DE2463019C2 - Durch innere Oxidation hergestellter Silber-Metalloxid-Werkstoff für elektrische Kontakte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Silber-Metalloxid-Werkstoff für elektrische Kontakte nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein Kontaktwerkstoff der genannten Art ist aus der DE-AS 10 33 815 bekanntgeworden, der durch innere Oxidation herstellbar ist. Als Grundmetall für einen _}n derartigen Verbundwerkstoff kann unter anderem Silber verwendet werden. Als Lösungsmetallelemente kommen dabei neben einer Vielzahl vorgeschlagener Elemente unter anderem auch die Elemente indium und/oder Zinn in Frage. Anstelle von Indium und/oder Zinn bzw. zusätzlich zu diesen werden neben anderen Elementen noch Zink und/oder Blei als Lösungselemente erwähnt.

Eine solche Aufgabenstellung ist aber sehr spezieil und entspricht nicht der üblichen Aufgabenstellung zur Herstellung elektrischer Kontakte, bei denen üblicherweise eine völlig durchgehende gleichförmige innere Struktur, also eine völlig durchgehende innere Oxidation erzielt werden soll. Ob und gegebenenfalls in welchen Mengen unter anderem auch Zinn und/oder Indium zu verwenden sind, um die Kontakteigenschaften bereits bekannter Verbundstoffe für elektrische Kontakte zu verbessern, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aus einer gegenüber dem Anmeldetag der obigen Patentanmeldung späteren Veröffentlichung in dem Sonderdruck »DODUCO-lnformation — Untersuchungen an Silber-Metailoxid-Verbundwerkstoffen für eiektrische Kontakte« im Jahre 1967 ist zu entnehmen, daß beispielsweise bei Silber-Zinn-Legierungen bei oxidierender Glühung störende zusammenhängende Oxidzonen auftreten, die eine gleichmäßige innere Oxidation und feinkörnige Ausscheidung der betreffenden Oxide verhindern. Pulvermetallurgisch lassen sich jedoch Silber-Zinnoxide mit Gehalten von etwa 5—10% Oxid dagegen in dichter und duktiler Form feinkörnig und gleichmäßig herstellen.

Eine Untersuchung von Silber-Indium-Legierungen, die mittels innerer Oxidation hergestellt wurden, ist auch aus der »Zeitschrift für Metallkunde«, 1959, Heft 1, Seite 31 —35 bekanntgeworden. Daraus ist insbesondere aus Seite 33 zu entnehmen, daß bei einer Indiumkonzentration über 5% die Dicke der inneren Oxidationszonen ungleichmäßig werden, und daß mit steigendem Indiumgehalt diese Behinderung stärker wird. Die Zone, die sich bei einem Anteil von 10% Indium nach dem Glühen ausbildet, ist dabei kaum noch zu erkennen.

Ein durch innere Oxidation hergestellter Silber-Metalloxid-Werkstoff ist auch aus den Buch »Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte« von H. Schreiner, Springer-Verlag, 1964, Seiten 12 und 164—167 bekannt geworden, der einen Anteil aus Kadmiumoxid enthält. Ein derartiger Werkstoff für elektrische Kontakte hat bisher häufige Verwendung gefunden, weil diese elektrischen Kontaktwerkstoffe einen relativ gleichmäßigen kleinen Übergangswiderstand, eine geringe Schweißneigung und eine hohe Bogenerosionsfestigkeit aufweisen. Dennoch werden diese positiven Eigenschaften nicht immer als ausreichend gut erachtet. Vor allem aber ist auch die Verwendung von Kadmium aufgrund seiner starkgiftigen Dämpfe für die bei de- Herstellung der Werkstoffe beteiligten Arbeiter gesundheitsschädlich. Darüber hinaus sind in dieser Druckschrift auch Kontaktmaterialien, die zwei verschiedene Metalloxide enthalten, genannt. Ein Hinweis auf deren Herstellung durch innere Oxidation fehlt.

Aus der DE-AS 11 53 178 ist zur Verbesserung der Formbarkeit insbesondere von Silber-Kadmiumoxid-Werkstoffen lediglich zu entnehmen, daß vor der Oxidation Zusätze von 0,001 bis 1% Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt, Chrom, Titan und/oder Vanadium zugegeben werden können.

