DE1139281B

DE1139281B - Verbundwerkstoff fuer elektrische Kontakte

Info

Publication number: DE1139281B
Application number: DED18230A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Leonhard
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1954-07-14
Filing date: 1954-07-14
Publication date: 1962-11-08

Description

Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die in der Elektrotechnik verwendeten Kontaktwerkstoffe müssen im allgemeinen, um den technischen Anforderungen zu genügen, eine Vielzahl von Eigenschaften aufweisen, die oft nur durch Kombinieren verschiedener Metalle oder Legierungen verwirklicht werden können. Einerseits wird von solchen Werkstoffen eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit gefordert, verbunden mit einer möglichst geringen Stoffveränderung, die im Betrieb durch Abbrand, Verzunderung, Stoffwanderung oder chemische Umwandlungen herbeigeführt wird. Andererseits sollen die Metalle oder Legierungen an der Schaltstelle geringe elektrische Übergangswiderstände und eine geringe Schweißneigung aufweisen, dabei aber leicht bearbeitbar und verformbar sein. Aus diesen Gründen hat man bisher im wesentlichen Edelmetalle und Edelmetallegierungen für Kontaktwerkstoffe verwendet, nachdem die an sich wohlfeileren Unedelmetalle die Ansprüche in chemischer Hinsicht meist nicht in ausreichendem Maße erfüllen. Obwohl die Edelmetalle sich schalttechnisch vorwiegend ausgezeichnet verhalten, steht jedoch ihr hoher Herstellungspreis und der unvermeidliche Verschleiß in vielen Fällen ihrer breiten Einführung entgegen. Vom Standpunkt der Leitfähigkeit aus sind Kupfer und Silber besonders geeignet, doch macht sich auch bei diesen Metallen die Oxydationsneigung des Kupfers und eine starke Schweißneigung des Silbers unter Umständen nachteilig bemerkbar.
Man hat bereits versucht, dem Silber und anderen Edelmetallwerkstoffen durch Zulegieren von oxydbildenden Metallen die starke Neigung zum Verschweißen zu nehmen, ohne daß dadurch, vor allem im Hinblick auf die Verschlechterung der Leitfähigkeit durch die gebildeten Oxyde, alle gestellten Ansprüche restlos erfüllt werden konnten.
Aus denselben Gründen kann auch ein vorbeschriebener Werkstoff aus Silber mit bis zu 20 °/o Bleioxyd keine gute Lösung des Problems sein. Schließlich sind Werkstoffe aus Platinmetallen mit Oxydanteilen wie A1203, Ca0, Zr02 und andere mehr für Katalysatorzwecke vorgeschlagen worden. Der nichtleitende Oxydanteil solcher Werkstoffe führt jedoch auch in diesem . Fall zu einer unzuträglichen Verschlechterung der Leitfähigkeit, so daß die Verwendung als Kontaktmaterial nicht in Frage kommt.
Weitere Verbundwerkstoffe sind aus Edelmetallen und metallisch leitenden Karbiden, Boriden und Silizi- ; den erzeugt worden, bei denen vor allem von der hohen Härte der Zusätze Gebrauch gemacht wurde. Die verhältnismäßig hohe Sauerstoffaffinität der Zusatzkomponenten führt jedoch unter bestimmten Bedingungen zu einem verhältnismäßig hohen Abbrand, der die Eigenschaften und Leistungen des Kontaktwerkstoffes mit der Zeit verändert.
Auch Kontaktwerkstoffe aus Edelmetall und Oxyden, die gegen Sauerstoff unempfindlich sind und die Gefahr der Verschweißung vermeiden, sind bereits in Gebrauch. Benutzt man solche Kontaktwerkstoffe, z. B. auf Basis Silber, jedoch für die Schaltung geringer Leistungen, so treten störende Übergangswiderstände auf, die dem mengenmäßigen Zusatz oxydischer Komponente gewisse Grenzen setzen.
Es wurde nun gefunden, daß man zu hervorragenden Werkstoffkombinationen, die die vorerwähnten Nachteile nicht zeigen, dann gelangt, wenn der Verbundwerkstoff als oxydische Komponente solche Metalloxyde enthält, die elektronenleitend sind und damit Halbleitereigenschaften zeigen, d. h. also nichtstöchiometrisch zusammengesetzt sind. Es ist jedoch wesentlich, daß diese halbleitenden Oxyde im Laufe des Betriebes ihre Leitfähigkeit nicht verändern.
Daher ist es ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, durch Einbau mindestens eines Oxydes eines anderwertigen Metalls die Halbleitereigenschaften der als Hauptbestandteil des Verbundwerkstoffes verwendeten Oxyde durch sogenannte gelenkte Valenzen konstant einzustellen, d. h. die Halbleiteroxyde zu stabilisieren. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Leitfähigkeit der so hergestellten oxydischen Komponenten bis zu hohen Temperaturen, wie sie beim Schaltvorgang kurzzeitig und lokal auftreten können, unverändert bleibt.
In den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen kann der Anteil der oxydischen Komponenten in weiten Grenzen schwanken. Der Verbundwerkstoff enthält neben einem Gehalt von insgesamt l bis 60 % an einem oder mehreren halbleitenden Metalloxyden noch zu jedem der halbleitenden Metalloxyde als Zusatz je ein stabilisierendes Oxyd eines Metalls anderer Wertigkeit in Mengen von 2 bis 50 % der Menge des jeweiligen halbleitenden Metalloxydes.
