Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in
Schaltgeräten der Energietechnik sowie Verfahren zur
Herstellung von Kontaktstücken aus diesem Werkstoff
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirkkomponenten wenigstens ein höher schmelzendes Metall, eine Metalllegierung oder eine Metallverbindung enthält. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einem derartigen Werkstoff. Für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten der Energie- technik, z.B. in Leistungsschaltern sowie in Gleichstrom-, Motor- und Hilfsschützen, haben sich Kontaktwerkstoffe des Systems Silber- Metall (AgMe) seit langem bewährt. Vertreter dieses Systems sind beispiels- weise Silber-Nickel (AgNi) und Silber-Eisen (AgFe).
Silber-Nickel hat vorteilhafte Kontakteigenschaften, die zusammen mit den Prüfmethoden für Kontaktwerkstoffe beispielsweise in INT.J. Powder Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), P 219 - 228 beschrieben sind. Nachteilig ist jedoch, daß insbesondere Nickelstaub schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus hat.
Die Verwendung von Eisen in Kontaktwerkstoffen auf Silber-Basis ist verschiedendlich vorgeschlagen worden. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß Silber-Eisen noch nicht die gestellten Forderungen erfüllt, da bei Dauerstromführung derartiger Kontaktstücke eine zu hohe Erwärmung auftritt, die durch eine kontaktwiderstandserhöhende Deckschichtbildüng in diesem System erklärt werden kann. Weiterhin ist aus der DE-OS 3 813 311 (WO-A-89/10417) ein Sinterkontaktwerkstoff der eingangs genannten Art bekannt, αer neben Silber als Wirkkomponente wenigstens Eisen und/oder Titan enthält. Speziell dann, wenn das Eisen und das Titan in legierter Form vorliegen und eine intermetallische Verbindung bilden, wurden gute Ergebnisse bei Schaltversuchen beobachtet. Gegebenenfalls können dabei als weitere Wirkkomponenten Nitride, Karbide und/oder Boride von Metallen, insbesondere von Titan, vorhanden sein.
Weiterhin wird mit der DE-C-38 16 895 die Verwenαung eines Silber-Eisen-Werkstcffes mit 3 bis 30 Gew.-% Eisen und einen oder mehreren der Zusätze Mangan, Kupfer, Zink, Antimon, Wismutoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Chromnitrid in Mengen von insgesamt 0,05 bi 5 Gew.-%, Rest Silber für elektrische Kontakte vorgeschlagen. Schließlich ist aus der DE-A-39 11 904 ein pulvermetallurgisches Verfahren zum herstellen eines Halbzeugs für elektrische Kontakte aus einem Verbundwerkstoff auf Silberbasis mit Eisen bekannt, bei dem 5 bis 50 Gew.-% Eisen als erstem Nebenbestandteil und 0 bis 5 Gew.-% eines zweiten Nebenbestandteils aus einer oder mehreren Substanzen aus der Gruppe, welche die Metalle Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Molybdän, Mangan, Kupfer und Zink sowie ihre Oxide und ihre Karbide enthält, verwendet werden.
Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiteren Kontaktwerkstoff auf Silber-Ei
sen-Basis und das zugehörige Herstellungsfahren aufzufinden. Der neue Werkstoff soll sich durch geringe Kontakterwärmung mit stabilem Erwärmungsverhalten, vertretbarer Verschweißneigung und eine hohe Lebensdauer in bezug auf vorgegebene Schaltstromstärken auszeichnen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Werkstoff der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Wirkkomponenten in Kombination Eisen in Massenanteilen zwischen 1 und 50 % und Rhenium in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5 % vorliegen. Zur Fertigung von Kontaktstücken aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff können das Eisen und das
Rhenium in Form von Reinmetallen und/oder als Legierung dem Silber hinzugefügt sein, wobei die Herstellung des Werkstoffes pulvermetallurgisch erfolgt. Das Verhältnis der Massenanteile von Eisen zu Rhenium kann zwischen etwa 4:1 und etwa 20:1 liegen.
Im Rahmen vorliegender Erfindung wurde erkannt, daß speziell Rhenium in Kombination mit Eisen und Silber das Eigenschaftsspektrum als Kontaktwerkstoff verbessert. Die Verwendung von Rhenium in Kombination mit Silber wurde zwar bereits schon in der Fachliteratur vorgeschlagen. Dort wurde allerdings das Rhenium als einzige Komponente mit vergleichsweise hohem Anteil, beispielsweise um 20
Masseprozent, vorgesehen. Aufgrund des hohen Preises hat sich ein derartiger Werkstoff nicht durchsetzen können. Im Rahmen der Erfindung wurde nunmehr erkannt, daß Rhenium bereits als Minderkomponente einen Silber- Eisen-Werkstoff im erwünschten Maße verbessert.