Aus dem Buch A. Keil »Werkstoffe für elektrische Kontakte«, Springer-Verlag, 1960, Seiten 184/185 sind Werkstoffe für elektrische Kontakte auf der Grundlage Ag/CdO und Ag/SnÜ2 bekanntgeworden, die durch Mischen von Pulvern Pressen und Sintern hergestellt werden. Aus diesem Buch ist nur zu entnehmen, daß lediglich im Falle des Cadmium der Werkstoff auch mittels innerer Oxidation hergestellt werden kann.

Darüber hinaus ist aus der DE-PS 10 50 551 ein Verfahren zur Herstellung eines auf pulvermetallurgischem Wege zu verarbeitenden Verbundwerkstoffes auf Silber-Cadmiumoxid-Basis bekanntgeworden. Bedarfsweise kann Kadmiumoxid durch andere Oxide ersetzt werden.

Aus der US-PS 36 94 197 sind Kontaktwerkstoffe auf Cadmiumbasis bekanntgeworden, deren elektrische Eigenschaften durch geeignete Zusätze verbessert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen dahingehend verbesserten Kontaktwerkstoff für elektrische Kontakte zu schaffen, der auch in tieferen Bereichen des Kontaktwerkstoffes eine gleichmäßigere Oxidation und damit auch ein besseres Abbrandverhalten ermöglicht, ohne daß die Verschweißungsfestigkeit beeinträchtigt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Während der inneren Oxidation diffundiert der Sauerstoff in die inneren und tieferen Bereiche der Legierung, in der fein ausgefällte Teilchen der gelösten Elemente verteilt sind, im vorliegenden Fall Sn. Dies bedeutet, daß die Diffusionsgeschwindigkeit von Sn in der Legierung für die Tiefe der inneren Oxidation wesentlich ist, insbesondere in einer Anfangsphase, wo die Eindringgeschwindigkeit des Sauerstoffs in die Legierungsoberfläche auf einem verhältnismäßig niedrigen Wert liegt. Aber auch zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das gelöste Sn gegen die ausgefällten Oxidkerne

in der Legierung diffundiert und als Oxidteilchen um die Kerne wächst, ist die Diffusionsgeschwindigkeit des Sn wichtig. Daher muß die Diffusionsgeschwindigkeit von Sn für eine erfolgreiche innere Oxidation der Sn-haltigen Legierung gesteigert werden. Vorzugsweise sollte das Verhältnis der Diffusionsgeschwindigkeiten von Sauerstoff und Zinn nahe beim Wert 1 liegen. Diese Forderung wird durch Zugabe von Indium zu der Legierung erreicht, weil dieses Element eine Löslichkeit in Zinn, eine hohe Affinität zu Sauerstoff und höhere Reaktionsgeschwindigkeit in Verbindung mit Sn als Sn allein aufweist. Außerdem sind die Schmelz- und Siedepunkte von SnÜ2 und In2©3 höher als diejenigen von Ag, was eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit des Kontaktwerkstoffes bedingt

Bei dem eine zusammengesetzte Legierung umfassenden elektrischen Kontaktmaterial enthält die Silbermatrix ein zusätzliches Legierungselement aus der Gruppe umfassend Zink, Antimon, Blei und Wismut oder eine Gruppe dieser Elemente zusätzlich zu ilen vorangehend ei wähnten gelösten Metallelementen Zinn und Indium unter der Voraussetzung, daß das zusätzliche Legierungselement bis zu 30% vom Zinn ausmacht, wobei die Gesamtmenge von Zinn und dem zusätzlichen Legierungselement 6 bis 15 Gew.-% des Gesamtgewichtes der Legierung ausmacht und wobei die Gesamtmenge der Legierung und der gelösten Metallelemente 8 bis 17 Gew.-% der Legierung beträgt, während der Rest aus Silber besteht. In diesem Fall soll die innere Oxidation der Legierung vorzugsweise bei einem atmosphärischen Druck von mehr als 1,5 atm ausgeführt werden. Es ergab sich auch, daä die Zuführung von weniger als 8 Gew.-% der Legierung und gelöste Matallelemente zu der Silbermatrix kaum die gewünschten dispergierten Oxidgebilde mit guten elektrischen Eigenschaften erzeugen kann und daß im Gegenteil, wenn die Legierung und die gelösten Mi-tallelemente neben Silber zu mehr als 17 Gew.-% zugegeben werden, die erhaltene Legierung nicht verarbeitbar ist.

