DE2908923C2

DE2908923C2 - Innenoxidierter Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte

Info

Publication number: DE2908923C2
Application number: DE2908923A
Authority: DE
Inventors: Akira Yokohama Shibata
Original assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Chugai Electric Industrial Co Ltd
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1979-03-07
Publication date: 1985-05-09
Also published as: US4161403A; GB2017149A; JPS647144B2; JPS54128930A; CA1119432A; BR7901714A; DE2908923A1; FR2420830B1; FR2420830A1; GB2017149B

Description

Die Erfindung betrifft einen innenoxidierten Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach Anspruch 3.

Silber-Metalloxid-Legierungen als Werkstoff für elektrische Kontakte sind hinlänglich bekannt und umfassen insbesondere Silber-Cadmium-Oxid- oder beispielsweise Silber-Zinnoxid-Indiumoxid-Legierungen, die den voranstehend genannten, insbesondere auf deren Temperaturbeständigkeit überlegen sind. Dabei ist ferner aus der US-PS 39 32 936 ein Kontaktwerkstoff vorbekannt, der durch Pressen von Dräten oder Platten aus verschiedenen innenoxidierten oder aus auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Silber-Legierungen zusammengefügt wird. Hierdurch wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß der so hergestellte Kontaktwerkstoff ein hohes Dehnvermögen und keine Risse oder Bruchstellen aufweist, so daß er zum Nieten geeignet ist. Gegenüber dem bisher bekannten Stand der Technik werden aber dadurch keine günstigeren elektrischen Eigenschaften ermöglicht.

Aus der US-PS 39 33 485 ist ebenfalls ein elektrischer Kontaktwerkstoff vorbekannt, der aus einer Silberlegierung mittels innerer Oxidation herstellbar ist. Die Silberlegierung dieses bekannten Kontaktwerkstoffes umfaßt 5 bis 10 Gew.-% Zinn und 1,0 bis 6 Gew.-% Indium, wobei der Rest aus Silber besteht

Dieser bekannte Kontaktwerkstoff hat zwar gegenüber dem üblicherweise verwendeten innenoxidierten Kontaktwerkstoff aus Silber mit Cadmium eine erheblich bessere Verschweißungsfestigkeit und weist demgegenüber erheblich bessere Abbrandraten auf. Dem steht allerdings der Nachteil gegenüber, daß bei dem vorbekannten Kontaktwerkstoff aus einer Silber-Zinn-Indium-Legierung als Ausgangswerkstoff der Kontaktwiderstand ungünstiger ist als bei einer Legierung aus Silber-Cadmiumoxid-Stoffen.

Auch aus der US-PS 39 33 486 ist ein elektrischer Kontaktwerkstoff bekanntgeworden, der aus einer SiI-berlegierung durch innere Oxidation herstellbar ist Die Silberlegierung umfaßt dabei 5 bis 20 Gew.-% Zinn und 0,01 bis 1 Gew.-% Wismut, wobei der Rest aus Silber besteht Dieser Druckschrift ist lediglich zu t.rinehmen, daß durch Beimengungen von Wismut in geringen Spuren ein erheblich größerer Anteil an Elementen in fester Lösung der inneren Oxidation unterzogen werden kann. Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen durch innere Oxidation herstellbaren elektrischen Kontaktwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei unter Beibehaltung einer günstigen Verschweißungsfestigkeit und einer niedrigen Abbrandrate ein niedriger Kontaktwiderstand erzielt wird. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kontaktwerkstoff mit der im Anspruch angegebenen Zusammensetzung und dem dort genannten Gefüge gelöst. Durch die Erfindung wird erstmals sichergestellt, daß alle wesentlichen Eigenschaften, nämlich eine hohe Verschweißungsfestigkeit und niedrige Abbrandraten, sowie ein niedriger Kontaktwiderstand gleichermaßen realisiert werden. Dies bringt erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, wonach immer nur aufgrund einer spezifischen Legierung einzelne günstige charakteristische Werte realisierbar waren, nämlich beispielsweise hinsichtlich Verschweißungsfestigkeit und Abbrandraten, andererseits aber dann andere charakteristische Daten, wie ein niedriger Kontaktwiderstand, nicht hinreichend optimal erreichbar waren.

