DE1270196B - Verwendung von Titancarbid fuer einen elektrischen Kontakt und damit hergestellter Kontakt - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES VWWW> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIh

Deutsche Kl.: 21g-32

1270 196
P 12 70 196.1-33
5. August 1963
12. Juni 1968

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontakt und einen Werkstoff, insbesondere einen Kontakt für Leistungsschalter.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Kontakts, der eine gute elektrische Leitfähigkeit, einen geringen Kontaktwiderstand und einen hohen Stromdurchgang aufweist. Er soll ferner bei wiederholter Betätigung unter Last möglichst geringe Beschädigung wie Verschweißen oder Kontaktwanderung aufweisen, geringe Funkenbildung zeigen, hohe Kurzschlußfestigkeit besitzen und mittels Pulvermetallurgie leicht herstellbar sein.

Es ist bekannt, daß Kontaktwerkstoffe, die Titancarbid neben einem oder mehreren niedriger schmelzenden und weicheren Metallen (z.B. Silber oder Kupfer) enthalten, ausgezeichnete Kontakteigenschaften besitzen. Bei der Herstellung derartiger Kontakte traten aber bisher große Schwierigkeiten auf, die nicht überwunden werden konnten. Es konnte nämlich keine ausreichende Benetzung und damit keine innige Tränkung des Titancarbids mit dem als Bindemittel dienenden Silber bzw. Kupfer erzielt werden. Dadurch haben die auf diesem Weg hergestellten Kontakte beispielsweise in Leistungsschaltern nicht zufriedenstellend und zuverlässig genug funktioniert.

Titäncarbid enthält stöchiometrisch 20,05% gebundenen Kohlenstoff. Bisher war das Hauptbestreben darauf gerichtet, dieses Carbid so herzustellen, daß der Gehalt an gebundenem Kohlenstoff möglichst hoch und derjenige an freiem Kohlenstoff möglichst gering ist. Diese Bestrebungen haben dazu geführt, daß handelsübliches Titäncarbid mindestens 19% gebundenen Kohlenstoff enthält. Auch für die Versuche zur Herstellung elektrischer Kontakte wurde bisher stets dieses handelsübliche Titäncarbid verwendet.

Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß gerade das Streben nach hoher Reinheit des Titancarbids für die schlechten Ergebnisse bei der Tränkung eines Sinterkörpers aus Titäncarbid mit Silber oder Kupfer verantwortlich ist. Bei reinem Titäncarbid beträgt nämlich der Benetzungswinkel für Silber etwa 108°. Benetzungswinkel über 90° machen aber eine Benetzung fast unmöglich.

Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß die Benetzbarkeit von Titäncarbid mit Silber oder Kupfer entscheidend verbessert werden kann, wenn der Anteil des gebundenen Kohlenstoffs in einem ganz bestimmten Bereich unterhalb des theoretischen Wertes liegt. Dabei hat sich gezeigt, daß ein höherer Anteil von freiem Kohlenstoff als bisher üblich die Tränkung mit Silber oder Kupfer nicht erschwert und Verwendung von Titäncarbid für einen
elektrischen Kontakt und damit hergestellter
Kontakt

Anmelder:

Stackpole Carbon Company,
St. Marys, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

8000 München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

John Carroll Kosco, St. Marys, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. August 1962 (215 514)

die Kontakteigenschaften nicht verschlechtert, solange dieser Anteil nicht wesentlich mehr als 3% beträgt.

Demgemäß besteht die Erfindung in der Verwendung von Titäncarbid mit einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von etwa 15,5 bis 18,5% und einem Gehalt an freiem Kohlenstoff von etwa 0,3 bis 3% als Skelett für einen elektrischen Kontakt mit Silber oder Kupfer als Bindemittel.