In vorzugsweiser Weiterbildung der Erfindung wird der Eisengehalt erheblich geringer als 50 % liegen. Insbeson-
dere wird bei einem derartigen Werkstoff das Eisen in Massenanteilen von 2 bis 25 % und das Rhenium in Massenanteilen von 0,1 bis 3 % vorliegen. Besonders vorteilhafte Ergebnisse haben Schaltversuche mit Kontaktwerkstoffen ergeben, bei denen das Eisen in Massenanteilen von 2 bis 10 % und das Rhenium in Massenanteilen von 0,1 bis 1 % vorliegen. Der Gesamtvolumenanteil der beiden Wirkkomponenten kann dabei in vergleichsweise weiten Grenzer schwanken. Beispielsweise liegt er bei 6, 12 oder 18 %.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erf indung ergeben sich aus der nachf olgenαen Beschreibung vor, Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den weiteren Unteranspruchen. Dabei wird einerseits auf unterschiedliche Verfahren zur Herstellung des beanspruchten Werkstoffes und andererseits auf die beigefügte Tabelle mit Einzelbeispielen für konkrete Werkstoffzusammen- Setzungen gemäß der Erfindung eingegangen. In der Tabelle sind Meßwerte für die Übertemperatur αer beanspruchten Werkstoffe, die jeweils ar cer Kontakttrücke des Schaltgerätes gemessen wurden, angegeben. In der ersten Spalte αer Temperaturmeßwerte ist die maximale Uber- temDeratur (TÜ maX) und in der zweiter Spalte die mittlere Brückentemperatur enthalten, die sich jeweils als
Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur ergeben. Die Temperaturmeßwerte wurden bei Versuchen mit einem 15 KW-Schütz bis zu einer Schaltzahl von ns = 50.000 Schaltungen ermittelt.
Die Tabelle umfaßt sechs Ausführungsbeispiele mit aussagekräftigen Zusammensetzungen des beanspruchten Silber-Eisen-Rhenium-Kontaktwerkstoffes. Dabei ist die Herstellung
des eigentlichen Werkstoffes und die Fertigung der diesbezüglichen Kontaktstücke nach teilweise unterschiedlichen Methoden erfolgt. Die Meßwerte der einzelnen AgFeRe-Werkstoffe werden mit AgFe9 sowie AgRe20 und mit Reinsilber verglichen. Auf die Ergebnisse wird weiter unten im einzelnen eingegangen.
Erstes Herstellungsverfahren: Zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes Ag(FeRe20)5,7 wird zunächst aus 80 Anteilen Eisen und 20 Anteilen
Rhenium eine Eisen-Rhenium-Legierung erschmolzen. Diese Legierungsschmelze wird mittels bekannter Methoden im schmelzflüssigen Zustand verdüst, so daß jeweils ein
FeRe-Verbundpulver vorliegt. Aus dem Pulver wird eine Teilchengröße von etwa 25 μm abgesiebt.
Dem Legierungspulver wird anschließend eine entsprechende Menge handelsüblichen Silber-Pulvers zugewogen, so daß ein Werkstoff mit Massenanteilen von 5,7 Eisen-Rhenium und Rest Silber entsteht. Nach Naßmischen über einen geeigneten Zeitraum werden aus der Pulvermischung Formteile bei einem Druck von ca. 200 MPa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbindungstechnik des Kontaktstückes mit dem Kontaktstückträger durch Hartlöten kann es vorteilhaft sein, bei diesem Preßvorgaπg eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der eigentlichen Kontaktschicht zu einem Zweischichten-Kontaktstück zu verpressen. Es erfolgt eine Sinterung der Formteile bei einer Temperatur von ca. 850 ºC über etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas. Zur Erzielung einer möglichst geringen Porosität der fertigen Kontaktstücke werden anschließend
die Sinterkörper bei einem Druck von ca. 1000 MPa nachgepreßt und nochmals bei ca. 650 ºC etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas gesintert. Das Kalibrieren der so hergestellten Kontaktstücke erfolgt wiederum bei einem Druck von ca. 1000 MPa.
