EP0795367A1 - Gesinterter Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0795367A1 EP97101342A EP97101342A EP0795367A1 EP 0795367 A1 EP0795367 A1 EP 0795367A1 EP 97101342 A EP97101342 A EP 97101342A EP 97101342 A EP97101342 A EP 97101342A EP 0795367 A1 EP0795367 A1 EP 0795367A1
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Definitions

  • the invention relates to a sintered silver-iron material with 0.5 to 20% by weight of iron and 0 to 5% by weight of other metallic, oxidic, nitridic and / or carbidic additives, the rest silver, for electrical contacts and a method for the production of this material.
  • DE-AS 11-53-178 discloses silver contact materials which, in addition to silver and the component to be oxidized, range from 0.001 to 1%. Nickel, iron, molybdenum, cobalt, chromium, titanium and / or Contain vanadium.
  • DE-AS 11 06 965 describes a process for producing densely sintered shaped bodies made of silver with 5 to 50% of at least one of the metals vanadium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, iron, cobalt or nickel, which can also serve as contact material.
  • silver-iron materials have so far not been used more widely because they tend to form cover layers when switching and thus lead to high contact heating. None of these materials achieve the favorable properties of the silver-nickel sintered materials.
  • the iron particles in the sintered material have a carbon content of more than 0.25% by weight and a microhardness of more than 200 HV 0.025.
  • the iron particles should preferably have a carbon content of more than 0.4% by weight and a microhardness of more than 400 HV 0.025.
  • Silver-iron materials in which the iron particles in the sintered state have a carbon content of 0.6 to 1.2% by weight and a microhardness of more than 600 HV 0.025, have proven best.
  • These materials are manufactured by mixing silver powder with 0.5 to 20% by weight iron powder and 0 to 5% by weight other metallic, oxidic, nitridic and / or carbidic additives, cold isostatic pressing, sintering at 650 to 940 ° C under protective gas and extrusion, using an iron powder which contains more than 0.25% by weight of carbon, and the sintering must take place in a hydrogen-free protective gas atmosphere.
  • the silver-iron material according to the invention shows practically the same behavior as silver-nickel materials with regard to the service life and the other properties.
  • the silver-iron materials can contain 0 to 5% by weight of metallic additives such as zinc, copper, manganese, rhenium, iridium and ruthenium, or non-metallic additives such as tungsten oxide, molybdenum oxide, iron oxides, magnesium oxide, calcium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, manganese oxide, Zinc oxide, aluminum oxide, indium oxide, silicon oxide and zirconium oxide can be added.
  • metallic additives such as zinc, copper, manganese, rhenium, iridium and ruthenium
  • non-metallic additives such as tungsten oxide, molybdenum oxide, iron oxides, magnesium oxide, calcium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide, chromium oxide, manganese oxide, Zinc oxide, aluminum oxide, indium oxide, silicon oxide and zirconium oxide can be added.
  • the materials according to the invention can also be processed better.
  • the reason for this is that the iron is distributed significantly more finely within the silver matrix during extrusion and that the iron does not deform into elongated iron lines due to the brittleness, as in the known silver-iron materials.
  • the materials can be manufactured economically and are comparable in their switching properties to the silver-nickel material, in particular the overtemperature and service life show values that silver-nickel materials also achieve.
  • AgNi20 90 110,000 2nd AgFe8.5Zn1.5 116 95,000 3rd AgFe8 130 95,000 4th AgFe8Re5 95 90,000 5 AgFe6MgO0.5 95 90,000 6 AgFe8.5Zn1.5 110 110,000 7 AgFe6 110 110,000 8th AgFe6Re0.5 80 100,000 9 AgFe4MgO0.5 80 105,000 10th AgFe4 80 100,000 11 AgFe10 120 125,000 12th AgFe8Al2O30.5 95 110,000 13 AgFe8SnO20.5 90 110,000 14 AgFe8SiO20.5 90 115,000 15 AgFe8Ir0.5 95 125,000 16 AgFe8Ru0.5 90 115,000
  • the wires can always be easily processed into contact pieces.

