DE19608490C1 - Kontaktwerkstoff aus Silber und Wirkkomponenten, daraus gefertigtes Formstück sowie Verfahren zur Herstellung des Formstücks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff aus Silber und Wirkkomponenten. Die Erfindung betrifft weiter ein aus einem Kontaktwerkstoff bestehendes Formstück sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formstücks.

Für ein Kontaktstück in einem Niederspannungs-Schaltgerät der Energietechnik, z. B. in einem Leistungsschalter oder in einem Hilfsschütz, haben sich Kontaktwerkstoffe aus Silber, die sich in bestimmten Wirkkomponenten zur Verbesserung der Schalteigenschaften voneinander unterscheiden, seit langem bewährt. Als Wirkkomponenten sind sowohl Metalle als auch Me­ talloxide bekannt. Vertreter der metallischen Kontaktwerk­ stoffe aus Silber sind beispielsweise Silber-Nickel-Werkstof­ fe (AgNi) und Silber-Eisen-Werkstoffe (AgFe). Als Vertreter der oxidischen Kontaktwerkstoffe sei beispielhaft ein Silber- Eisenoxid-Werkstoff (AgFe₂O₃) genannt.

Aus der US 5,198,015 ist ein Kontaktwerkstoff auf Silber­ basis bekannt, welcher einen Massenanteil von 0,5-39,9% Nickel und einen Massenanteil von 0,14-7% Nickeloxid auf­ weist.

Besonders Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe besitzen gute Schalteigenschaften, jedoch ist nachteilig, daß der sich bei der Herstellung oder während des Betriebs durch Abrieb bil­ dende Nickelstaub sowie das als Schaltprodukt entstehende Nickeloxid schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Orga­ nismus haben können.

Standardisierte Testmethoden zur Bestimmung der Schalteigen­ schaften eines Kontaktwerkstoffes finden sich in INT. J. Pow­ der Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), 219-228.

Kontaktwerkstoffe, die neben Silber Wirkkomponenten enthal­ ten, welche keine schädliche Auswirkung auf den menschlichen Organismus haben, sind z. B. ein Silber-Eisen-Rhenium-Kontakt­ werkstoff aus der EP 0 586 411 B1 und der bereits genannte Silber-Eisenoxid-Kontaktwerkstoff aus der DE 41 17 311 A1. Die Schalteigenschaften der genannten Kontaktwerkstoffe las­ sen sich jeweils durch Beimengen zusätzlicher Wirkkomponen­ ten, z. B. Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃) und Eisenwol­ framat (FeWo₄), verbessern. Der Massenanteil solcher zusätz­ licher Wirkkomponenten liegt in der Regel zwischen 0,01% und 5%.

Oxidische Kontaktwerkstoffe, d. h. Kontaktwerkstoffe mit me­ talloxidischen Wirkkomponenten, zeichnen sich durch eine ge­ ringe Verschweißneigung und eine den Anforderungen genügende Lebensdauer aus. Metallische Kontaktwerkstoffe besitzen eine sehr hohe Lebensdauer, insbesondere bei kleinen Strömen, zei­ gen jedoch in der Regel eine höhere Verschweißneigung als die oxidischen Kontaktwerkstoffe.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen nickelfreien Kontaktwerk­ stoff aus Silber mit Wirkkomponenten anzugeben, welcher ge­ genüber einem metallischen Kontaktwerkstoff eine geringere Verschweißneigung und gegenüber einem oxidischen Kontaktwerk­ stoff eine höhere Lebensdauer aufweist und somit insgesamt bessere Schalteigenschaften besitzt. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Herstellungsverfahren für ein Formstück aus einem derartigen Kontaktwerkstoff sowie ein Formstück aus dem Kontaktwerkstoff, insbesondere ein Kontaktstück, anzuge­ ben, welches sich durch die verbesserten Schalteigenschaften besonders für einen Leistungsschalter der Energietechnik eig­ net.

