DE3224439A1

DE3224439A1 - Elektrisches kontakmaterial und hestellungsverfahren fuer ein solches

Info

Publication number: DE3224439A1
Application number: DE19823224439
Authority: DE
Inventors: Koji Settsu Osaka Tsuji; Shuji Kobe Hyogo Yamada
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1981-06-30
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1983-02-10
Also published as: DE3224439C2; FR2514548A1; US4502899A; FR2514548B1

Description

NACHQEREIOH)

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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktmaterial und das Herstellungsverfahren für ein derartiges Kontaktmaterial, insbesondere ein elektrisches Kontaktmaterial, WfelOires hauptsächlich Silber enthält.

Normalerweise werden elektrische Kontakte für verschiedenartige elektrische Einrichtungen und Geräte, wie beispiels weise elektromagnetische Kontakte, Relais usw., aus Silber-Cadmiumoxyd (AgCdO), Silber-Zinnoxyd (AgSnO2) und einer Silber-Nickel-Legierung (Ag-Ni) hergestellt. Es ist bekannt, daß Kontakte aus AgCdO oder AgSnOp weniger zum Schmelzen neigen und dazu noch eine geringere Abnutzung aufweisen, während das Kontaktmaterial aus Ag-Ni eine geringe Abnutzung und leichte Verarbeitbarkeit aufweist.

Trotzdem tritt bei Kontakten, welche aus den genannten Materialien gefertigt sind, beim Einsatz als Öffner das Problem auf, daß durch die elektromagnetische Kraft ein Lichtbogen während eines Kurzschlusses entsteht und der Lichtbogen durch das Gitter aufgetrennt wird, um den elektrischen Strom zu begrenzen. Mit anderen Worten: infolge des hohen elektrischen Stroms während des Kurzschlusses bildet sich ein Lichtbogen, dessen Beweglichkeit von der Art des Kontaktmaterials abhängt. Das Problem der genannten Kontaktmaterialien liegt darin, daß die Beweglichkeit des Lichtbogens niedrig ist, wodurch das Auftrennen des Stromkreises im Kurzschlußfall erschwert wird. Daraus -folgt, daß für diese Art von Unterbrecherkontakt die Zeit zwischen dem Auftreten des Lichtbogens und dessen Eintritt in das Gitter kurz sein muß.

Nach vielen Versuchen wurde herausgefunden, daß Kontaktmaterial, welches als Hauptbestandteil Silber enthält, mit im Silber fein verteiltem Lithiumoxyd einen bemerkenswerten Effekt in der Lichtbogencharakteristik aufweist.

C C

Die Dauer des Lichtbogens (Lichtbogenzeit) für die einzelnen Fälle, in denen verschiedene Oxyde im Silber ver teilt sind, ist in Tabelle 1 gezeigt. LiO₂ zeigt die besten Eigenschaften, gefolgt von ZnO, In₃ aus der Tabelle hervorgeht.

Bi₃O₃, wie

TABELLE 1

Kontaktmaterial	Lichtbogenzeit (ms)
AgLi₂O (Li 1,5%) AgZnO (Zn 3%) AgIn₃O₃ (In 3%) AgGeO (Ge 3%) AgBi₃O₃ (Bi 0,5%) AgSiO₂ (Si 2,5%) AgSnO (Sn 3%) AgMnO₂ (Mn 3%)	1,2 1,5 1,5 6,0 1,5 2,1 2,9 2,6

(Kurzschlußstrom: 5,2 kA)

Wenn das genannten AgLi 0 Kontaktmaterial hergestellt wird, wobei zuerst Silber und Lithium-Metall in einer Argon-Atmosphäre geschmolzen werden, dann durch einen weiteren Prozess die innere Oxydation durchgeführt wird, wobei das Material unter hoher Temperatur und mit Sauerstoff unter hohem Druck behandelt wird, werden die Lithium-Partikel grobkörnig, und derartige Partikel neigen dazu, an der Grenzschicht der Silberpartikel zu haften. Dies hat zur Folge, daß ein Kontakt aus derartigem Material mit dem Nachteil sowohl einer schlechten Schmelzals auch einer schlechten Äbnutzungscharakteristik behaftet ist.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Kontaktmaterial aufzuzeigen, welches die beschriebenen Mängel nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Kontaktmaterial Silber, Lithiumoxyd und ein weiteres Element aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxyd, Calciumoxyd, Magnesiumoxyd und Siliziumoxyd enthält.

