DE4344322A1 - Sinterkontaktwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff aus Silber und Nickel.

Für das Schalten von Strömen in Schaltgeräten der Energie­ technik haben sich in der Vergangenheit Kontaktwerkstoffe aus Silber und Nickel bewährt. Die Herstellung der Kontaktwerk­ stoffe, Fertigung und Prüfung der diesbezüglichen Kontakt­ stücke wird in Int. J. Powder Metallurgy and Powder Techno­ logy, Vol. 12 (1976), p. 219-228 im einzelnen beschrieben.

Zur Herstellung des Kontaktwerkstoffes aus Silber und Nickel werden beim Stand der Technik üblicherweise Silber- und Nickelpulver in einem Mischer naß gemischt, getrocknet, druckverformt und unter reduzierender Atmosphäre gesintert. Die Feinheit des Gefüges ist im wesentlichen abhängig von der Größe der verwendeten Ausgangspulver. Derartige Zusammenhänge werden im einzelnen in Schreiner "Pulvermetallurgie elektri­ scher Kontakte", Springer-Verlag (1976), Seiten 105 bis 140, beschrieben. Insbesondere wird ein mittels Fällungspulver hergestellter AgNi-Werkstoff mit mittleren Korngrößen von 1 µm angegeben.

Es wurde bereits vermutet, daß bei Kontaktwerkstoffen aus Silber und Nickel die Nickelteilchen möglichst klein und feinverteilt im Silber vorliegen müssen, damit der Kontakt gute Schalteigenschaften aufweist. Dafür bietet sich im Prin­ zip die Methode des mechanischen Legierens an. Bereits aus der JP-OS 66/33090 ist ein Verfahren zur Herstellung von Ma­ terialien für elektrische Kontakte auf Silberbasis bekannt, bei der als weitere Komponenten solche Metalle gewählt sind, die keine oder nur geringe Löslichkeit im Silber haben. Diese Metalle sind insbesondere Nickel, Eisen, Wolfram od. dgl., die keinen Mischkristall mit Silber bilden bzw. bei denen aus thermodynamischen Gründen entsprechend dem Zustandsdiagramm das Bestreben einer Entmischung von Silber und des Zusatz­ metalls vorliegt.

Bei der JP-OS 6633090 wird eine Mischkristall-ähnliche Kon­ stitution des Werkstoffes angestrebt. Dafür werden Elek­ trolyt/Silber-Pulver und Carbonylnickel-Pulver in einer Ku­ gelmühle mit Stahlkugeln unter sogenanntem Styrol-Gas über längere Zeiträume, beispielsweise bis zu 300 h, gemischt, um ein mechanisch legiertes Pulver zu gewinnen. Da so erhaltene Pulver soll Korngrößen unter 0,01 µm haben, wobei in einer Röntgenbeugungsanalyse das Verschwinden von Nickelreflexen und damit das Vorliegen einer amorphen Legierung bestätigt wurde. Bei Fertigung von Kontakten aus einem solchermaßen hergestellten Legierungspulver mit Sinter- und Preßschritten sollen sekundäre Ausscheidungen entstehen können, wobei aber die Korngröße der Nickelteilchen auf 1 µm begrenzt sein soll.

Es wurde festgestellt, daß bei Verwendung von mechanisch le­ gierten Silber-Nickel-Pulvern der vorstehend beschriebenen Art unerwünschte Nebeneffekte auftreten können, welche die Kontakteigenschaften verschlechtern.

Aufgabe der Erfindung ist es, hier für Abhilfe zu sorgen. Es soll ein Kontaktwerk­ stoff aus Silber und Nickel geschaffen werden, der gegenüber üblichen Silber-Nickel-Werkstoffen verbesserte Kontakteigen­ schaften hat. Gleichzeitig soll das zugehörige Herstellungs­ verfahren angegeben werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Sinterkontaktwerk­ stoff aus Silber und Nickel dadurch gelöst, daß der Massenan­ teil von Nickel zwischen 5 und 50% beträgt und daß das Nickel im Silbergefüge mit mittleren Teilchengrößen 1 µm < < 10 µm in weitgehend homogener Verteilung vorliegt. Vorzugsweise ist die mittlere Teilchengröße von Nickel < 5 µm, insbesondere < 3 µm. Bei den angegebenen Teil­ chengrößenverteilungen liegt der mittlere Abstand der Nickelteilchen zwischen 5 und 10 µm.