Bezüglich des Kontaktwerkstoffes wird diese Aufgabe gelöst durch einen Kontaktwerkstoff aus Silber mit einem weiteren Metall und einem Oxid des weiteren Metalls als Wirkkomponen­ ten, wobei die Summe der Massenanteile des Metalls und des Oxids zwischen 1% und 50% beträgt und das Metall Eisen und das Metalloxid Eisenoxid ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein Kontakt­ werkstoff, welcher als Wirkkomponenten sowohl ein Metall als auch ein Oxid dieses Metalls enthält, die günstigen Schaltei­ genschaften eines Kontaktwerkstoffes mit metallischen Wirk­ komponenten mit den günstigen Schalteigenschaften eines Kon­ taktwerkstoffes mit metalloxidischen Wirkkomponenten verei­ nigt. Umfangreiche Untersuchungen zeigen, daß ein derartiger Kontaktwerkstoff sich durch eine sehr geringe Verschweißnei­ gung bei gleichzeitig hoher Lebensdauer auszeichnet. Schädli­ che Auswirkungen von Eisen oder Eisenoxid auf den menschli­ chen Organismus sind zudem nicht bekannt.

Das Eisenoxid kann entweder als Fe₂O₃ oder als Fe₃O₄ vorlie­ gen, zweckmäßigerweise ist es eine Mischung aus Fe₂O₃ und Fe₃O₄, wie sie im Handel ohne weiteres und kostengünstig ver­ fügbar ist.

Eine Verbesserung der Schalteigenschaften des Kontaktwerk­ stoffs wird erreicht, falls dieser mindestens eine weitere Wirkkomponente oder Minderkomponente aufweist. Besonders vor­ teilhaft ist es, wenn die Minderkomponente ein Übergangsme­ tall oder ein das Übergangsmetall enthaltendes Oxid ist, wo­ bei der Massenanteil der Minderkomponente zwischen 0,01% und 5%, vorzugsweise zwischen 0,01% und 2% liegt. Die Schalt­ eigenschaften besonders günstig beeinflussende Minderkompo­ nenten sind z. B. Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃), Rheni­ umoxid (ReO₂), Rhenium (Re), Eisenwolframat (FeWO₄) und Wis­ mutzirkonat (2Bi₂O₃ × 3ZrO₂). Diese Minderkomponenten sind auch in Kombination günstig für die Schalteigenschaften des Kontaktwerkstoffs.

Zur Lösung der auf ein Formstück bezogenen Aufgabe wird er­ findungsgemäß ein Formstück aus einem Kontaktwerkstoff ange­ geben, welcher Silber, Eisen und Eisenoxid umfaßt, wobei die Summe der Massenanteile des Eisens und des Eisenoxids zwi­ schen 1% und 50% beträgt. Das Formstück wird dabei vorteil­ hafterweise pulvermetallurgisch hergestellt. Das pulverme­ tallurgische Herstellungsverfahren wird im folgenden noch nä­ her erläutert.

Für die Verwendung in einem Schaltgerät der Energietechnik, insbesondere für einen Leistungsschalter, ist das Formstück vorteilhafterweise in Form eines Kontaktstücks ausgebildet. Dabei kann das Kontaktstück zusätzlich mit einer Schicht aus Reinsilber zur sicheren Verbindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten versehen sein.

Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Formstücks wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Pulvermischung aus Silber, aus Eisen und aus Eisenoxid gebil­ det und pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.

Zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kontaktwerkstoff sind im wesentlichen zwei verschiedene pulvermetallurgische Verfahren bekannt. Bei der Formpreßtechnik wird die Pulvermi­ schung durch Formpressen zu einem Formling verpreßt, welcher durch Sintern und ggf. weiteres Pressen zu dem fertigen Form­ stück verarbeitet wird. Wie bereits erwähnt, kann für die Herstellung eines Formstücks in Form eines Kontaktstücks der Formling zusätzlich mit einer Schicht aus Reinsilber zur si­ cheren Verbindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten verpreßt werden. In einem nach der Formpreßtechnik hergestellten Formstück liegen die in Pulverform zugefügten Wirkkomponenten mit einheitlicher Korngröße gleichmäßig, ohne makroskopische Orientierung über die Silbermatrix verteilt vor, und das Gefüge des Formstücks ist weitgehend isotrop.

Bei der Strangpreßtechnik wird die Pulvermischung zunächst zu einem porösen Preßling oder Butzen gepreßt und/oder gesin­ tert. Der Preßling oder Butzen wird, ggf. mit einer Schicht aus Reinsilber, durch Strangpressen zu einem Strang verpreßt, aus welchem die Formstücke abgetrennt und eventuell einer nachfolgenden Behandlung unterzogen werden.