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Abstract

Gesinterte Silber-Eisenwerkstoffe für elektrisch Kontakte, die in ihren Eigenschaften mit Silber-Nickel-Werkstoffen vergleichbar sind, erhält man, wenn man Eisenpulver mit mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff und Mikrohärten von mehr als 200 HV 0,025 einsetzt und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre durchführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen gesinterten Silber-Eisen-Werkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisen und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte und ein Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffs.
  • Kontaktwerkstoffe für den Einsatz in der elektrischen Energietechnik müssen eine hohe Abbrandfestigkeit, geringe Verschweißkraft und niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen. Für luftoffene Schaltgeräte in der Niederspannungstechnik hat sich für Schaltströme von kleiner als 100A der Verbundwerkstoff Silber-Nickel bewährt. Er besitzt eine hohe Abbrandfestigkeit bei sehr gutem Übertemperaturverhalten. Ein Nachteil des Werkstoffes liegt jedoch darin, daß Nickel, insbesondere in Form von Stäuben, schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben kann. Als Alternative zu Nickel ist daher verschiedentlich Eisen vorgeschlagen worden.
  • Aus der japanischen Patentanmeldung 79/148109 sind elektrische Kontaktwerkstoffe bekannt, die neben Silber noch Eisen, Nickel, Chrom und/oder Kobalt enthalten. Besonders Werkstoffe der Zusammensetzung AgFe10 zeigen einen hohen Verschleißwiderstand bei noch guter elektrischer Leitfähigkeit.
  • Auch in der Zeitschrift
    Figure imgb0001
    Material & Methods Bd 44, No. 3, Sept. 56, Seite 121-126" werden Silber-Eisen-Werkstoffe für spezielle Kontaktanwendungen beschrieben. Aus der DE-AS 11-53-178 sind Silber-Kontaktwerkstoffe bekannt, die neben Silber und dem zu oxidierenden Bestandteil 0,001 bis 1 % Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt, Chrom, Titan und/oder Vanadium enthalten. Die DE-AS 11 06 965 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung dichtgesinterter Formkörper aus Silber mit 5 bis 50 % mindestens eines der Metalle Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Kobalt oder Nickel, die auch als Kontaktmaterial dienen können.
  • Silber-Eisen-Werkstoffe fanden bisher jedoch keine breitere Anwendung, da sie beim Schalten zur Bildung von Deckschichten neigen und damit zu hohen Kontakterwärmungen führen. Keiner dieser Werkstoffe erreicht die günstigen Eigenschaften der Silber-Nickel-Sinterwerkstoffe.
  • Bei allen bekannten Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte werden handelsübliche Eisenpulver eingesetzt, die Kohlenstoffgehalte von weniger als 0,05 Gew.% aufweisen und daher relativ weich sind. Gesintert wird üblicherweise in wasserstoffhaltigen Atmosphären, insbesondere in Stickstoff-Wasserstoffgemischen.
  • Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gesinterten Silber-Eisen-Werkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisen und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte zu entwickeln, der eine geringe Verschweißneigung, einen geringen Kontaktwiderstand und eine hohe Abbrandfestigkeit und damit hohe Lebensdauer aufweist, und mit diesen Eigenschaften den bekannten Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffen möglichst nahe kommt. Außerdem sollte ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkstoffe entwickelt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Eisenteilchen im gesinterten Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025 aufweisen.
  • Vorzugsweise sollen die Eisenteilchen einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,4 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 400 HV 0,025 besitzen.
  • Am besten bewährt haben sich Silber-Eisen-Werkstoffe, bei denen die Eisenteilchen im gesinterten Zustand einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 1,2 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 600 HV 0,025 aufweisen.
  • Die Herstellung dieser Werkstoffe erfolgt durch Mischen von Silberpulver mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisenpulver und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, kaltisostatischem Pressen, Sintern bei 650 bis 940°C unter Schutzgas und Strangpressen, wobei ein Eisenpulver eingesetzt wird, das mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff enthält, und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre erfolgen muß.
  • Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß man beim Einsatz eines Eisenpulvers, das im Ausgangszustand und auch nach dem Sintern mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff, vorzugsweise zwischen 0,6 bis 1,2 Gew.% Kohlenstoff enthält, und dadurch eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025, vorzugsweise mehr als 600 HV 0,025 aufweist, ein Werkstoff erhalten wird, der im praktischen Einsatz eine deutliche Verbesserung im Übertemperaturverhalten bringt. Um den Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.% und damit die gewünschte Mikrohärte im gesinterten Zustand beizubehalten, muß das Sintern des Werkstoffs in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre erfolgen. Dadurch wird gewährleistet, daß der Kohlenstoffgehalt des Eisenpulvers während des Sinterns nicht verringert wird.