Das Verfahren zur Herstellung des angegebenen Sinterkontakt­ werkstoffes aus Silber und Nickel ist dadurch gekennzeichnet, daß das Nickel nach Art des mechanischen Legierens in das Silbergefüge eingebracht wird, wobei dieser Vorgang unter Luftatmosphäre erfolgt. Als Ausgangsmaterial werden Silber­ pulver und Nickelpulver oder Granulat aus Silber und Nickel verwendet. Es werden Teilchengrößenverteilungen unter 500 µm, vorzugsweise unter 100 µm, insbesondere unter 50 µm, verwen­ det. Das mechanische Legieren erfolgt in einer Kugelmühle so­ lange, bis sich ein lamellares Gefüge gebildet hat mit Ni-La­ mellenbreiten sehr viel kleiner als der Teilchendurchmesser des Ausgangspulvers. Bei einem solchen Verfeinerungsgrad des Gefüges befindet man sich bereits im Bereich der Nachweis­ grenze eines Lichtmikroskopes.

Anschließend können aus dem nach Art des mechanischen Legie­ rens hergestellten Silber-Nickel-Pulver in bekannter Weise durch Druckverformen, wie Strangpressen oder Formteiltechnik, und Sintern unter reduzierender Atmosphäre Kontaktauflagen gefertigt werden.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der Erfindung das mechanische Legieren nicht unter Schutzgas durchgeführt. Es wird vielmehr mit normaler Atmosphärenluft gearbeitet. Dabei erfolgt das Mischen auch nicht wie speziell bei der JP-OS 6633090 möglichst lange, um ein möglichst feines, legiertes Pulver zu erhalten. Vielmehr wird bewußt ausgenutzt, den Vor­ gang des mechanischen Legierens unter Luft durchzuführen. Da­ durch bilden sich Oxidhäute auf den Partikeln, welche die gleiche Wirkung wie schweißmindernde Additive haben. Weiter­ hin tragen die Oxide auf der Oberfläche der Partikel zur Ver­ sprödung der Verbundteilchen und dadurch zur schnelleren Ge­ fügeverfeinerung bei. Im Vergleich zum mechanischen Legieren unter Inertgas wird der mechanische Legierungsvorgang beacht­ lich verkürzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf Gefügebilder mit zugehöriger Ausschnittsvergröße­ rung und eine Tabelle mit den Ergebnissen einer elektrischen Prüfung Bezug genommen wird. Es zeigen in 400facher Vergröße­ rung

Fig. 1 ein Schliffbild eines Werkstoffes AgNi10 und

Fig. 2 ein Schliffbild eines Werkstoffes AgNi40.

Zur Herstellung der Werkstoffe AgNi10 und AgNi40 werden Sil­ berpulver mit einer Teilchengrößenverteilung < 300 µm und Nickelpulver mit einer Teilchengrößenverteilung < 150 µm als Ausgangsmaterialien verwendet. Nach entsprechender Einwaage werden die Pulver in eine Kugelmühle (Attritor) gegeben und dort solange mechanisch legiert, bis das Nickel im Gefüge ei­ ne Größe von < 3 µm aufweist und homogen im Silber vorliegt. Dabei wird in der Kugelmühle an Luftatmosphäre und ohne Wachse als weitere Zusätze gearbeitet.

Die beim mechanischen Legieren entstehende Gefügeverfeinerung geht einher mit einer Änderung der Pulver-Teilchenform und -Teilchengröße. Durch die Bearbeitung unter Luftatmosphäre wird bewußt in Kauf genommen, daß sich Oxidhäute an den Par­ tikeln bilden.

Nach dem mechanischen Legieren werden in bekannter Weise Kon­ taktauflagen durch Druckverformen und Sintern unter reduzie­ render Atmosphäre hergestellt. Als Methoden des Druckverfor­ mens kommen alternativ das Strangpressen oder die sogenannte Formteiltechnik in Frage. Vorteilhaft ist dabei auch, Zwei­ schicht-Kontaktauflagen bzw. -Kontaktstücke herzustellen, um eine sichere Verbindungstechnik mit dem Kontaktstückträger zu gewährleisten.