In einem nach der Strangpreßtechnik hergestellten Formstück sind die Pulverkörner der Wirkkomponenten und ggf. des Sil­ bers in Strangpreßrichtung verformt bzw. ausgerichtet, wo­ durch sich ein anisotropes, nämlich zeiliges Gefüge ausbil­ det.

Durch das Gefüge eines Kontaktwerkstoffs, d. h. durch die Größe und durch die Verteilung der Wirkkomponenten in der Silbermatrix, werden seine elektrischen Schalteigenschaften, z. B. Abbrand, Kontaktwiderstand und Verschweißneigung, maß­ geblich bestimmt.

Metall-Pulver sind in der Regel bis hinab zu einer mittleren Korngröße von etwa 5 µm kommerziell erhältlich. Da Metall­ oxid-Pulver verfügbar sind, deren mittlere Korngröße wesent­ lich kleiner als 1 µm ist, läßt sich durch die Verwendung von Metalloxid-Pulver statt Metall-Pulver und anschließende Re­ duktion des Metalloxids ein Kontaktwerkstoff erzielen, bei dem die mittlere Korngröße der metallischen Wirkkomponenten im Nanometer-Bereich liegt. Ein derartiger Kontaktwerkstoff mit einem feinen Gefüge weist günstigere Schalteigenschaften auf als ein Kontaktwerkstoff mit grobem Gefüge. Zudem kann bei der Verwendung von Metalloxid-Pulvern unter weniger strengen Transport- und Verarbeitungsvorschriften gearbeitet werden, da im Gegensatz zu Metalloxid-Pulvern viele Metall­ pulver selbstentzündlich sind. Auf diese Weise lassen sich die Herstellungskosten reduzieren.

Entsprechend werden die Schalteigenschaften eines Formstücks aus dem Kontaktwerkstoff verbessert durch ein auch kostengün­ stiges Herstellungsverfahren, bei dem eine erste Pulvermi­ schung aus Silber und aus Eisenoxid gebildet und in der er­ sten Pulvermischung das Eisenoxid zu Eisen reduziert wird, aus der durch diese Reduktion veränderten ersten Pulvermi­ schung und aus Eisenoxid eine zweite Pulvermischung gebildet wird und die zweite Pulvermischung pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.

Um eine unerwünschte Oxidation bzw. Reduktion des Metalloxids in weiteren Verfahrensschritten zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn der Sintervorgang des Herstellungsverfahrens unter Inertgas oder Vakuum stattfindet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an­ hand einer Figur sowie durch Untersuchungsergebnisse näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 Die Struktur eines erfindungsgemäß nach der Strang­ preßtechnik hergestellten Silber-Eisen-Eisenoxid-Kon­ taktwerkstoffes parallel zur Strangpreßrichtung.

Als Ausführungsbeispiel wird ein Silber-Eisen-Eisenoxid-Werk­ stoff hergestellt. Dazu wird eine Pulvermischung aus Silber (Ag) und den Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Eisenoxid (Fe₂O₃) sowie den weiteren Wirkkomponenten Zirkonoxid (ZrO₂), Yttri­ umoxid (Y₂O₃), Rheniumoxid (ReO) und Rhenium (Re) herge­ stellt. Die Zusammensetzung der Pulvermischung ist derart, daß die Summe der Massenanteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Eisenoxid (Fe₂O₃) im fertigen Werkstoff 10% be­ trägt, wobei die Massenanteile des Eisens (Fe) und des Eisen­ oxids (Fe₂O₃) jeweils 5% betragen. Die Summe der Massenan­ teile der weiteren Wirkkomponenten beträgt 2%.

Das Pulvergemisch wird zu einem Rohling oder Butzen weit er­ verarbeitet und nach der beschriebenen Strangpreßtechnik un­ ter üblichen Bedingungen zu einem Formstück verpreßt. Alle Sintervorgänge finden dabei unter Inertgas statt, um eine Re­ duktion des Eisenoxids zu Eisen bzw. eine Oxidation des Ei­ sens zu Eisenoxid zu verhindern.

Der derart hergestellte Kontaktwerkstoff wird aufgrund seiner Zusammensetzung als AgFe5F₂O₃5-Werkstoff bezeichnet.