Der Anteil des Bindemittels beträgt bei den erfindungsgemäß hergestellten Kontakten etwa 45 bis 78%. Besonders gute Ergebnisse wurden bei einem Silberanteil von etwa 70% erzielt.
Das erfindungsgemäß verwendete, nichtstöchiomeirische Titäncarbid kann nach verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt werden. Hierzu gehören die Reaktion von Titandioxyd (TiO₂) mit Ruß, die Reaktion eines Titancarbids mit höherem Kohlenstoffgehalt mit Titandioxyd oder die Reaktion von Titan (Ti), Kohlenstoff (C) und Titandioxyd unter Schutzgas, wobei die Reaktionsteilnehmer in demjenigen Verhältnis anwesend sind, das die gewünschte Zusammensetzung liefert. Vorzugsweise wird im Handel erhältliches Titäncarbid mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 19% oder mehr in reduzierender Umgebung bei einer Temperatur von 1600° C oder mehr mit Titandioxyd zur Reaktion gebracht. Das Verhält-

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Claims (2)

nis von Carbid zu Oxyd beträgt hierbei etwa 10:3 bis 10:6. Zur Prüfung der erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffe wurde ein wie soeben beschrieben hergestelltes Titancarbid mit zwei handelsüblichen Titancarbiden verglichen. Das eine war nach dem Hochtemperaturofenprozeß und das andere nach dem Menstruumprozeß hergestellt. Beide haben die oben angegebene typische Zusammensetzung. Jedes Carbid wurde mit einem flüchtigen Bindemittel vermischt und dann verpreßt. Auf die Preßlinge wurden Silberstücke aufgelegt und dann alle Prüfkörper 1 Minute lang in Wasserstoff bei 1550° C erhitzt. Der mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellte Preßling wurde leicht Zur Prüfung der Kontakteigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffes wurden Vergleichsversuche mit einem handelsüblichen Trennschalter durchgeführt. Dieser war einmal mit den normalen Silber-Wolfram-Kontakten für eine Nennleistung von 20 Ampere und 120/240 Volt Wechselstrom und einmal mit erfindungsgemäßen Kontakten für eineNennleistung von 30 Ampere und 120/240 Volt Wechselstrom ausgerüstet. Der Kontakt bestand hierbei aus 70 % Silber und 30 % Titancarbid mit einem Kohlenstoffgehalt im oben angegebenen Bereich sowie Spuren anderer Elemente. Nach Durchführung eines Kurzschlußversuches war der Kontaktwiderstand bei den erfindungsgemä- und völlig mit Silber getränkt, während die von den 15 ßen Kontakten merklich geringer als bei den bekannbeiden handelsüblichen Carbiden herrührenden Preß- ten Silber-Wolfram-Kontakten. Ferner wurde gefunlinge kaum oder gar nicht benetzt wurden und bei den, daß die erfindungsgemäßen Kontakte ein sehr ihnen die Tränkung nicht für eine Verwendung als befriedigendes dielektrisches Verhalten zeigen. Dieses elektrische Kontaktwerkstoffe ausreichte. wird nach den USA.-Prüfbestimmungen danach be- Das Herstellungsverfallren der Pulvermetallurgie 20 stimmt, ob der Schalter nach einer Kurzschlußbelaist allgemein bekannt, und es wird nachstehend nur stung noch eine Spannung von 1480VoIt in geöffneter ein Beispiel zur Erläuterung beschrieben, ohne daß Stellung aushält, ohne daß ein Strom fließt. Bei Ausdie angegebenen Werte eine Beschränkung darstellen rüstung mit den normalen Silber-Wolfram-Kontakten sollen. ergab sich bei einem Versuch ein dielektrischer Durch- Das Ausgangsmaterial, hier Titancarbid der ange- 35 schlag unterhalb der vorgeschriebenen Grenze von gebenen Zusammensetzung, wird in feinverteilter 1480 Volt und bei einem zweiten Versuch bei 1600 