Bei einem gleichen Vorgehen können die Anteile von Silber und FeRe-Legierung variiert werden. Untersucht wurde speziell ein Werkstoff mit 9 , 9 Massenanteilen FeRe20, Rest Silber.
Zweites Herstellungsverfahren:
In einem anderen Verfahren werden separate Pulver aus Eisen, Rhenium und Silber als Ausgangsmaterial verwendet. Durch Naßmischen der Einzelpulver wird eine Pulvermischung zubereitet. Aus der Pulvermischung werden zunächst über die sogenannte Strangpreßtechnik Bänder oder Drähte des Werkstoffes als Halbzeug hergestellt. Die Verfahrensbedingungen hinsichtlich Temperatur einerseits und Druck andererseits liegen dabei in der bekannten Größenordnung. Von dem so erzeugten Halbzeug lassen sich dann Kontaktstücke mit Richtgefüge abtrennen. Mit der pulvermetallurgischen Methode zur Herstellung der Zusatzkomponenten wurden drei Werkstoffe hergestellt, bei denen das Verhältnis von Eisen zu Rhenium bei etwa 4 : 1 oder 9 : 1 liegt. Der Gesamtanteil der Zusatzkomponenten wurde alternativ zu 5,3 m % , 5,7 m % und 9,4 m % gewählt. Ein weiterer Werkstoff wurde mit einem Verhältnis von
Eisen zu Rhenium von 19:1 und einem Gesamtanteil der Zusatzkomponenten von 8,8 m % hergestellt.
Es ist auch möglich, die beispielhaft angegebenen unterschiedlichen Methoden bei der Herstellung der Zusatzkomponenten einerseits und der Herstellung der Kontakte andererseits in anderer Weise miteinander zu kombinieren.
Insbesondere kann das Herstellen der Legierungen bzw. der Pulvermischungen durch sogenanntes mechanisches Legieren von einkomponentigen Einzelpulvern erfolgen. Dadurch werden die Gefügeeigenschaften des fertigen Werkstoffes vorteilhaft beeinflußt.
Die Tabelle zeigt, daß bei allen fünf Beispielen des nach unterschiedlichen Verfahren erfindungsgemäßen Werkstoffes bzw. der daraus gefertigten Kontaktstücke hinreichende Schaltzahlen vorliegen, die in jedem Fall mehr als 50,000 betragen. Derartige Schaltzahlen sind bei Silber-Rhenium oder Reinsilber nicht erreichbar.
Maßgebend für die Verwenoung des Schaltwerkstoffes ist neben der reinen Schaltzahl die Übertemperatur im Schaltgerät. Letztere kann an unterschiedlichen Punkten des
Schaltgerätes gemessen werden und wird bei vorliegender Untersuchungen direkt an der Brücke erfaßt. Insofern müssen die Vergleichsbeispiele beachtet werden.
Wie zu erwarten ist, haben Reinsilber oαer Silber-Rhenium 20 ein günstiges Übertemperaturverhalten bei allerdings geringen Schaltzahlen. Dem gegenüber zeigt AgFe9 eine so hohe Übertemperatur, die in der Praxis nicht mehr akzeptiert wirc. Die hohe Übertemperatur läßt sich durch die Deckschichtbildung erläutern, welche den Kontaktwiderstand erhöht und damit zu verstärkter Erwärmung am Kontakt führt.
Dem gegenüber zeigen alle Beispiele des erfindungsgemäßen Werkstoffes, daß die Übertemperatur herabgesenkt ist. Es werden zwar nicht die Werte von Reinsilber oder Silber-Rhenium erreicht, jedoch solche Größenordnungen, die eine Verwendung des Werkstoffes in Schaltgeräten erlaubt. Dabei muß berücksichtigt werden, daß in der ersten Spalte jeweils die maximalen Übertemperaturwerte der Kontaktbrücke angegeben sind. Berücksichtigt man darüber hinaus auch die mittleren Brückentemperaturen gemäß der letzten Spalte, so kommt man dort zu äußerst günstigen Werten.
Der Vergleich des Werkstoffes mit dem Stand der Technik zeigt, daß die Kombination von Silber mit Eisen und Rhenium einen Werkstoff mit geringer Kontakterwärmung und stabilen Erwärmungsverhalten und hoher Lebensoauer in bezug auf die Schaltstromwerte realisiert. Damit ist eine beachtlicher Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik erreicht.