Im Hinblick auf die gewünschte Herabsetzung der Verschweißneigung wird man im allgemeinen höhere Zusätze in den obenerwähnten Grenzen wählen, wobei bezüglich der Leitfähigkeit bzw. des Übergangswiderstandes auch bei niedrigen Schaltleistungen und der Verschweißneigung sowie des Abbrandes die besten Ergebnisse mit einem Gehalt an halbleitenden Oxyden in der Größenordnung von 8 bis 30 % erzielt werden.
Wird als halbleitendes Oxyd ein Elektronenüberschußleiter verwendet, dann ist es zweckmäßig, daß das stabilisierende Oxyd sich von einem Metall ableitet; dessen Wertigkeit niedriger ist als diejenige des das Halbleiteroxyd bildenden Metalls: Wird als halbleitendes Oxyd ein Elektronendefektleiter verwendet, dann ist es vorteilhaft, daß sich das stabilisierende Oxyd von einem Metall ableitet, dessen Wertigkeit höher ist, als diejenige des das Halbleiteroxyd bildenden Metalls.
Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die oxydische Komponente außer den elektronenleitenden Oxyden Oxydgemisehe aus Oxyden mit einer ausgeprägten Ionenleitfähigkeit enthalten, z. B. Mischungen aus Zirkoniumoxyd mit Yttriumoxyd oder Zirkoniumoxyd mit Ceroxyd.
Als Edelmetallkomponente für die neuen Verbundwerkstoffe haben sich insbesondere Silber oder Silberlegierungen bewährt.
Wie schon erwähnt, ergibt die Verwendung von Kontaktwerkstoffen aus Silber oder anderen Edelmetallen mit leitfähigen und stabilisierenden Oxyden, z. B. mit Zinndioxyd und 3 % Antimonoxyd oder mit Nickeloxyd und 10% Lithiumoxyd oder mit Chromoxyd und 2,5% Nickeloxyd, eine erhebliche Verbesserung der Eigenschaften unter praktisch allen Schaltbedingungen. Auch bei Zusatz höherer Anteile von Oxyden der genannten Art ist selbst bei Schaltungen niedriger Leistung der Übergangswiderstand ganz erheblich vermindert: Bei Schaltungen größerer Leistung ist kennzeichnend für die neuen Kontaktwerkstoffe vor allem die geringe Schweißneigung, die noch stärker hervortritt, wenn als halbleitende Oxyde solche mit geringem Dampfdruck bzw. mit geringem Partialdruck der Zerfallkomponenten gewählt werden. In dieser Beziehung haben sich besonders Nickeloxyd und Chromoxyd als Halbleiter außerordentlich bewährt, da sie Verbundwerkstoffe geben, die auch bei höchsten Belastungen als beständig und abbrandfest gelten können. Verbundwerkstoffe mit den vorgenannten Komponenten verändern ihre Leitfähigkeit auch bei höheren thermischen Beanspruchungen, wie sie an den Fußpunkten eines beim Schaltvorgang gebildeten Lichtbogens auftreten können, nicht wesentlich.
Die Herstellung der neuen Verbundwerkstoffe läßt sich nach den bekannten Arbeitsmethoden der Pulvermetallurgie leicht durchführen. Man verfährt dabei in vielen Fällen mit Vorteil so, daß der oxydische Anteil zunächst für sich zu einem porösen Formkörper verarbeitet wird; der gegebenenfalls durch einen Sintervorgang verfestigt werden kann. Dieser poröse Formkörper wird dann, in an sich bekannter Weise, mit der metallischen Komponente in schmelzflüssiger Form unter Ausfüllung der Poren getränkt, so daß eine homogene Verteilung der beiden Komponenten ineinander leicht verwirklicht werden kann.
Man kann jedoch auch so verfahren, daß an Stelle der Oxyde die entsprechenden Metalle verwendet werden, indem man von einem Ausgangsmaterial ausgeht, das aus einer Mischung oder Legierung besteht, die auch die oxydierenden Elemente in metallischer Form enthält. Diese Mischungen oder Legierungen werden in üblicher Weise zum Halbzeug oder zum fertigen Kontakt verformt und dann einer Oxydation unter Bedingungen unterworfen, bei der die metallischen Anteile, soweit es sich nicht um Edelmetalle handelt, in die gewünschten Oxyde übergehen. Beispielsweise kann man zur Gewinnung eines Verbundwerkstoffes aus Silbermit Nickeloxyd undLithiumoxyd von einer Legierung aus 85 % Silber, 12,5 0/0 Nickel und 2,5 % Lithium ausgehen, die, um eine Verdampfung des Lithiums zu vermeiden, unter Druck erschmolzen wird. Aus der erstarrten Legierung werden die Kontakte in ihrer endgültigen Form @ nach den üblichen Bearbeitungsmethoden hergestellt und dann durch eine TemperunginSauerstoffatmosphäreNickelundLithium in Oxyde übergeführt. Gerade bei Verbundwerkstoffen, die Erdalkali- oder Alkalioxyde als stabilisierende Komponente enthalten, hat sich dieses Verfahren außerordentlich bewährt, da die oxydischen Bestandteile in feindisperser Verteilung anfallen und optimale Leitfähigkeiten ohne mechanische Nacharbeitung erzielt werden. Man kann dabei auch so verfahren, daß die Oxydation nur partiell erfolgt, indem z. B. bei Kontaktnieten nur der Nietkopf oxydiert wird und dabei eine erhebliche Steigerung der Kontakteigenschaften erfährt, während der Schaft des Nietes rein metallisch und somit duktil bleibt. Bei dieser Arbeitsweise ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß der später als Oxyd auftretende Bestandteil erheblich höher gewählt werden kann als bei Verbundwerkstoffen, in die das Oxyd als solches von vornherein eingeführt ist und die dann zur Verformung noch spanlos bearbeitet werden müssen.

