DE2425315A1

DE2425315A1 - Kontakt fuer elektrische schalter sowie verfahren zur herstellung eines materials fuer einen derartigen kontakt

Info

Publication number: DE2425315A1
Application number: DE19742425315
Authority: DE
Inventors: Richard Howard Krock; Yuan-Shou Shen
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1973-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1975-02-13
Also published as: US3930849A; DE7418086U; BR7403955D0; GB1432101A; JPS5020299A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F."Weickmann, 2425315

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr.K.Fincke Dipl.-Ing. F. A/Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DXIII/Ktz ⁸ MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

R. Mallory & Co Inc., 5029 East Washington Street, "Indianapolis, Indiana, USA

Kontakt für elektrische Schalter sowie Verfahren zur Herstellung eines Materials für einen derartigen Kontakt

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kontakt für elektrische Schalter auf der Basis eines Ag-CdO-Materials sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kontaktmaterials.

Materialien für elektrische Kontakte auf der Basis Ag-CdO sind im Vergleich zu Materialien auf der Basis Ag generell weniger anfällig gegen Kleben und Aerosion durch Bogenentladungen. Da auch der Kontaktwiderstand von Materialien auf der Basis Ag-CdO sehr stabil ist, sind derartige Materialien

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sowohl bei kleinen (bis zu etwa 20 A) als auch bei großen (bis zu etwa 100 Λ) Strombelastungen verwendbar. Andererseits sind derartige Materialien auf der Basis Ag-CdO in solchen Fällen weniger geeignet, in denen an den Kontaktflächen große Augenblickstemperaturen bis zu etwa 1000⁰C oder höher entstehen.

Im Vergleich zu Materialien auf der Basis Ag-CdO sind Materialien auf der Basis Ag-CdO mit einem Oxid des Sn im Hinblick auf die Aerosion durch Bogenentladungen und des Kontaktklebens besser. Ein derartiges Kontaktmaterial ist in der US-Patentschrift 3 607 244- beschrieben, Ein derartiges Material besitzt jedoch andererseits wiederum den Nachteil, daß die Oxidationsrate beinHerstellungsprozeß klein ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material für elektrische Kontakte auf der Basis Ag-CdO anzugeben, bei dem die oxidierbaren Komponenten im Vergleich zu einem Material auf der Bsäs Ag-Cd-Sn mit einer größeren Oxidationsrate oxidierbar sind. Das Material soll dabei eine vorgegebene kleine Oxid-Partikelgröße besitzen. Weiterhin soll das Material an der Kontaktfläche mit Augenblickstemperaturen bis zu etwa 1000⁰C belastbar sein, ohne daß sich die Kontaktflächen nachteilig verändern. Schließlich soll der Erweichungspunkt des Materials bei einer (Temperatur von etwa 450⁰C oder hoher liegen.

Diese Aufgabe wird bei einem Kontakt der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Materialzusammensetzung gelöst:

Ag und Cd mit bis zu 2 Gewichtsprozent an Sn und einem geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls aus der Gruppe IIA des periodischen Systems der Elemente, Metalle der seltenen Erden, Yt, Mischmetall oder Mischungen dieser Metalle, wobei

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das Material zur Überführung der oxidierbaren Komponenten in die entsprechenden Metalloxide oxidiert ist.

Das erfindungsgemäße Kontaktmaterial auf der Basis Ag-Cd-Sn besitzt also einen Metallzusatz, welcher früher als Od oder Sn oxidiert, d.h., dieser Zusatz bildet Kristallisationskerne für die Oxidation des Sn und des Gd.

Als Metalle aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente kommen gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung vorzugsweise Be, Mg, Ga und/oder Sr in l'rage, während als Metalle der seltenen Erden vorzugsweise La, Ce und/oder Kd verwendet werden.