Die Gefügebilder gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zeigen den Werk­ stoff AgNi10 einerseits und AgNi40 andererseits. Deutlich wird die homogene Verteilung der Nickelpartikel, deren mittlere Teilchengrößen in Fig. 1 etwa 3 µm und in Fig. 2 durchweg < 10 µm sind. Aus dem Bildausschnitt zu Fig. 1 ist erkennbar, daß bei Nickelteilchen in der Größenordnung von ≈ 3 µm der Abstand zweier Partikel etwa in der doppelten Größenordnung liegt. Auch dieser Wert ist ein signifikanter Parameter zur Kennzeichnung des Werkstoffes.

In der Tabelle sind Meßwerte für Schweißkraft, Abbrand und die Kontaktwiderstände beim Ein- und Ausschalten angegeben. Aufgeführt sind die Schalteigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Kontakte am Beispiel der Werkstoffzusammenset­ zungen AgNi10 und AgNi40 und mit den Eigenschaften konventio­ nell hergestellter Kontakte gleicher Zusammensetzung vergli­ chen.

Die elektrische Prüfung erfolgte an balligen Kontakten (R = 80 mm) der Abmessung 10×10 mm mit 1000 Ein- und Aus­ schaltvorgängen unter A/C 1000 A, 220 V, cosϕ = 0,4 und der Kontaktkraft 60 N. Die Prellzeit der ersten drei Sprünge be­ trug 5 ms mit einer Schließgeschwindigkeit von 1,0 m/s und einer Öffnungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s bei einem Ein­ schaltwinkel von 0° und einem Ausschaltwinkel von 80° und ei­ nem Blasfeld B = 0,5 T/A. Die Kontaktwiderstandsprüfung er­ folgte unter 10 A. Der Abbrand wird durch Wägen beider Kon­ taktstücke und Mittelwertbildung ermittelt. Daraus wird unter Berücksichtigung der theoretischen Dichte der Volumenabbrand abgeleitet.

Die Tabelle zeigt deutlich, daß die durch mechanisches Legie­ ren hergestellten Kontaktwerkstoffe sich durch geringere Schweißkraftwerte sowie durch erheblich niedrigere Abbrandra­ ten auszeichnen.

Claims (14)

1. Sinterkontaktwerkstoff aus Silber und Nickel, da­ durch gekennzeichnet, daß der Massenan­ teil von Nickel zwischen 5 und 50% beträgt und daß das Nickel im Silbergefüge mit mittleren Teilchengrößen () 1 µm < < 10 µm mit weitgehend homogener Verteilung vorliegt.

2. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchen­ größe () von Nickel < 5 µm ist.

3. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilchen­ größe () von Nickel < 3 µm ist.

4. Sinterkontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abstand () der Nickelteilchen zwischen 5 und 10 µm liegt.

5. Verfahren zur Herstellung eines Sinterkontaktwerkstoffes aus Silber und Nickel gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprü­ che 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Nickel nach Art des mechanischen Legierens unter Luftatmosphäre in das Silbergefüge eingebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für das mechanische Legieren Silberpulver und Nickel-Pulver oder ein Granulat aus Silber und Nickel verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Pulver aus Nickel oder Granu­ lat mit einer Teilchengrößenverteilung < 500 µm verwendet werden

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Pulver aus Nickel oder Granulat mit einer Teilchengrößenverteilung < 100 µm verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Pulver aus Nickel oder Granulat mit einer Teilchengrößenverteilung < 50 µm verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mechanische Legieren in einer Kugelmühle so lange erfolgt, bis im entstehenden lamel­ laren Gefüge Nickel-Lamellenbreiten vorliegen, die sehr viel kleiner sind als der Teilchendurchmesser des Nickel -Ausgangs­ pulvers, vorzugsweise < 1 µm.

11. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Herstellung von Kontakt­ auflagen das mechanisch legierte Pulver druckverformt und unter reduzierender Atmosphäre gesintert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während des Sintervorgangs eine Einformung der Nickellamellen zu globularen Teilchen mit einer Teilchengrößenverteilung () 1 µm < < 10 µm und einem Teilchenabstand () zwischen 5 und 10 µm erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckverformen durch Strangpressen erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckverformen als Form­ teiltechnik für Kontaktstücke erfolgt.