  • Der erfindungsgemäße Silber-Eisen-Werkstoff zeigt hinsichtlich der Lebensdauer und der sonstigen Eigenschaften praktisch das gleiche Verhalten wie Silber-Nickel-Werkstoffe.
  • Den Silber-Eisenwerkstoffen können 0 bis 5 Gew.% metallische Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, oder nichtmetallische Zusätze, wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid zugesetzt werden.
  • Überraschenderweise lassen sich die erfindungsgemäßen Werkstoffe auch besser verarbeiten. Die Ursache liegt darin, daß das Eisen während des Strangpressens innerhalb der Silbermatrix deutlich feiner verteilt wird und daß sich das Eisen aufgrund der Sprödigkeit nicht zu langgestreckten Eisenzeilen verformt, wie in den bekannten Silber-Eisen-Werkstoffen. Die Werkstoffe lassen sich wirtschaftlich herstellen und sind in allen Schalteigenschaften mit dem Silber-Nickel-Werkstoff vergleichbar, insbesondere die Übertemperatur und Lebensdauer zeigen Werte, die auch Silber-Nickel-Werkstoffe erzielen.
  • Dies wurde durch elektrische Schaltversuche in serienmäßigen Schützen nachgewiesen. Die Versuche wurden mit 5,5 KW unter den Schaltbedingungen AC4 nach DIN VDE 0660 durchgeführt. Die Übertemperaturmessung erfolgte an den Kontaktbrücken bei einer Strombelastung von 20 A nach jeweils 20.000 Schaltungen. Die Werkstoffe und die Ergebnisse der mit diesen Werkstoffen durchgeführten Schaltversuche nach einer Gesamtschaltbelastung von 60.000 Schaltspielen sind in folgender Tabelle enthalten und zeigen die Verbesserung der erfindungsgemäßen Werkstoffe 6 bis 16 hinsichtlich der Kontakterwärmung gegenüber den bekannten Werkstoffen AgNi20 und AgFe9,5Zn1,5(Werkstoff 1 und 2) und Werkstoffen mit konventionellen Eisenpulvern (3 bis 5), die weniger als 0,1 Gew.% Kohlenstoff enthalten.
    Nr. Werkstoff Mittlere Übertemperatur in K Lebensdauer
    1 AgNi20 90 110.000
    2 AgFe8,5Zn1,5 116 95.000
    3 AgFe8 130 95.000
    4 AgFe8Re5 95 90.000
    5 AgFe6MgO0,5 95 90.000
    6 AgFe8,5Zn1,5 110 110.000
    7 AgFe6 110 110.000
    8 AgFe6Re0,5 80 100.000
    9 AgFe4MgO0,5 80 105.000
    10 AgFe4 80 100.000
    11 AgFe10 120 125.000
    12 AgFe8Al2O30,5 95 110.000
    13 AgFe8SnO20,5 90 110.000
    14 AgFe8SiO20,5 90 115.000
    15 AgFe8Ir0,5 95 125.000
    16 AgFe8Ru0,5 90 115.000
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe ist in den nachstehenden Beispielen dargestellt. Dabei wird stets ein Eisenpulver eingesetzt, das etwa 0,9 Gew.% Kohlenstoff enthält und eine Härte von etwa 800 HV 0,025 aufweist.
    • 1. 80 g Eisenpulver wird mit 920 g Silberpulver gemischt. Die Mischung wird kaltisostatisch gepreßt zu einem Strangpreßbolzen. Dieser wird unter wasserstofffreiem Stickstoff bei 850°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wird durch Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt.
    • 2. 80 g Eisenpulver und 5 g Rheniumpulver werden mit 915 g Silberpulver gemischt. Die Mischung wird kaltisostatisch gepreßt zu einem Strangpreßbolzen. Dieser wird unter wasserstofffreiem Stickstoff bei 850°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wird durch Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt.
  • Die Drähte lassen sich stets gut zu Kontaktstücken weiterverarbeiten.

Claims (4)

  1. Gesinterter Silber-Eisenwerkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisen und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Eisenteilchen im gesinterten Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025 aufweisen.
  2. Silber-Eisenwerkstoff nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Eisenteilchen im Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,4 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 400 HV 0,025 besitzen.
  3. Silber-Eisenwerkstoff nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Eisenteilchen im Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 1,2 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 600 HV 0,025 aufweisen.
  4. Verfahren zur Herstellung von Silber-Eisenwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 3, durch Mischen von Silberpulver mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisenpulver und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, kaltisostatischem Pressen, Sintern bei 650 bis 940°C und Strangpressen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Eisenpulver mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff enthält und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird.
EP97101342A 1996-02-27 1997-01-29 Gesinterter Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung Expired - Lifetime EP0795367B1 (de)

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