Damit wird ein Kontaktmaterial geschaffen, welches verbesserte Schmelzeigenschaften und eine bessere Abnutzungscharakteristik aufweist, wobei das günstige Lichtbogenverhalten beibehalten wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in einem besonderen Herstellungsverfahren für ein derartiges Kontaktmaterial. Dabei wird die Lithium enthaltende Silberlegierung und ein weiteres Element aus einer Gruppe, bestehend aus Aluminium, Calcium, Magnesium und Silizium oxydiert durch innere Oxydation, wobei die entstehenden Oxyde im Silber verteilt sind. Auf diese Weise entsteht ein Kontaktmaterial, in welchem Lithiumoxyd und ein oder nicht weniger als zwei Arten von Oxyden aus einer Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Siliziumoxyd,

'25 Calciumoxyd, im Silber enthalten sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung.

Die Beschreibung beginnt zunächst mit der Silber-Legierung. Diese Silber-Legierung besteht in der Hauptsache aus Silber, aus metallischem Lithium und einer oder nicht weniger als zwei Arten von Elementen, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Aluminium, Calcium, Magnesium und Silizium,

J ζ ζ

welche eine niedrigere freie Energie bei der Oxydbildung aufweisen als das erwähnte Lithium (metallisches Lithium). Die freien Energien bei der Oxydbildung (-&F) sind unten angegeben:
05

Li₂O

Al₂O₃

CaO

MgO 10

469	X	10" ³	KJ/Kmol
1,425	X	10" ³	KJ/Kmol
553	X	io"³	KJ/Kmol
516	X	io"³	KJ/Kmol
733	X	10" ³	KJ/Kmol

Jedes der Oxyde von Al, Ca, Mg und Si weist eine niedrigere freie Energie bei der Oxydbildung auf.

Anschließend wird die innere Oxydation der Silber-Legierung beschrieben. Die innere Oxydation wird durch die Erwärmung auf eine hohe Temperatur für eine lange Zeit in einer Sauerstoffgas-Armosphäre vollzogen. Der Zeitfaktor wird bestimmt durch den Zeitraum, welcher zum Erreichen des Gleichgewichts der Reaktion der Oxydierung benötigt wird.

Diese innere Oxydation wird durch Durchlaufen mehrerer· Reaktionen der Oxydierung erreicht. Das bedeutet, daß der Sauerstoff, welcher in die Silber-Legierung eindringt, als erstes dasjenige metallische Element oxydiert, welches eine niedrigere freie Energie bei der Oxydbildung aufweist als Litium. Dann beginnt die Reaktion zur Oxydierung des metallischen Lithiums. Das bedeutet, daß das Oxyd des metallischen Elements, welches zuerst oxydierte, den Kern der Legierung bildet und daß um diesen Kern Lithiumoxyd, welches in der zweiten Stufe der Reaktion der Oxydierung gebildet wurde, abgelegt wird. Da durch den beschriebenen Prozess eine große Zahl von Kernen gebildet wird, entsteht ein feiner Niederschlag, und auch die Ablage an der Grenzschicht der Körner wird reduziert. Auf diese Weise wird

eine Verbesserung der Abnutzungscharakteristik und auch der Schmelzcharakteristik erreicht.

Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Effekt der Zerstäubung von Lithiumoxyd wird durch Al,Ca,Mg und Si ein weiterer Effekt erzielt. Wenn diese als Oxyde im Silber verteilt sind, tragen sie zur Verbesserung der Schweißfestigkeit und Abnutzungsfestigkeit bei, da diese Oxyde hohe Schmelzpunkte aufweisen (Tabelle 2).

Tabelle 2

	Schmelzpunkt	Siedepunkt
Al₂O₃ CaO MgO SiO₂	2.053 2.587 2.800 1.470-1.710	2.980 3.500 3.600 2.220- 2.800

Als nächstes wird die Zusammensetzung der Silber-Legierungen, die aus diesen metallischen Elementen bestehen, beschrieben. Für metallisches Lithium wird ein prozentualer Gewichtsanteil von 0,1 bis 3% bevorzugt. Unterhalb von 0,1% wird das Abreißen des Lichtbogens nicht verbessert, ohne dabei zur Lichtbogencharakteristik beizutragen, während über 3% diese Charakteristik sich verschlechtert. Auf der anderen Seite sind die metallischen Elemente, die zusammen mit diesem metallischen Lithium verwendet werden, bereits bei geringen Gewichtsanteilen wirksam, wobei ein Wert von 0,01 bis 1% bereits ausreichend ist. Das bedeutet, daß unterhalb von 0,01% eine Verbesserung der Abnutzungscharakteristik nicht mehr erreicht wird, während über 1% der elektrische Widerstand erhöht wird und eine Verschlechterung der Schmelzei-

