DE1266983B

DE1266983B - Kontaktwerkstoff

Info

Publication number: DE1266983B
Application number: DE1957S0054576
Authority: DE
Inventors: Helmut Iwan; Dr Techn Habil Horst Schreiner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1957-08-01
Filing date: 1957-08-01
Publication date: 1968-04-25

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

C 22c

Deutsche Kl.: 40 b -9/00

1266 983
S 54576 VI a/40 b 1. August 1957 25. April 1968

Bei Selbstschaltern, insbesondere bei Leitungsschutzschaltern, die aus den bisher bekannten Kontakt-Werkstoffen hergestellt sind, tritt bei Kurzschlußabschaltungen oder, wenn die geöffneten Kontakte bei Kurzschluß geschlossen werden, oft ein Verschweißen der Kontakte auf. Dieses kann zu Funktionsstörungen der Schalter führen.

Es sind gesinterte Kontakte aus einem binären System, das in flüssigem Zustand mischbar ist, nämlich eine Chrom-Zinn-Legierung mit einem Zinn- ίο gehalt von 1 bis 10°/₀, bekannt und ferner Dreistofflegierungen, bestehend aus 1 bis lO°/o Kobalt, 1 bis 10°/₀ Kadmium, Rest Kupfer, mit Löslichkeit der drei Komponenten ineinander sowie Verbindungsbildung zwischen den Komponenten.

Gegenstand der Erfindung ist ein Kontaktwerkstoff aus mindestens zwei Metallkomponenten — ausgenommen gemäß Patent 1087 813 hergestellte Kupfer-Blei-Verbundwerkstoffe —, bei dem unter den obengenannten Bedingungen kein Verschweißen eintritt. Er eignet sich daher hervorragend für Selbstschalter, insbesondere für Leitungsschutzschalter. Beim Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung weisen mindestens zwei Metallkomponenten im flüssigen Zustand eine beschränkte Mischbarkeit auf, und eine von diesen, nämlich Blei (Pb), Thallium (Tl), Wismut (Bi), Indium (In), Zinn (Sn) oder Kadmium (Cd), weist im Temperaturbereich zwischen 200 und 400⁰C eine Kontaktwerkstoff

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. techn. habil. Horst Schreiner, 8500 Nürnberg; Helmut Iwan, 8400 Regensburg

flüssige Phase auf, und der Anteil dieser Metallkomponente ist auf 5 bis 20%, vorzugsweise auf 10%, bemessen, und zwar in folgenden Kombinationen:

Pb mit Al, Fe, Co, Ni und/oder Cu, Tl mit Al, Fe, Co, Ni und/oder Cu, Bi mit Al, Fe und/oder Co,
In mit Al,
Sn mit Co,
Cd mit Al.

Im einzelnen sind für diese Kombinationsmöglichkeiten nachfolgend in Klammern die Schmelzpunkte der betreffenden Metalle angegeben.

Komponente mit flüssiger Phase zwischen 200 und 400⁰C	mit flüssiger	Mit der Komponente Phase zwischen 200 und 400⁰C Komponente	Co Ni (1440) (1452)	mischbare
• Pb (327)	Al (660)	Fe (1530)	Co Ni (1440) (1452)	Cu (1083)
Tl (302)	Al (660)	Fe (1530)	Co (1440)	Cu (1083)
Bi (271)	Al (660)	Fe (1530)
In (158)	Al (660)
Sn (231)	Co (1440)
Cd (321)	Al (660)

Die hervorragende Eignung des Kontaktwerkstoffes flüssige Phase bis zu verhältnismäßig tiefen Tempe-

gemäß der Erfindung für die oben angegebenen 50 raturen im Engegebiet der Kontakte erhalten bleibt,

Anwendungszwecke beruht darauf, daß die bei der so daß während einer verhältnismäßig langen Zeit

Strombelastung des Kontaktwerkstoffes entstehende die Kontakte mit kleiner öffnungskraft wieder ge-

809 540/351

trennt werden können. Diese Wirkung wird bereits erzielt, wenn nur einer der Kontakte aus dem Werkstoff gemäß der Erfindung und der Gegenkontakt aus einem anderen Kontaktmaterial, z. B. aus Kupfer, besteht. Entsprechend genügt es bei Kontakten mit Doppelunterbrechungen, wenn entweder die bewegliche Brücke oder die beiden Festkontakte aus dem Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung hergestellt sind.

Die Metallkomponente, die zwischen 200 und 400°C eine flüssige Phase aufweist, kann in der höher schmelzenden Komponente eingelagert sein; es kann aber auch der umgekehrte Fall vorliegen. In beiden Fällen handelt es sich um einen Einlagerungsverbundwerkstoff. Weiterhin ist es möglich, daß der Kontaktwerkstoff ein Durchdringungsverbundmaterial bildet, bei dem beide Komponenten zusammenhängende Gerüste bilden, die räumlich ineinandergeschoben sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff kann, wenn z. B. Eisen als eine Komponente gewählt wird, die Blei-, Thallium- oder Wismutoberfläche von Eisenteilchen durchbrochen sein. Die wirksame Kontaktoberfläche wird also beispielsweise durch eine Blei-Eisen-Fläche gebildet. Ein solcher Werkstoff ist für gewisse Beanspruchungen brauchbar und äußerst preisgünstig, was auch für die Metalle Aluminium, Kobalt und Nickel gilt, wobei die letzten beiden Metalle insbesondere dann von technischem Interesse sind, wenn es darauf ankommt, Kontaktwerkstoffe mit höherer Härte (bezogen auf Kupfer) herzustellen.