Form angeliefert und soll so feinkörnig sein, daß es Volt. Diese Kontakte erfüllten also die Sicherheitsmindestens durch ein 100-Maschen-Sieb, Vorzugs- bestimmungen nicht. Im Gegensatz dazu widerstanweise aber durch ein 325-Maschen-Sieb nach Tyler den bei zwei Versuchen die erfindungsgemäßen Konhindurchgeht. Die Bestandteile werden gründlich 30 takte Spannungen von 2300 und 2500 Volt während durchmischt, und es wird ein organisches Bindemittel einer Minute ohne Durchschlag. Diese Eigenschaft zugesetzt, das sich während des Sinterns zersetzt. Die der erfindungsgemäßen Kontakte ist von großer BeBindemittel werden erst in einem flüchtigen Lösungs- deutung. Auch zeigten die Versuche, daß nach der mitel aufgelöst, und dann wird die Lösung dem Pul- Kurzschlußprüfung die erfindungsgemäßen Kontakte ver zugesetzt. Als Bindemittel kann beispielsweise 35 wesentlich weniger Materialverlust als diejenigen aus Polyäthylen dienen. Silber und Wolfram zeigten. Vor dem Verpressen wird das Lösungsmittel vor- Beim Kurzschluß eines Ausschalters mit Silberzugsweise abgedampft, woraufhin der Preßvorgang Wolfram-Kontakten unter einer Spannung von 220 bei Zimmertemperatur erfolgen kann. Dann werden Volt war eine völlige Zerstörung der Kontakte zu die Preßlinge in neutraler oder reduzierender Umge- 40 verzeichnen, während die erfindungsgemäßen Konbung gesintert. Am besten wird eine Vorsinterung in takte nach drei Kurzschlüssen bei 240 Volt noch Wasserstoff unterhalb der endgültigen Sintertempe- brauchbar waren. Der erfindungsgemäße Kontaktratur durchgeführt. Schließlich wird Silber auf den werkstoff ist der einzige dem Erfinder bekannte, der Preßling aufgebracht und eine Tränkung bei einer diesen Versuch ohne völlige Zerstörung überlebte. Temperatur oberhalb des Silberschmelzpunktes in 45 Ferner hat sich gezeigt, daß bei den erfindungsi i p p nichtoxydierender Atmosphäre durchgeführt. Der angewandte Preßdruck hängt von der Teilchengröße, dem gewünschten Porenvolumen der Preßlinge, der Zusammensetzung u. dgl. ab. In vielen Fällen kann ein Preßdruck von etwa 1400 bis 6000 kg/cm2 angewandt werden. Aber auch Preßdrücke von nur etwa 350 kg/cm2 sind anwendbar, weil dann die Preßlinge ein größeres Porenvolumen als bei höheren Preßdrücken haben, ohne daß die Schrumpfung beim Sintern allzu groß wird, weshalb größere Silbermengen aufgenommen werden können. Die Sinter- und Tränktemperaturen hängen ebenfalls weitgehend von der Zusammensetzung ab. Die Sintertemperatur ist im allgemeinen höher als die Tränktemperatur und wird beispielsweise für 10 Minuten angewandt. Das Vorsintern geschieht z. B. bei 1000° C. Das Tränken mit Silber geht in wenigen Minuten unter Wasserstoff bei einer Temperatur von etwa 1500 bis 1600° C vor sich. ' gemäßen Kontakten die Funkenbildung stark verringert ist, wodurch im Fall eines Kurzschlusses die Feuersgefahr herabgesetzt wird. i-atentansprucne:

1. Verwendung von Titancarbid mit einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff von etwa 15,5 bis 18,5 °/o und einem Gehalt an freiem Kohlenstoff von e.twa 0,3 bis 3 % als Skelett für einen elektrischen Kontakt mit Silber oder Kupfer als Bindemittel.

2. Nach Anspruch 1 hergestellter Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß der Silberanteil etwa 70 % beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 622 522; Kieffer und Schwarzkopf, »Hartstoffe und Hartmetalle« Springer Verlag, Wien, 1953, S. 63.

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