genschaften eintritt. Das bedeutet,daß das Schmelzen leicht zwischen den Kontakten auftritt und dabei den Effekt der Kurzschlußauftrennung verschlechtert. Darüberhinaus umfaßt die Erfindung auch solche Silber-Legierungen, bei welchen zu den bereits genannten metallischen Elementen Elemente aus der Eisen-Gruppe wie Eisen, Kobalt und Nickel hizugefügt sind. In einem solchen Fall ist ein Gewichtsanteil von 0,06 bis 1% für das Eisen-Gruppen-Element ausreichend, um die Effekte bei der Kornbildung abzubremsen, die als Folge der Erwärmung bei der inneren Oxydation auftreten und zur Zerstäubung der Kristallkörner führen, wodurch zur Verbesserung der Schmelz- und auch der Abnutzungscharakteristik beigetragen wird. Dieser Bereich bedeutet, daß diese Elemente aus der Eisen-Gruppe unterhalb von 0,05% Gewichtsanteilen die Zerstäubung der Kristallkörner nicht beeinflussen, während über 1% diese sich von der Grenzschicht der Körner absondern. In beiden Fällen erfolgt jedenfalls keine Verbesserung der Schmelz- und Abnutzungs-Charakteristiken.

Beispiele

Weiter unten werden die Ziele und Effekte der vorliegenden Erfindung nachgewiesen durch Bezugnahme auf die Beispiele und den Vergleich von Beispielen .gemäß der Erfindung.

Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterial Die Kontakte gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch innere Oxydation hergestellt. Entsprechende Metalle von Silber, Lithium, Calcium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Eisen, Nickel und Kobalt werden abgewogen gemäß dem entsprechenden, vorgeschriebenen Anteil von jedem Element, um zu einer Zusammenstellung zu gelangen, wie sie in

Tabelle 3 zusammengestellt ist. Danach werden sie geschmolzen, und zwar durch Erwärmung auf ca. 1.300 C in einer Argon-Gas Atmosphäre in einem Hochfrequenzofen. Durch Gießen in eine Metallform entsteht ein Barren 12 χ 18 χ 70 mm. In einer Stickstoff-Atmosphäre wird das Tempern bei 750 C durchgeführt, gefolgt von einer Oberflächenbearbeitung zur Entfernung der Verzunderung. Nach der Silberplattierung wurde durch Walzen ein 1 mm starkes Blech erzeugt. Es wurde dann durch Ausziehen und Formen weiter bearbeitet und anschließend im Innern oxydiert. Für die innere Oxydation wurde eine Wärmebehandlung bei 750 C unter 4 Atmosphären Druck in einer Sauerstoffatmosphäre über 100 Stunden durchgeführt. In einer Argon-Gas-Atmosphäre wurden die innerlich oxydierten Proben auf

Kupfernieten bei 75O°C hart aufgelötet, um die ASTM Testproben zu erhalten. Ebenfalls durch Hartlöten auf Kupfermetallteile wurden die Kurzschluß-Testproben vorbereitet. Nach der inneren Oxydation wurden die Proben untersucht mit Hilfe eines Metall-Mikroskops, um sicherzustellen, daß die innere Oxydation abgeschlossen und die Bildung der Oxydkörner aus den Metallen stattgefunden hat.

Die Auswertung der Lichtboaencharakteristik

Mit der Durchführung der Kurzschluß-Tests unter Verwendung eines Strombegrenzungsschalters wurde die Lichtbogenzeit gemessen.

In diesem Fall dient die Lichtbogenzeit als Hinweis auf die Fähigkeit zur Auftrennung des Kurzschlusses, diese wurde gemessen an . der Veränderung der Spannung des Lichtbogens, der durch den Kurzschluß entsteht, nachdem die Kontakte von den Testproben gebildet wurden, indem diese als Unterbrecherkontakte benutzt werden. Die Lichtbogenzeit ist praktisch die Zeit, während welcher der zwischen

-loKontakten entstandene Lichtbogen ohne Veränderung besteht, während er dann aufgrund der elektromagnetischen Kraft, die durch den Lichtbogen entsteht, zu wandern beginnt.
Der Kurzschlußstrom beträgt 5,2 kA.