Die Vorteile solcher Kontakte sind aus der folgenden Tabelle für Kontakte auf Aluminiumbasis mit einem Gehalt von 5 % Blei» Thallium, Wismut, Indium oder Kadmium ersichtlich. Hierzu wurden von den Legierungen Al-Bi 95:5, Al-Pb 95:5 und Al-Cd 95:5 die Kontaktwiderstände im Neuzustand, der geschalteten Kontakte und nach dem öffnen von Schweißbrücken gemessen. Außerdem sind die Schweißstromgrenzen bei 3,5 kp Kontaktlast und die Öffnungskräfte gebildeter Schweißbrücken gemessen worden. Als Vergleich sind die entsprechenden Eigenschaften von Elektrolytkupfer- und Reinsilberkontakten angegeben.

Zusammensetzung	Kontaktwiderstand im Neuzustand mit Reibkomponente Rk ■ ΙΟ⁵ (Ω)	Schweißstrom grenze J (A)	Kontaktwiderstand nach dem Strom durchgang 4 Perioden bei 50 Hz Rk ■ ΙΟ⁵ (Ω)	Öffnungs kraft P (kp)	Kontaktwiderstand nach dem Öffnen der Kontakte Rk · ΙΟ⁵ (Ω)
Al-Bi 95: 5 Al-Pb 95: 5 Al—Cd 95: 5 E-Cu Ag	Maximal 9,0 Minimal 5,2 Mittel 6,9 Maximal 20,0 Minimal 9,3 Mittel 12,5 Maximal 31,0 Minimal 12,0 Mittel 21,5 Maximal 8,0 Minimal 5,6 Mittel 6,7 Maximal 7,0 Minimal 4,4 Mittel 5,7	(7240) 6800 (3840) 3410 (2980) 2530 (5960) 5530 (7450) 7030	20 5 11,1 7,8 5,3 6,5 15 6,8 8,5 4,4 3,2 3,7 2,1 1,8 2,0	0,05 0 0,008 3,1 0 1,9 3,0 0 0,86 0,7 0 0,13 3,3 0 0,87	18 9 12,2 65 14 30 70 13 28,3 59 9,6 22,1 3,0 1,9 2,2

Bei den in Klammern stehenden Schweißströmen traten Öffnungskräfte >3,5 kp auf.

Somit liegen die Kontaktwiderstände der Kontakte im Neuzustand und nach dem Schalten in nicht zu aggressiver Atmosphäre in durchaus günstigen Grenzen. Die Schweißstromgrenzen der angegebenen Legierungen liegen auch gegenüber Ε-Kupfer recht günstig. Die Aluminiumlegierungen sind auf Grund der Schweißstrommessungen in nicht korrodierender Atmosphäre als Kontaktstoffe geeignet. Auch in korrodierender Atmosphäre sind diese Legierungen bei geeigneter konstruktiver Gestaltung der Schaltgeräte und bei entsprechender Reibkomponente beim Schließen der Kontakte geeignet. Bei dem Reibeschließen werden die Oberflächenschichten zerstört und ein metallischer Kontakt gewährleistet. Der höhere Kontaktwiderstand erfordert eine höhere Kontaktlast, um der für ein Schaltgerät tragbaren Erwärmung Rechnung zu tragen. So sind Kontakte aus erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen insbesondere auch für häufig schaltende Schaltgeräte' die in korrodierender Atmosphäre arbeiten müssen, gut geeignet.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung kann auf dem Schmelzwege oder auf dem Sinterwege erfolgen. Das letztere Verfahren ist deshalb besonders vorteilhaft, weil der Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung im kalten Zustand schwer verformbar ist; das Sinterverfahren ermöglicht die Herstellung von Fertigformteilen. Ein weiterer Vorteil des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung ist seine Oxydationsbeständigkeit. Diese beruht auf dem verhältnismäßig hohen Dampfdruck der niedrigschmelzenden Metallkomponente, der zur Folge hat, daß der sich beim Auftreten der flüssigen Phase bildende Metalldampf die Kontaktfläche vor Oxydation schützt. Die Kontaktoberflächen behalten daher nach schweren Belastungen ein metallisch glänzendes Aussehen. Die Verhinderung der Bildung von Oberflächenoxydschichten ist deshalb

besonders wichtig, weil dadurch unerwünschte Vergrößerungen des Übergangswiderstandes im Kontaktengegebiet vermieden werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Kontaktwerkstoff, insbesondere für Leitungsschutzschalter, der aus mindestens zwei Metallkomponenten besteht — ausgenommen gemäß Patent 1087 813 hergestellte Kupfer-Blei-Verbundwerkstoffe —, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Metallkomponenten im flüssigen Zustand eine beschränkte Mischbarkeit aufweisen und eine von diesen, nämlich Blei (Pb), Thallium (Tl), Wismut (Bi), Indium (In), Zinn (Sn) oder Kadmium (Cd), im Temperaturbereich zwischen 200 und 400⁰C eine flüssige Phase aufweist und der Anteil dieser Metallkomponente auf 5 bis 20%, vorzugsweise auf

10%, bemessen ist, und zwar in folgenden Kombinationen :

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er auf dem Schmelz- oder Sinterwege hergestellt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: !5 USA.-Patentschriften Nr. 2145 792, 2154 700; M. H a η s e n, »Der Aufbau der Zweistofflegierungen«, 1936, S. 551 und 1087.

In Betracht gezogene ältere Patente: ao Deutsches Patent Nr. 1 087 813.