Erfindungsgemäß ergab sich dabei, daß solche Kontaktwerkstoffe mit optimalen Parametern nicht dadurch herstellbar waren, daß lediglich die Legierungsbestandteile, beispielsweise Sn, In, Ni, Zn, Cd oder dergleichen und Silber zu einer Silberlegierung zusammengefaßt und dann innenoxidiert werden. Denn in diesem Falle könnten diese Bestandteile kaum innenoxidiert werden

so und ergeben nur schlecht eine feste Lösjng im Silbergefüge.

Das Vorstehende soll auch an einem Beispiel erläutert werden. Ein innenoxidierter Kontaktwerkstoff aus Ag-Cd (10%) weist beispielsweise niedrigste Kontaktwiderstandswerte auf. Ein anderer innenoxidierter Kontaktwerkstoff, beispielsweise bestehend aus Ag-Sn(7%)-In(2)-Ni(0,3%) ist demgegenüber durch hervorragende Verschweißungs-Eigenschaften gekennzeichnet. Würde man nun daran denken, beide Legierungen zu einer gemeinsamen Legierung mit all den erwähnten Bestandteilen zusammenzuschmelzen, so ergäbe dies einen praktisch nicht verwertbaren Kontaktwerkstoff, da auch hier die Legierungszusätze eine feste Lösung mit Silber nicht eingehen könnten, so daß sie auch nicht innenoxidierbar sind.

Erfindungsgemäß wird mehr als eine Legierungsart verwendet, wobei jede aus einem Silbergefüge und Legierungszusätzen in solchen Mengen besteht, die eine

feste Lösung mit dem Silbergefüge büden und innenoxidierbar sind. Diese Legierungen liegen dann in Form von Granulaten, Drähten oder Platten oder dergleichen vor und werden miteinander durch einen mechanischen Bindevorgang, Sintern oder Schmieden miteinander verbunden, um einen Verbundwerkstoff zu bilden. Alle diese Legierungen können vor dem Vereinigen bereits innenoxidiert sein. Sind alle diese einzelnen Legierungen nicht oder einzelne hiervon nicht innenoxidiert, so werden die zusammengefügten Einzellegierungen nach dem Verbinden einer inneren Oxidation unterzogen, und zwar nachdem der Verbundwerkstoff auf eine gewünschte reduzierte Abmessung gebracht wurde.

Gegenüber dem Stand der Technik weist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff den wesentlichen Vorteil auf, daß in jeder einzelnen der zusammengefügten Silberlegierungen die einzelnen und unabhängigen Silberkörner in einer Größe von 03 bis 100 μ vorliegen und die jeweils in der spezifischen Einzellegierung enthaltenen LegiertÄgszusätze innenoxidiert aufweisen. Wäre demgegenüber wie nach dem Stand der Technik eine einheitliche Silber-Legierung mit all den Legierungsbestandteilen hergestellt worden, so wären die Körner der verschiedenen Gefüge der einzelnen Legierungen nicht unterscheidbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff bleiben also die einzelnen Legierungsgeiuge beim Zusammenfügen so wie sie sind, so daß die ersten und weiteren Silberkorngefüge mit den darin ausgeschiedenen zugehörigen Metalloxiden die entsprechenden spezifischen mechanischen und/ider elektrischen Eigenschaften aufweisen und darüber hinaus auch insgesamt neue charakteristische Kennwerte ergeben, die durch die Zusammenfügung der Einzellegieruiigen insgesamt bedingt sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Dreißig Drahtstücke von 0,5 mm 0, und zwar von den folgenden Legierungen, wurden zu einem Bünde! zusammengefügt:

Ag-Sn(5°/o)-In(2°/o)

Ag-Cd(10%)

Ag-Zn(5%)

(A) (B) (C)