In" Weiterbildung der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials der vorgenannten Art vorgesehen, daß eine Schmelze gebildet wird, welche Ag, Cd, Sn und ein Metall aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente, der Metalle der seltenen Erden, Yt, Mischmetall oder Mischungen dieser Metalle enthält, daß die Schmelze in eine !Form überführt wird und daß die geformte Schmelze zur Überführung des Cd, Sn und des Metallzusatzes in deren Oxide ein.er selektiven inneren Oxidation unterworfen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der i'iguren der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt:

Eig. 1 eine Mikrophotographie eines einer inneren Oxidation unterworfenen Kontaktmaterials auf der BeeLs Ag-CdO in 340-facher Vergrößerung mit etwa 9 Gewichtsprozent Cd, etwa 1,5 Gewichtsprozent Sn, etwa 0,06 Gewichtsprozent Oa und dem Rest Ag;

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i<ig. 2 eine Mikrophotographie eines einer inneren Oxidation unterworfenen Kontaktmaterials auf der Basis Ag-CaO in ^40-facher Vergrößerung mit etwa 9 Gewichtsprozent Gd, 1,5 Gewichtsprozent Sn, O,o5 Gewichtsprozent Sr und dem Hest Ag; und

Jb'ig. 3 Photographien vier verschiedener Kontaktmaterialien auf der Basis Ag-OdO, welche für 10 Minuten auf 1000⁰C erhitzt wurden.

Die Oxidationsrate der oxidierbaren Komponenten, die Eigenschaften bei großen Augenblickstemperaturen, die Oxidpartikelstruktur und die Erweichungstemperatur eines Kontaktmaterials auf der Basis Ag-CdO werden gegenüber einem Kontaktmaterial auf der Basis Ag-CdO mit einem Zusatz eines Oxids des Sn dadurch verbessert, daß dem Ag-Cd bis zu zwei Gewichtsprozent Sn und bis zu etwa 0,1 Gewichtsprozent eines Zusatzmaterials zugesetzt wird, das aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente (vorzugsweise Be, Mg, Ca, Sr), den Metallen der seltenen Erden (vorzugsweise La, Ce, Wd), Mischmetall oder Mischungen dieser Metalle gewählt ist, und daß die oxidierbaren Komponenten dieses Materials auf der Basis Ag-Cd oxidiert werden. Die MikroStruktur enthält dabei feine Körner der Oxide des Cd, Sn und des Zusatzmetalls. Vorzugsweise enthält das Material eine effektive Menge von bis zu 2 Gewichtsprozent oxidierten Sn sowie eine effektive Menge von bis zu 0,1 Gewichtsprozent des oxidierten Metalls.

Generell gesprochen wird das Material auf der Basis Ag-CdO für den erfindungsgemäßen Kontakt dadurch hergestellt, daß ein Material oxidiert wird, das etwa 70 bis 95 Gewichtsprozent Ag, etv/a 5 bis 50 Gewichtsprozent Cd, etwa 0,01 bis 2 Gewichtsprozent Sn sowie einen geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente (vorzugsweise Be, Mg, Ga, Sr), der Metalle der seltenen Erden

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(vorzugsweise .ba, Cd, Nd), hischmetalle oder Mischungen dieser Zusatzmetalle enthält. Die oxidierbaren Komponenten dieses Materials werden zur Bildung eines Kontaktes auf der Basis Ag-GdO oxidiert.

Das Zusatzmetall beginnt vor der Oxidation des Sn oder des Cd zu oxidieren und wirkt als Kristallisationskern für das Wachstum der Oxide des Sn und des Cd in £'orm von feinen Körnern. Eine Menge des Zusatzmetalls, welche kleiner als etwa 0,001 Gewichtsprozent ist, übt die Wirkung von Kristallisationskernen nicht mehr aus, während eine Menge von über etwa 0,15 Gewichtsprozent die Ausfällung des Cd und des Sn an den Korngrenzen vergrößert und die elektrische Leitfähigkeit, die Verarbeitbarkeit des Koiitaktmaterials sowie die Oxididationsrate bei seiner Herstellung reduziert. Der Metallzusatz betragt vorzugsweise etwa 0,01 bis 0,15 Gewichtsprozent. Das Zusatzmaterial ist in einer Schmelze mischbar, während Metalle wie beispeilsweise Co, i'e oder Ni in Schmelzen nicht mischbar sind, Es ist wichtig, daß das Zusatizmetall in einer Schmelze mischbar ist, um eine homogene Mischung zu erhalten, welche nach einem Gießvorgang gleichförmige mechanische Eigenschaften besitzt.