In Fig. 1 ist die Struktur des erfindungsgemäßen AgFe5F₂O₃5-Werk­ stoffs in einem Schliffbild parallel zur Strangpreßrich­ tung dargestellt. Die Schalteigenschaften des Kontaktwerk­ stoffes werden in Vergleichsversuchen mit bekannten metalli­ schen oder metalloxidischen Kontaktwerkstoffen untersucht.

Dazu wird als Vertreter der metallischen Kontaktwerkstoffe ein Ag(FeRe95/5)8,8-Kontaktwerkstoff herangezogen. Die Schreibweise Ag(FeRe95/5)8,8 zeichnet dabei einen Silber-Ei­ sen-Rhenium-Kontaktwerkstoff aus, wobei die Summe der Massen­ anteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Rhenium (Re) 8,8% beträgt und das Verhältnis der Massenanteile von Eisen (Fe) zu Rhenium (Re) 95 zu 5 gewählt ist. Als ein Vertreter für einen metalloxidischen Kontaktwerkstoff wird ein AgFe₂O₃5,4ZrO₂1-Kontaktwerkstoff herangezogen. Der AgFe₂O₃5,4ZrO₂1-Kontaktwerkstoff zeichnet sich durch einen Massenanteil von 5,4% Eisenoxid (Fe₂O₃) und 1% Zirkonoxid (ZrO₂) aus.

Die in den Vergleichsversuchen verwendeten Testmethoden sind in der Würdigung des Standes der Technik bereits beschrieben. Der erfindungsgemäße AgFe5F₂O₃5-Kontaktwerkstoff zeigt eine geringere Verschweißneigung als der metallische Ag (FeRe95/5)8,8-Kontaktwerkstoff und eine höhere Lebensdauer als der metalloxidische AgFe₂O₃5,4ZrO₂1-Kontaktwerkstoff.

Aufgrund der günstigen Schalteigenschaften eignet sich ein derartiger Kontaktwerkstoff insbesondere für die Verwendung in Leistungsschaltern der Energietechnik.

Claims (11)

1. Kontaktwerkstoff aus Silber mit einem weiteren Metall und einem Oxid des weiteren Metalls als Wirkkomponenten, wobei die Summe der Massenanteile des Metalls und des Oxids zwi­ schen 1% und 50% beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das wei­ tere Metall Eisen und das Oxid Eisenoxid ist.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen­ oxid Fe₂O₃ und/oder Fe₃O₄ ist.

3. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einer weiteren Wirkkomponente.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wei­ tere Wirkkomponente ein Übergangsmetall oder ein das Über­ gangsmetall enthaltendes Oxid ist, wobei der Massenanteil der weiteren Wirkkomponente zwischen 0,01% und 5% liegt, vor­ zugsweise zwischen 0,01% und 2% beträgt.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Wirkkomponente Zirkonoxid (ZrO₂), Yttriumoxid (YO₂), Rhenium­ oxid(ReO₂), Rhenium (Re), Eisenwolframat (FeWO₄) und/oder Wismutzirkonat (2Bi₂O₃ × 3ZrO₂) vorgesehen ist.

6. Formstück aus einem Kontaktwerkstoff, welcher Silber, Ei­ sen und Eisenoxid umfaßt, wobei die Summe der Massenanteile des Metalls und des Oxids zwischen 1% und 50% beträgt.

7. Formstück nach Anspruch 6, welches pulvermetallurgisch hergestellt ist.

8. Formstück nach Anspruch 6 oder 7, welches als Kontaktstück für ein Schaltgerät der Energietech­ nik, insbesondere für einen Niederspannungsschalter, ausge­ bildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kon­ taktwerkstoff, bei dem eine Pulvermischung aus Silber, aus Eisen und aus Eisenoxid gebildet und pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kon­ taktwerkstoff, bei dem eine erste Pulvermischung aus Silber und aus Eisenoxid gebildet und in der ersten Pulvermischung das Eisenoxid zu Eisen reduziert wird, aus der durch diese Reduktion veränderten ersten Pulvermischung und aus Eisenoxid eine zweite Pulvermischung gebildet wird und die zweite Pul­ vermischung pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verar­ beitung der Pulvermischung eine Sinterung unter Inertgas oder Vakuum umfaßt.