Das Bündel wurde zu einem Draht von 2,0 mm 0 durch Heißwalzen gezogen. Der auf diese Weise erhaltene Draht wurde einer inneren Oxidation über vierzig Stunden bei einer Temperatur von 700°C in einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt. Dieser Draht wurde zu nietenartigen elektrischen Kontakten geformt, von denen jeder einen Scheibenkopfteil von 4 mm 0 und 2 mm Dicke und ferner einen Schaftabschnitt von 2 mm 0 und 2 mm Länge aufwies. Durch mikroskopische Beobachtung wurde festgestellt, daß in dem Drahtgebilde Silberkörner von 0,5 bis 100 μ über das Silbergefüge des Drahtes dispergiert waren, wobei die Körner entsprechende Legierungszusätze aufwiesen, die ursprünglich in dem Silbergefüge der erwähnten Legierungen A, B, C als feste Lösungen hiermit enthalten waren und welche in den entsprechenden Silberkörnern als Oxide niedergeschlagen wurden. Mit anderen Worten war der Draht, mikroskopisch ausgedrückt, eine Verbindung der verschiedenen Gefüge der oben erwähnten drei Legierungen, die innen oxidiert sind. Der aus diesem Draht hergestellte Kontakt hatte ferner elektrische Eigenschaften, die einer Vereinigung oder Koordinierung der besonderen Kennwerte der drei innen oxidierten Legierungen entsprachen, d. h. den niedrigen Kontaktwiderstand aufgrund der Ag—CdO-Legierung infolge der Zersetzung des GiO bei einer niedrigeren Temperatur als der Schmelzpunkt von Silber, sowie die hohe Temperaturbeständigkeit von ZnO, SnO₂ und In₂O₃. Andererseits ist es bekannt, daß ih dem

ίο Fall, wenn alle Bestandteile der vorangehenden Legierungen geschmolzen und zu einer einzigen Legierung zusammengegossen werden, diese Legierung nicht innen oxidierbar ist
Zur Bestimmung des Kontaktwiderstandes wurde der vorangehend erwähnte Kontakt einer Messung unterzogen, wobei zusätzlich Kontakte gleicher Abmessungen, die aber jeweils aus den vorangehend erwähnten Legierungen A, B, C hergestellt waren, zu VergJeichszwecken mitgemessen wurden. Die Versuche wurden gemäß A.S.T.M.-30 gemessen, wobei Spannungsabfälle bei 1 A und 6 V Gleichspannung bestimmt wurden. Die Prüflinge wurden wie folgt beaufschlagt: 200 V Wechselspannung, 13,5A Strom, Pf=5,0%; Kontaktdruck 100 g. Die Ergebnisse finden sich in folgender Zusammenstellung:

Arbeitszyklen	30	A	0	5,000	10,000
Legierung	B	Spannungsabf.	(ηιΩ)
C
Stoff nach	0,71	3,0	2,40
35 Beispiel 1	0,65	0,85	0,95
0,70	032	·)
0,43	0,48	0,42

*) Versuch unterbrochen wegen starken Temperaturanstieg:.

Zur Untersuchung der Verschweiß^ngsfreiheit nach A.S.T.M. wurden die gleichen Betriebsbedingungen wie beim vorangehenden Versuch gewählt, wobei die Schaltfrequenz 60 min betrug und 100 000 Schaltvorgänge durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle niedergelegt:

Legierung

Anzahl d. Verschweiß.-Vorgänge

A
B
C
Stoff nach Beisp. 1

0
3
2
0

Beispiel 2

Drähte von 03 mm 0 der folgenden Legierungen D, E, F wurden jeweils über sechs Stunden bei einer Temperatur von 700°C in einer oxidierenden Atmosphäre innen oxidiert.

D Ag-Sn(7%)-ln(2%)
E Ag-Zn(3%)
F Ag-Cd(10%)

Fünfzig Drahtstücke der auf diese Weise innen oxidierten Legierung D sowie fünfundzwanzig Drahtstükke der auf diese Weise innen oxidierten Legierungen E,

5 .

F wurden zu einem Bündel vereinigt Dieses Bündel elektrischen Kennwerte ungünstig beeinflußt, während wurde im Heißziehverfahren auf einen Drahtdurchmes- die elektrischen Kennwerte kaum verbesserbar sind, ser von 2,0 mm gebracht, von dem nietenartige Kontak- wenn die Bestandteile unterhalb der angegebenen te gleicher Abmessungen wie im Beispiel 1 hergestellt Grenzen liegen, wurden. Diese Kontakte und die aus der Legierung D, E, F hergestellten Kontakte wurden einem Kontaktunterbrechungsversuch unterworfen.