Wie die !Figuren 1 und 2 zeigen, bewirkt das Zusatzmetall, daß die Körner der Oxide' des Cd und des Sn nach der Oxidation des Materials auf der Basis Ag-Cd sehr fein sind. Die Partikel der gemischten Oxide des Cd-Ga und Sn nach Ifig. 1 und der Partikel der gemischten Oxide des Cd, Sr und Sn nach Pig. besitzen eine mittlere Größe von weniger als etwa 3 Mikrometer. Dem-gegenüber besitzen die (nicht dargestellten) Partikel der gemischten Oxide des Cd und Sn ohne den erfindungsgemäß vorgesehenen Metallzusatz eine mittlere Größe von etxva 20 Mikrometer.

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Das Material für den errindungsgemäßen elektrischen Kontakt kann entweder durch einen Voroxidations- oder Kachoxidationsprozeß hergestellt v/erden. Hinsichtlich eines Vor Oxidationsprozesses bei der Oxidation von Materialien, auf der Basis Ag-Od können Parameter gemäß dem US-Patentschriften 27 075 und 5 54-5 06? gewählt werden, um die oxidierbaren Komponenten des Materials auf der Basis Ag-Gd gemäß der Erfindung zu oxidieren. Dabei wird eine Schmelze des Ag-Cd-Sn gebildet und das Zusatzmetall vorbereitet, zerstäubt und oxidiert. hach der Oxidation der Komponenten wird die Kontaktform gebildet, um Verluste an Sn und/oder des Zusatzrietalls während aer Herstellung der Schmelze und/oder der Zerstäubung zu kompensieren, kann das Sn und/oder das Zusatzmetall im Überschuß zugefügt v/erden.

Mir einen Kachoxidationsprozeß für Materialien auf der Basis Ag-Cd können Parameter gemäß den US-Patentschriften 2 539 und 2 673 167 gewählt werden, um die oxidierbaren Komponenten des Materials für erfindungsgemäße Kontakte zu oxidieren. Bei diesem Prozeß wird zunächst die Kontaktform gebildet, wonen die oxidierbaren Komponenten oxidiert werden.

Bei der Oxidations der Komponenten des Materials durch Vor— oxidation bzw. bei der Oxidation der fertigen oder halbfertigen Kontaktform durch Nachoxidation ist in Abhängigkeit von der Kontaktform, der Oxidationstemperatur und des Sauerstoffgehaltes der Atmosphäre eine Oxidationstemperatur von bis zu etwa 850⁰C und eine Oxidationszeit von bis zu etwa 120 Stunden erforderlich.

Unter der Annahme der gleichen Abmessungen und der gleichen Proseßprjcameter für ein Material auf der Basis Ag-Cd-Sn und ein Material auf der Basis Ag-Cd-Sn mit einem Metallzusatz ist die Oxidationsrate für das letztgenannte Material bis zu

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etwa ΊΟ °/> größer. Das erfindungsgemäße Material auf der Basis Ag-OdG vermag Augenblickstemperaturen von bis zu 1000°C besser zu widerstehen als ein oxidiertes Material auf der Basis -Ag-OdO-Sn» Wird beispiels;;eise ein durch innere Oxidation hergestelltes Material mit 9 Gewichtsprozent Cd, 1,5 Gesichtsprozent· Sn und 89j5 üewiehtsprozeirt Ag für etwa 10 Minuten auf eine 'i'emperatur von 1000⁰C aufgeheizt, so bildet sich an der Materialoberfläche ein zusammengelaufenes Bad einer Silberschmelze. Das zeigt, daß ein derartiges Material großen Augenblickstemperaturen besser zu widerstehen vermag, wodurch das erfindungsgemäße Material auf der Basis Ag-GdO als Kontaktmaterial für Unterbrecherkreise besser als ein durch innere Oxidation hergestelltes Material auf der Basis Ag-CdO-Sn geeignet.ist.

