AT204116B - Kontaktwerkstoff - Google Patents

Description

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  Kontaktwerkstoff 
Bei Kontakten, die bei erhöhter Umgebungstemperatur,   z. B.   zwischen 3000C bis   4000C   schalten oder die nach kleiner bis mittlerer elektrischer Belastung mit kleinen Schaltkräften wieder geöffnet werden sollen, treten häufig Haftkräfte auf, die in der Grössenordnung von mehreren Gramm liegen und somit über der verfügbaren Öffhungskraft liegen. Bei zwei mit der Kontaktkraft P aufeinandergedrückten Kontakten bildet sich durch die Kontaktkraft P eine plastische Verformung des Kontaktmaterials, entsprechend der Materialhärte H eine Berührungsfläche (effektive   Kontaktfläche)   von der Grösse F = P/H aus. 



  Werden die so aufeinandergedrückten Kontakte auf höhere Temperatur gebracht,   z. B. auf 4000C,   ohne dass ein Strom darüberfliesst, so treten bereits Haftkräfte von einigen Gramm auf. Dieser Effekt beruht auf der Diffusion im festen Zustand, hiebei bildet sich zwischen den beiden Kontakten eine Diffusionsbrücke, die mit zunehmender Zeit weiterwächst. Bei gleichzeitiger Strombelastung wird durch die Erwärmung   im Stromengegebiet die Diffusion   und dadurch die Grösse und Festigkeit der Brücke erhöht. Es besteht aLso ein technisches Interesse an Kontaktwerkstoffen mit kleinen Klebekräften, die darüber hinaus eine kleine Klebehäufigkeit bei einem verhältnismässig kleinen Spannungsabfall aufweisen.

   Die zuletzt genannte Forderung wird von den oft gebräuchlichen Silberkontakten erfüllt ; die bei Silber auftretenden Haftkräfte übersteigen jedoch häufig den zulässigen Grenzwert. 



   Gegenstand der Erfindung ist ein Kontaktwerkstoff für kleinere und mittlere Schaltleistungen für elektrische Kontakte, die bei erhöhter Umgebungstemperatur, insbesondere bis zu etwa   400 C,   schalten. Der Kontaktwerkstoff gemäss der Erfindung ist aus einem Gemisch von Silber-und Kupferpulver durch Pressen und Sintern hergestellt und weist eine Korngrösse in der   Grössenordnung   von   10-mm   oder kleiner, vorzugsweise kleiner als 0,02 mm auf. Unter kleineren und mittlerenSchaltleistungen werden solche von 1 bis 5 kVA verstanden. 



   Das Zweistoffsystem Ag-Cu besitzt auf der Ag-reichen Seite eine Löslichkeit im festen Zustand, z. B. von   8%   Kupfer bei einer Temperatur von 7800C ; es sind daher auch schon Ag-Cu-Legierungen mit einem Kupfergehalt von einigen Prozenten auf dem Schmelzwege hergestellt und unter der Bezeichnung Hartsilber bekanntgeworden. Diese   Ag-Cu- Schmelzlegierungen   besitzen nach dem Erstarren eine verhältnismässig grosse Korngrösse, und die kaltverformten Legierungen reKristallisieren bei erhöhter temperatur leicht. Demgegenüber weist der Kontaktwerkstoff gemäss der Erfindung eine um mindestens eine bis zwei Grössenordnungen kleinere Korngrösse und eine höhere Rekristallisationstemperatur auf. 



   Die Löslichkeit des Kupfers im Silber nimmt mit sinkender Temperatur ab. Der Kupfergehalt des   Kont2. ktwerkstoffes   gemäss der Erfindung wird vorteilhafterweise zwischen   10/0   und   8%   bemessen. 



   Die Herstellung des Kontaktwerkstoffes gemäss der Erfindung erfolgt nach den an sich bekannten pulvermetallurgischen Verfahren. Dabei wird das Silber-und Kupferpulver innig gemischt, gepresst und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff, zwischen 750 C und   8500C   gesintert und die Sinterzeit je nach Korngrösse der Ausgangspulver zwischen 30 Minuten und zwei Stunden bemessen, u. zw. derart, dass die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander zu einem Konzentrationsausgleich im Sinterkörper führt. Der   Sinterkörper   wird je nach der gewünschten Härte des Kontaktwerkstoffes mit   6-10 t/cm ? nachgepresst   und nachgesintert.

   Um mit möglichst kurzen Sinterzeiten bereits eine homogene Sinterlegierung zu erhalten, empfiehlt es sich, die   Korngrösse   der Ausgangspulver nicht 

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 zu gross zu wählen. Vorteilhaft ist eine Korngrösse des Ausgangssilberpulvers   unter 100    und des Ausgangskupferpulvers unter 50   Jl.   