Auswertung der Abnutzunascharakteristik und der .Schmelzcharakteristik

Die Untersuchungen wurden nach der Testmethode ASRM (American Society for Testing Materials) durchgeführt, welche für diese Art von Untersuchung typisch ist. Die praktischen Bedingungen für die Untersuchung wurden folgendermaßen festgesetzt:

Belastung: 100 V, 40 A, Einphasenwechselstrom

Kontaktform: 0 =5 mm flach (fester Kontakt)

0 = 5 mm 12 R (beweglicher Kontakt) (0 bedeutet Durchmesser)

Schalthäufigkeit: 50,000; Kontaktdruck: 200 g Öffnungsdruck: 340 g

Anzahl der geprüften Proben: 3

In der unten gezeigten Tabelle ist die Abnutzung durch den niedrigen Wert gekennzeichnet, während die Schmelzhäfigkeit in der Summe dieses Wertes bei allen drei Testproben angegeben ist.

Die günstigste Zusammensetzung für ein Kontaktmaterial läßt sich bei den niedrigeren Werten für Abnutzung und Schmelzhäufigkeit ermitteln.

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Tabelle Ergebnisse

Zusammensetzung	Licht	Schmez-	Ab-	Vlckers
(Gewichtsantei-	bogen	häufig-	nutzg.	härte
Ie in %)	zeit	keit	(mg)	(100g)
	(ms)

Beispiel 1	1	0,1 Li-O,01Al-Ag	2,0	30	26,4	65
2	• 2	0,1 Li-IAl-Ag	2,1	57	9,4	140
3	3 Li -0,01Al-Ag	2,0	81	34,0	120
4	3Li-O,01Al-Ag	3,5	85	35,O	145
5	ILi-O,03Al-Ag	1,1	0	4,3	82
6	ILi-O,03Al-Ag	1,2	8	5,9	87
7	ILi-O,04Ca-Ag	1,2	0	6,0	85
8	ILi-O,4Ca-Ag	1,3	7	5,4	92
9	ILi-O,03Mg-Ag	1,2	0	6,5	73
10	ILi-O,3Mg-Ag	1,1	5	10,0	85
11	ILi-O,03Si-Ag	1,2	1	13,5	105
12	ILi-O,3Si-Ag	1,1	6	11,0	120
13	ILi-0,04Ca-0,2Fe-Ag	1,1	0	5,4	89
14	ILi-0,03A1-0,2Ni-Ag	1,2	0	3,7	85
15	ILi-0,03Mg-0,2Co-Ag	1,2	0	6,0	75
16	ILi-O,03Si-O,2Ni-Ag	1,2	1	7,7	116
Ver gleichs- beispiele
ILi-Ag	1,1	3	12,9	80
SnO₉-In₉O_-Ag (MO 1O%7	7,6	8	3,7	128

30 Es ist selbstverständlich, daß für den Fachmann die beschriebenen Ausführungsbeispiele nur zur Erläuterung dienen und nur wenige von vielen Möglichkeiten darstellen, die durch die vorliegende Erfindung erzielbar sind. Eine Vielzahl

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νοη voneinander unterschiedlichen Zusammensetzungen können von dem Fachmann gewählt werden, ohne dabei von dem durch die Erfindung vorgegebenen Rahmen abzuweichen.

Claims

-1- P 247-ME/82

ELEKTRISCHES KONTAKTMATERIAL UND HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EIN SOLCHES

Patentansprüche

lj Elektrisches Kontaktmaterial, welches hauptsächlich Silber enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial Silber, Lithiumoxyd und ein weiteres Element aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxyd, Calciumoxyd, Magnesiumoxyd und Siliziumoxyd enthält.
2. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein weiteres Element aus einer Gruppe, bestehend aus Eisen, Kobalt und Nickel, enthält.
3. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Lithium mit 0,1 bis 3% Gewichtsanteile und Aluminium, Calcium, Magnesium und Silizium mit 0,01 bis 13 Gewichtsanteile enthält, und zwar gemessen in der quantitativen Umwandlung in Metall.

ο ά ζ if <» j a

NACHQEREICHTI

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4. Elektrisches Kontaktmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Eisen, Kobalt oder Nickel 0,05 bis 1% Gewichtsanteile beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontaktmaterials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Silber-Legierung, welche Lithium und ein Element aus einer Gruppe bestehend aus Aluminium, Calcium, Magnesium und Silizium enthält, diese durch eine innere Oxydation oxydiert werden, und daß die entstandenen Oxyde im Silber verteilt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Kontaktmaterial ein Element aus einer Gruppe, bestehend aus Eisen, Nickel und Kobalt, enthält.

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