l'igur ^ zeigt Proben von vier verschiedenen, durch innere Oxidation hergestellten Materialien nach einer Aufheizung für 10-Minuten auf 100O⁰C. Eine Probe JO (Ag-9Cd) zeigt eine beträchtliche Zusammenballung von geschmolzenem Silber 51 an ihrer Oberfläche. Bei einer Probe 'j2 (Ag-90d-1,5Sn) ist ebenfalls eine Zusammenballung von geschmolzenem Ag an der Oberfläche vorhanden. Proben 34 (Ag-9Cd-1,5Sn-O,05Ca) und 35 (Ag-9Gd-1,5Sn-O,O5Sr) zeigen, wenn überhaupt, eine sehr geringe Zusammenballung von Ag an ihrer Oberfläche.

Bei Zimmertemperatur beträgt' die Härte des erfindungsgemäßen Materials, etwa 90 bis 95 Rr-,» während die Härte eines Materials auf der Basis Ag-GdO bei Zimmertemperatur etwa 80 bis 85Rrr beträgt. Die Erweichungstemperatur für das erfindungsgemäße Material liegt bei etwa 450⁰G, während die Erweichungstemperatur für ein Material auf der Basis Ag-GdO bei etwa 400 °0 liegt.

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Durch Zusatz eines Metalls, das gegen Sauerstoff eine größere Affinität als Gd oder Sn besitzt, wird die Oxidationsrate eines Materials auf der Basis JLg-CdO um etwa 10$ erhöht. Darüber hinaus v/ird auch ein stabileres Oxid gebildet, als es durch Cd oder Sn möglich ist. Übersteigt die Menge des Zusatzmetalls, beispielsweise von Ca jedoch etwa 0,15 Gewichtsprozent, so bildet sich an den Korngrenzen eine starke Oxidausfällung, welche die Oxidationsrate des Materials auf der Basis Ag-CdO reduziert.

Im erfindungsgemäßen Material auf der Basis Ag-CdO ist da.s Zusatzmetall gleichmäßig verteilt. Bei der Oxidation der oxidierbaren KonrDoiienten im erfindungsgemäßen Material bildet sich'das Oxid des Zusatzmetalls vor der Bildung der Oxide des Sn oder des Cd. Die Bildung eines Oxids des Zusatzmetalls führt zur Erzeugung von Kristallisationskeimen für die Oxide des Sn und des Gd, wodurch die Bildung dieser letztgenannten Oxide beschleunigt v/ird. Die Oxide des Zusatzmetalls . und des Sn tendieren dazu, sich an die CdO-i'artikel anzulagern.

Das erfindungsgemäße Kontaktmaterial auf der Basis Ag-CdO oxidiert im wesentlichen gleichförmig durch das Material, so daß die elektrischen Eigenschaften im wesentlichen gleich bleiben, wenn die Kontaktflächen sich abnutzen.

Wird das Material gemäß dör Erfindung für etwa 10 Minuten einer !Temperatur von 'etwa 100O⁰C ausgesetzt, so bilden sich praktisch keine Zusammenballungen von geschmolzenem Ag an den Kontaktoberflächen.