Stromkreis:

1 -phasig, 262 V; 1,5KA; pJ. 0,56 NacheiL 3-phasig, 460 V; 1,5KA; pi. 0,43 NacheiL »O« »CO« »Ο« »CO«

Isolationswiderstände nach den Unterbrechungen

15 Legierung

D I^ MQup

E 0,8 MQup

F 03 ΜΩιιρ

Legierung

nach Beisp, 2 2,1 ΜΩικ>

Beispiel 3

Siebzig Drahtstücke von 0,5 mm 0 aus Ag-Sn-(7%)—In(2%)-Legierung G, die innen oxidiert wurde, und dreißig Drahtstücke gleichen Durchmessers aus Ag—Cd(10%)-Legierung F, die nicht innen oxidiert war, wurden zu einem Bündel zusammengefügt Dieses Bündel wurde einem Heißziehvorgang unterworfen, wobei Draht von 2 mm 0 hergestellt wurde. Dieser Draht wurde über sechs Stunden bei einer Temperatur vjn 700° C in einer oxidierenden Atmosphäre oxidiert Der Draht wurde in nietenförmige Kontakte mit Abmessungen wie in Beispiel 1 geformt Diese Kontakte und andere aus den Legierungen G und F hergestellte Kontakte wurden einem Abmessungstest bei einem magnetischen Schalter unterworfen. Es wurden folgende Versuchsbedingungen angewendet: 200 V Spannung, 100 A Strom (reaktive Belastung), p.f.-03 Nacheilung, Frequenz-30/min, 50 000 Zyklen. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Legierung

G 56 mg

F U2mg

Legierung nach

Beispiel 3 54 mg

Durch Versuche w;irde gefunden, daß die folgenden Legierungssysteme als wirksame Bestandteilslegierungen der erfindungsger.iäßen Verbundwerkstoffs verwendbar sind, wobei die Ag—Sn(3—11 Gew.-%)—ln(l,0—13 Gew.-%)-Legierung und/oder Ag-Sn(3-ll Gew.-%)-Bi(0,01-2 Gew.-%)-Legierung wesentliche Bestandteile des Verbundwerkstoffs nach der Erfindung sind.

Ag-Ca(O₁Ol bis 2 Gew.-%)

Ag-Cd(0,01 bis 25 Gew.-%) eo

Ag-Mn(O₁Ol bis 5 Gew.-%)

Ag-Sb(O₁Ol bis4Gew.-%)

Ag-Zn(O₁Ol bis 5 Gew.-%)

Ag-Pb(O₁Ol bis lOGew.-O/o)

65

Wenn diese Losungsmetalle oberhalb der maximalen Grenzen vorliegen, v/erden deren innere Oxidation, der Preßvorgang und andere Verfahrensschritte oder die

Claims

Patentansprüche:

1. Innenoxidierter Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte aus zumindest zwei Silber-Metalloxid-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer ersten Silberlegierung mit 3 bis 11 Gew-% Zinn, 1 bis 13 Gew.-% Indium und Silber als Rest mit einem ersten Silbergefüge und mindestens einer weiteren Silberlegierung mit einem von dem ersten abweichenden Silbergefüge besteht, die aus 3 bis 11 Gew.-% Zinn, 0,01 bis 2 Gew.-% Wismut oder 0,01 bis 2 Gew.-% Kalzium oder 0,01 bis 25 Gew.-% Cadmium oder 0.01 bis 5 Gew.-% Mangan oder 0,01 bis 4 Gew.-% Antimon oder 0,01 bis 5 Gew-% Zink oder 0.01 bis 10 Gew.-% Blei und Silber als Rest besteht, wobei die Legierungszusätze in der ersten und der weiteren Silberlegierung in fester Lösung vorliegen und nach der inneren Oxidation in ihrem ursprünglichen Gefüge als Oxide ausgeschieden sind und die Körner des ersten und weiteren Gefüges jeweils unter sich und miteinander koaleszierend verbunden sind.

2. Innenoxidierter Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Silberlegierung statt eines Indiumaiiteiles einen Wismutanteil von 0,01 bis 2 Gew.-% und die weitere Legierung statt eines Wismutanteiles einen Indiumanteil von 1 bis 13 Gew.-% enthält

3. Verfahren zur Herstellung eines innenoxidierten Verbundwerkstoffes für elektrische Kontakte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innenoxidierten oder noch nicht innenoxi- -räerten, in Form von Granulaten, Drähten oder Platten vorliegenden Silber-Legierungen zur Herstellung des Verbundwerkstoffes mechanisch, durch Sintern oder Schmieden miteinander verbunden werden und gegebenenfalls nach dem Verbinden innenoxidiert werden.