   Für gewisse Anwendungsfälle ist es jedoch auch günstig, dass der Konzentrationsausgleich im Sinterkörper nicht voll durchgeführt ist. Die Konzentrationsunterschiede bilden sich im Bereich etwa der Ausgangspulverkorngrösse aus. Kontaktwerkstoffe dieser Art haben in den kupferreichen Bereichen eine verhältnismässig geringe Klebefestigkeit. Zur Herstellung solcher Kontaktwerkstoffe wird das Silber- und Kupferpulver innig gemischt, gepresst und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff, zwischen 7000C und 8000C gesintert und die Sinterzeit je nach Korngrösse der Ausgangspulver zwischen 10 Minuten und einer Stunde bemessen, u. zw. derart, dass die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander noch zu keinem vollständigen Konzentrationsausgleich geführt hat. 



   Sowohl die vollkommen homogenisierten Sinterlegierungen wie auch die Legierungen mit Konzentraticnsunterschieden gemäss der Erfindung sind als Kontaktwerkstoffe für die oben angegebenen Schaltbedingungen hervorragend geeignet. Bis zu Umgebungstemperaturen von etwa 4000C und beim Schalten von Strömen bis 14 Ampere liegen die Haftkraft unter 3 Gramm, bezogen auf die sich bei 5 Gramm Kontaktkraft ausbildende effektive Kontaktfläche, bei einer verhältnismässig geringen Klebehäufigkeit. 



   Zur weiteren Erläuterung sei noch folgendes Beispiel angegeben; 97,5% Ag-Pulver mit einer Korngrösse kleiner 50   ; i   und   2, 50/0   Kupferpulver mit einer Korngrösse kleiner 20   je   werden innig gemischt. 



  Bevorzugt wird eine Nassmischung, die zu einer gleichmässigeren Verteilung der beiden Pulver führt. 



  Das Gemisch wird mit   l,   5 t/cm2 in einer Matrize verpresst ; dabei erhält man eine Pressdichte von 7, 5 g/cms. Die anschliessende Sinterung wird in Wasserstoff bei 8000C während einer Stunde durchgeführt ; die Sinterdichte beträgt dann   8, 94 g/cms.   Durch Kaltnachpressen mit 10 t/cm2 erhält man eine Enddichte von   10,   1   g/cm*.   Das Gefüge ist heterogen. Die kupferreichen Bereiche sind im Silber gleichmässig verteilt eingelagert. Das Material zeigt bei 4000C die obenbeschriebenen kleinen Haftkräfte. 



   Im obengenannten Beispiel hat die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander noch zu keinem vollständigen Konzentrationsdusgleich geführt. Um diesen zu erreichen, ist es bei den vorliegenden   Korngrössen   der Ausgangspulver erforderlich, die Sinterung bei einer Temperatur von etwa 8500C während etwa 90 Minuten durchzuführen. 



    PATENTANSPRÜCHE :    
1. Kontaktwerkstoff für elektrische Kontakte, die bei erhöhter Umgebungstemperatur insbesondere bis zu etwa   4000C   schalten, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Gemisch von Silber-und Kupferpulver durch Pressen und Sintern hergestellt ist und eine Korngrösse in der Grössenordnung von   10-2   mm oder kleiner, vorzugsweise kleiner als 0,02 mm, aufweist.

Claims (1)

1. 2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfergehalt 1% bis 8% beträgt.

   3. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber- und Kupferpulver innig gemischt, gepresst und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff zwischen 7500C und 8500C gesintertwerden und die Sinterzeit je nach Korngrösse der Ausgangspulver zwischen 30 Minuten und 2 Stunden bemessen wird, derart, dass die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander zu einem Konzentrationsausgleich im Sinterkörper führt, und dass der Sinterkörper je nach der gewünschten Härte des Kontaktwerkstoffes mit 6 bis 10 t/cm ! nachgepreSt und nachgesintert wird.

   4. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Silber- und Kupferpulver innig gemischt, gepresst und in neutraler oder reduzierender Atmosphöre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff zwischen 7ùOoC und 800 C gesintert werden und die Sinterzeit je nach Korngrösse der Ausgangspulver zwischen 10 Minuten und einer Stunde bemessen wird, derart, dass die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander noch zu keinem vollständigen Konzen- lationsausgleich geführt hat.

   5. Verfahren zur Herstellung eines KontaktwerKstotfes nacti Anspruch 1 oder 2, z. B. nach den Verfahren gemäss Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Silberpulver mit einer Korngrösse kleiner 100/l und Kupferpulver mit einer Korngrösse kleiner 50 Jl verwendet wird.