Bei dem Metallzusatz handelt es sich um ein Metall aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente, nämlich Ca, Sr, Be und Hg; ein Metall der seltenen Erden, nämlich La, Ce, Kd; Yt : und Mischmetall. Aus diesen vorgenannten Metallen

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sind die Metalle Ca, Sr, üe und Mischmetall bevorzugt, aus denen wiederum Ga, br und Mischmetall vorteilhaft sind. Die untere Grenze des Anteils in Gewichts'orozent dos herallzusatzes muß ausreichen, damit er als Kris'jallisationskcim für die Bildung der Oxide von tin und Gd wirken kann. Übersteigt die Menge des Zus£,tzmetalls ,jedoch 0,2 Gewichtsprozent, so werden die gewünschten .effekte nicht nein? erreicht, Die Menge des Zusatzmetalls beträgt vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent oder weniger.

Das Vorhandensein geringer Henp-jen von verunreinigenden Elementen spielt für das erfindungsgemwue Material keine kritische Rolle.

Über die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele hinausgehend ist es auch möglich, dem erfindungsgemlUen Material auf der Basis Ag-GdO geringe Mengen weiterer Metallkonroonenten zuzusetzen.

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Claims

t e η t a η s υ r i.i ehe

Ί. iionaalcc für elektrische Schalter auf der F.asis eines .■-C-OciO-haterials, gekennzeichnet durch folgende iiatericlzus cinmens e uzunr·: i

iiG und Cd. mit bis zu 2 Gewichtsprozent an Sn und einem geringen aber oerklichen Zusats eines Metalls aus der Gru ;>;e HA des oeriodischen Systems der Elemente, Metalle der seltenen ürden, Yt, Mischinetall oder Mischungen dieser Metalle, v;obei das Material zur überführung der oxidierbaren Komponenten in die entsprechenden Metalloxide oxidiert ist;.
2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dal- das Oxid des Sn sowie das Oxid des geringen aber merklichen Zusatz eines Metalls das äeaktionsprodukt der !Erhitzung des bn bzxj. des Ketallzusatzes in einer sauerstoff reichen Atmosphäre auf eine erühte l^mperatur ist.
3· Kontakt nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geringe aber merkliche Zusatz eines Metalloxids ein Oxid eines Metalls aus der Gruppe Ca, Sr, Be, Mg, Yt, La, Ce, Kd, Mischmetall oder Mischungen der Oxide dieser Metalle, vorzugsv/eise ein Oxid des Ca, Sr, des Mischmetalls oder Mischungen der Oxide dieser Metalle ist.
4. Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis y, dadurch gekennzeichnet, daß der geringe aber merkliche 2'usatz eines Metalloxids bis zu etwa 0,1 Gewichtsprozent des Metalls betregt.
5. kontdJ; nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daij das GdQ und das Oxid des Sn im Material gleichmäßig verteilt sind und daß das Oxid des Metalls aus der Gruppe HA des periodischen Systems der Elemente,

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Yt, des Mischmetalls oder Hi schlingen der Oxide dieser Metalle sich an den Korngrenzen des GdO und des Oxids des Sn befinden.
6. Eontakt nach einem der Ansprüche Λ bis b> dadurch g e Ic. e η η ζ e i c h η e t, daß die gemischten Oxide des Cd, on und des Zusatzmetalls, eine mittlere i'artikelgröße von höchstens etwa 3 Mikrometer besitzen.
y. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e η nz e i ohne t, daß eine Sclmelze gebildet wird, welche Ag, Cd, Sn und ein Metall aus der GruO"ce TiL des periodischen Systems der Elemente, der Metall der seltenen - Erden, Tt, Mischmetall oder Mischungen dieser Metalle enthält, daß -die Schmelze in eine !B'orm überführt wird und daß die geformte Schmelze zur "überführung des Gd, Sn und des Metallzusatzes in deren Oxide einer selektiven inneren Oxidation unterworfen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7j dadurch g e k e η η-zeichnet, daß die selektive innere Oxidation dadurch durchgeführt .wird, daß das Cd, Sn und der Metallzusatz in einer sauerstoffreichen Atmosphäre erhitzt v/erden, um sie in ein Sauerstoff enthaltendes Reaktionsprodukt zu überführen.

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