ergeben, daß sich bei Ver¬ wendung von mechanisch legiertem Silber-Nickel-Material für Schaltkontakte ein gegenüber konventionell hergestellten Werkstoffen gleicher Zusammensetzung nickelreicheres Schalt- gefüge bildet, da in der kurzen Lichtbogeneinwirkzeit das feinverteilte Nickel zu einem höheren Anteil in der Schmelze gelöst werden kann. Dieses Nickel scheidet sich beim Abkühlen der Schmelze feinverteilt wieder aus.

Die vom erfindungsgemäßen Silber-Nickel-Material gegenüber einem vorbekannten AgNi-Werkstoff gleicher Nickel-Konzentra¬ tion entstehende nickelreichere Schmelze besitzt eine höhere Viskosität. Dadurch wird beim Aufschmelzen weniger Material verspritzt, wodurch der Kontaktabbrand beim mechanisch le- gierten Material geringer ist. Weiterhin wird bei der höher¬ viskosen Schmelze das in der Schmelze gelöste Gas nur zu einem geringeren Teil freigegeben, so daß beim Erstarren des Materials verstärkt Poren im Schaltgefüge entstehen, die die mechanische Festigkeit und damit die Schweißkraft absenken.

Tabelle

Elektrische Prüfbedingungen: 1000 A, 220 V, 1000 n

Ni- Fs 99,8 %

Kontaktwerkstoff¬ Rk1 99,9 % Rk3 99,9 % Abbrand

Beispiel Korngröße Schweißkraft zusammensetzung [mOhm] [mOhm] [mm³]

|μm] [N]

Nr.

1 AgNi 90/10 Vergleichsbeispiel <40 324 0,04 1,69 59,5

2 AgNi 90/10 Ausführungsbeispiel <3 257 0,05 2.19 38,0

3 AgNi 60/40 Vergleichsbeispiel <40 330 0,06 3,10 14,0

4 AgNi 60/40 Ausführungsbeispiel <3 194 0,05 1,50 7,7

Claims

Patentansprüche

1. Sinterkontaktwerkstoff aus Silber und Nickel, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Massenan- teil von Nickel zwischen 5 und 50 % beträgt, und daß das Nickel im Silbergefüge mit mittleren Teilchengrößen (d) 1 μm < d < 10 μm in weitgehend homogener Verteilung vor¬ liegt.

2. Sinterkontaktwerkstoff 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 die mittlere Teilchen¬ größe (d) des Nickels d < 5 μm ist.

3. Sinterkontaktwerkstoff 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 die mittlere Teilchen¬ größe {d) des Nickels d < 3 μm ist.

4. Sinterkontaktwerkstoff 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 mittlere gegenseitige Abstand (£>) der Nickelteilchen zwischen 5 und 10 μm liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkontaktwerkstoffes aus Silber und Nickel gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprü¬ che 2 bis 4, bei dem eine Mischung von Silber- und Nickel- Pulver zumindest einer festigkeitssteigernden Wärmebehandlung (Sintern) unterzogen wird, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß vor dem Sintern das Nickel insbeson¬ dere nach Art des mechanischen Legierens unter Luftatmosphäre in das Silbergefüge eingebracht wird.

6. Verfahren 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 für das mechanische Legieren entweder Silber und Nickel-Pulver oder ein Granulat aus Silber und Nickel verwendet wird, und daß ein Gefüge mit homogen ver- teilten Nickelteilchen der Teilchengrößenverteilung l μm < rf < 10 μm erzeugt wird.

7. Verfahren 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 das Nickel-Pulver oder das Granulat mit einer Teilchengrößenverteilung < 500 μm verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß das Nickel-Pulver oder das Granulat mit einer Teilchengrößenverteilung < 100 μm verwendet wird.

9 Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß das Nickel-Pulver oder das Granulat mit einer Teilchengrößenverteilung < 50 μm verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a ¬ d u r c h k e n n z e i c h n e t , daß das mechanische Legieren in einer Kugelmühle so lange erfolgt, bis im ent¬ stehenden lamellaren Gefüge Nickel-Lamellenbreiten vorliegen, die sehr viel kleiner sind als der Teilchendurchmesser des Nickel-Ausgangspulvers, vorzugsweise < 1 μm.

11. Verfahren 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 zur Herstellung von Kontakt¬ auflagen das mechanisch legierte Pulver druckverformt und unter reduzierender Atmosphäre gesintert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß während des Sintervorgangs eine Einformung der Nickellamellen zu globularen Teilchen mit einer Teilchengrößenverteilung {d) 1 μm < d < 10 μm und einem Teilchenabstand (£>) zwischen 5 und 10 μm erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das Druckverformen durch Strangpressen erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das Druckverformen als Form¬ teiltechnik für Kontaktstücke erfolgt.

15. Kontaktauflage aus einem Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, hergestellt insbesondere nach einem Verfahren gemäß Anspruch 13, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Ausbildung als Bänder bzw. Profile.

16. Kontaktauflage aus einem Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, hergestellt insbesondere nach einem Verfahren gemäß Anspruch 14, g e ¬ k e n n z e i c h n e t durch die Ausbildung als Kontakt- stücke.

17. Kontaktauflage nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, g e k e n n z e i c h n e t durch die Ausbildung als Zwei- Schichter mit einer ersten Schicht aus Silber-Nickel und einer zweiten Schicht aus Reinsilber.

18. Kontaktauflage nach einem der Ansprüche 15 bis 17, g e k e n n z e i c h n e t durch die Verwendung in einem Schaltgerät der Energietechnik.