Als Beispiele für die neuartigen Verbundwerkstoffe für Kontaktzwecke seien folgende Zusammensetzungen genannt:

1. Silber .......................... 80%

Nickeloxyd ..................... 1501,

Lithiumoxyd .................... 501,

2. Palladium ...................... 400/0

Silber .......................... 30%

Kupfer ... ..................... 10%

Nickeloxyd ... . .... . ............ 151110

Lithiumoxyd .................... 5010

3. Silber .......................... 50010

Palladium ...................... 200/0

Nickeloxyd ..................... I0()/,

Lithiumoxyd .................... 501,

Zirkoniumoxyd .................. 7,50/0

Yttriumoxyd .................... 7,50/0

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte aus Edelmetallen oder Edelmetallegierungen und Metalloxyden, dadurch gekennzeichnet, daß er neben einem Gehalt von insgesamt 1 bis 60"/, an einem oder mehreren halbleitenden Metalloxyden noch zu jedem der halbleitenden Metalloxyde als Zusatz je ein stabilisierendes Oxyd eines Metalls anderer Wertigkeit in Mengen von 2 bis zu 5001, der Menge des jeweiligen halbleitenden Metalloxydes enthält.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitendes Oxyd ein Elektronenüberschußleiter verwendet ist und das stabilisierende Oxyd sich von einem Metall ableitet, dessen Wertigkeit niedriger ist als diejenige des das Halbleiteroxyd bildenden Metalls.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitendes Oxyd ein Elektronendefektleiter verwendet ist und das stabilisierende Oxyd sich von einem Metall ableitet, dessen Wertigkeit höher ist, als diejenige des das Halbleiteroxyd bildenden Metalls.
4. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 8 bis 30 °/o eines halbleitenden Oxydes.
5. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz an stabilisierendem Oxyd 2 bis 30 °/o der Menge des halbleitenden Oxydes beträgt.
6. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er neben den halbleitenden und stabilisierenden Oxyden zusätzlich noch Oxydgemische aus Oxyden mit einer ausgeprägten Ionenleitfähigkeit enthält.
7. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 6, insbesondere aus Silber oder Silberlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß er Zinnoxyd als halbleitendes und Antimonoxyd als stabilisierendes Oxyd enthält. B.
Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 6, insbesondere aus Silber oder Silberlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß er Chromoxyd als halbleitendes und Nickeloxyd als stabilisierendes Oxyd enthält.
9. Verbundwerkstoff nach Ansprüchen 1 bis 6, insbesondere aus Silber oder Silberlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß er Nickeloxyd als halbleitendes und Lithiumoxyd als stabilisierendes System enthält.
10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydischen Anteile zunächst zu einem porösen Gerüst verformt werden und dieses, gegebenenfalls nach Verfestigung durch Sintern mit der geschmolzenen metallischen Komponente getränkt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Metallgemische oder Metallegierungen dienen, die die oxydbildenden Metalle enthalten und daß diese erst nach beendeter Formgebung in die entsprechenden Oxyde übergeführt werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 649 958, 838 067; österreichische Patentschrift Nr. 173 559.