Zum besseren Verständnis der Zusammensetzung der Legierung sind das nachfolgende Schema und die Beispiele angegeben:

(D (2)

(3)
(4)
(5)

Sn (mehr als 70%)
Zn

eines oder mehrere
weniger als 30%

6-15 Gewichtsprozent
der Gesamt—1
legierung

Sb
Pb
Bi

In (Rest)

Ag (Rest)

Eisen- o';r Erdalkalimetall (auf Wunsch) weniger als 0,5 Gewichtsprozent

8-17 Gewichtsprozent
der Gesamt—1
legierung

100

Beispiel 1

Eine Legierung enthaltend Silber, 7 Gew.-°/o Sn, 3 Gew.-% Zn und 2 Gew.-% In wurde gegossen und zu einer Kontaktplatte von 2 mm Dicke ausgewalzt. Die Platte wurde einer inneren Oxidation bei ca. 10 Bar eines oxidierenden Gases und bei einer Temperatur von 650⁰C über 72 Stunden unterworfen. Es ergaben sich folgende physikalische Kennwerte:

Härte:

spez. Widerstand:

Dichte:

90 Rockwell-F-Einheiten
2,652 uilcm

(Leitfähigkeit: IACS 65)
10,1 g/cm³.

I g/cm³.
Beispiel 2

45

50 Dicke geschmiedet. Die Platte wurde einer inneren Oxidation unter ca. 1,5 Bar eines oxidierenden Gases bei einer Temperatur von 650⁰C über 72 Stunden unterworfen, wobei ein Kontaktwerkr'.off mit folgenden Kennwerten entstand:

95 Rockweii-F-Einheiten

2,873 uX2cm

(Leitfähigkeit: IACS 60)

10,03 g/cm³.

Härte:

spez. Widerstand:

Dichte:

Eine Legierung enthaltend Silber, 7 Gew.-% Sn, 2 Gew.-% Zn, 1 Gew.-°/o Bi, 4 Gew.-% In und 0,5 Gew.-% Mg wurde durch Auswalzen zu einer Platte von 2 mm Es wurden Vergleichsversuche hinsichtlich der Verschweißungsfestigkeit unter Verwendung eines üblichen Ag-Cd Kontaktes und der Kontakte aus den obigen Beispielen 1 und 2 durchgeführt, und zwar bei einer Spannung von 200 V = , einem Anfangsstrom von 5700 A und einer Kontaktkraft von ca. 2 N. Fünf Grunpen solcher Proben (6 mm Durchmesser; 2 mm Dicke) wurden jeweils zwanzigmal getestet. Es ergaben sich folgende Werte:

Material

Anzahl der Verschweißungen

Ag-Cd 15%

Ag-Sn 7% - Zn 3% - In 2%

Ag-Sn 7% - Zn 2% - Bi 1% - In 4% - Mg 0,5% 4
0
0

Claims (2)

P .^ntansprüche:

1. Silbermetalloxidwerkstoff aus einer innerlich oxidierten Legierung, für elektrische Kontakte, mit einem Gehalt an Zinnoxid und Indiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Komponente bestehend aus Zinn und einem oder mehreren Lösungsmetallelementen aus der Gruppe Zink, Antimon, Blei oder Wismut aufweist, ,₀ wobei die Lösungsmetallelemente bis zu 30 Gew.-% der Komponente ausmachen und die Komponente 6 bis 15 Gew.-% der Legierung beträgt, und daß außerdem in der Legierung ein Anteil an Indium vorgesehen ist, wobei die Gesamtmenge der Komponente und des Indiums 8 bis 17 Gew.-% der Legierung, Rest Silber, beträgt

2. Silbermetalloxidwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mehr als 2 Gew.-% Indium enthält.