DE4117312A1

DE4117312A1 - Kontaktwerkstoff auf silberbasis zur verwendung in schaltgeraeten der energietechnik sowie verfahren zur herstellung von kontaktstuecken aus diesem werkstoff

Info

Publication number: DE4117312A1
Application number: DE4117312A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Dr Hauner; Wolfgang Dipl Ing Haufe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-05-27
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1992-12-03
Also published as: JPH06507446A; DK0586411T3; ATE125389T1; EP0586411B1; JP3280967B2; EP0586411A1; DE59202973D1; BR9206059A; US5422065A; WO1992022079A1; ES2074363T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff auf Sil berbasis zur Verwendung in Schaltgeräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirkkomponenten wenigstens ein höher schmelzendes Metall, eine Metallegierung oder eine Me tallverbindung enthält. Darüber hinaus bezieht sich die Erfin dung 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- und Hilfsschützen, haben sich Kontaktwerkstoffe des Systems Sil ber-Metall (AgMe) seit langem bewährt. Vertreter dieses Sy stems sind beispielsweise Silber-Nickel (AgNi) und Silber-Ei sen (AgFe).

Silber-Nickel hat vorteilhafte Kontakteigenschaften, die zu sammen mit den Prüfmethoden für Kontaktwerkstoffe beispiels weise in INT. J. Powder Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), P 219-228 beschrieben sind. Nachteilig ist je doch, daß insbesondere Nickelstaub schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus hat.

Die Verwendung von Eisen in Kontaktwerkstoffen auf Silber-Ba sis ist verschiedentlich vorgeschlagen worden. Es hat sich je doch gezeigt, daß Silber-Eisen noch nicht die gestellten For derungen erfüllt, da bei Dauerstromführung derartiger Kontakt stücke eine zu hohe Erwärmung auftritt, die durch eine kon taktwiderstandserhöhende Deckschichtbildung in diesem System erklärt werden kann. Weiterhin ist aus der DE-OS 38 13 311 (WO-A-89/10 417) ein Sinterkontaktwerkstoff der eingangs ge nannten Art bekannt, der neben Silber als Wirkkomponente we nigstens Eisen und/oder Titan enthält. Speziell dann, wenn das Eisen und das Titan in legierter Form vorliegen und eine in termetallische 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.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Er findung, einen weiteren Kontaktwerkstoff auf Silber-Eisen-Ba sis mit weiteren Wirkkomponenten zu finden. Dieser Werkstoff soll sich durch geringe Kontakterwärmung mit stabilem Erwär mungsverhalten, vertretbarer Verschweißneigung und hoher Le bensdauer in Bezug auf vorgegebene Schaltstromstärken aus zeichnen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Werkstoff der ein gangs 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. Da bei können das Eisen und das Rhenium in Form von Reinmetallen und/oder als Legierung in Kombination mit dem Silber vorhanden sein.

Im Rahmen vorliegender Erfindung wurde erkannt, daß speziell Rhenium in Kombination mit Eisen und Silber das Eigenschafts spektrum als Kontaktwerkstoff verbessern kann. Die Verwendung von Rhenium in Kombination mit Silber wurde zwar bereits schon in der Fachliteratur vorgeschlagen. Dort ist allerdings das Rhenium als einzige Komponente mit vergleichsweise hohem An teil, beispielsweise um 20 Masseprozent, vorgesehen. Aufgrund des hohen Preises hat sich ein derartiger Werkstoff nicht durchsetzen können. Im Rahmen der Erfindung wurde nunmehr er kannt, daß mit Rhenium als Minderkomponente zu einem Silber- Eisen-Werkstoff das Eigenschaftsspektrum im erwünschten Maße verbessert werden kann.

In vorzugsweiser Weiterbildung der Erfindung wird der Eisenge halt erheblich geringer als 50% liegen. Insbesondere 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 Schaltver suche mit Kontaktwerkstoffen ergeben, bei denen das Eisen in Massenanteilen von 2 bis 10% und das Rhenium in Massenantei len von 0,1 bis 1% vorliegen. Der Gesamtvolumenanteil der beiden Wirkkomponenten kann dabei in vergleichsweise weiten Grenzen schwanken. Beispielsweise liegt er bei 6, 12 oder 18%.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den weiteren Unteransprüchen. 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 der bean spruchten Werkstoffe, die jeweils an der Kontaktbrücke des Schaltgerätes gemessen wurden, angegeben. In der ersten Spalte der Temperaturmeßwerte ist die maximale Übertemperatur (T_{Ü max}) und in der zweiten Spalte die mittlere Brückentempe ratur (T_Ü) enthalten. Die Temperaturmeßwerte wurden bei Versu chen mit einem 15 KW-Schütz bei 4fachem Nennstrom bis zu ei ner Schaltzahl von n_s= 50 000 Schaltungen ermittelt.

Die Tabelle umfaßt fünf Ausführungsbeispiele mit aussagekräf tigen Zusammensetzungen des beanspruchten Silber-Eisen-Rheni um-Kontaktwerkstoffes. Dabei ist die Herstellung des eigent lichen Werkstoffes und die Fertigung der diesbezüglichen Kon taktstücke 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 Men ge handelsüblichen Silber-Pulvers zugewogen, so daß ein Werk stoff mit Massenanteilen von 5,7 Eisen-Rhenium und Rest Silber entsteht. Nach Naßmischen über einen geeigneten Zeitraum wer den aus der Pulvermischung Formteile bei einem Druck von ca. 200 MPa zu Kontaktstücken gepreßt. Für eine sichere Verbin dungstechnik des Kontaktstückes mit dem Kontaktstückträger durch Hartlöten kann es vorteilhaft sein, bei diesem Preßvor gang eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der ei gentlichen Kontaktschicht zu einem Zweischichten-Kontaktstück zu verpressen.

Es erfolgt eine Sinterung der Formteile bei einer Temperatur von ca. 850°C über etwa eine Stunde im Vakuum oder unter Schutzgas. Zur Erzielung einer möglichst geringen Porosität der fertigen Kontaktstücke werden anschließend die Sinterkör per bei einem Druck von ca. 1000 MPa nachgepreßt und nochmals bei ca. 650°C 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 Naß mischen der Einzelpulver wird eine Pulvermischung zubereitet. Aus der Pulvermischung werden zunächst über die sogenannte Strangpreßtechnik Bänder oder Drähte des Werkstoffes als Halb zeug hergestellt. Die Verfahrensbedingungen hinsichtlich Tem peratur 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 Zu satzkomponenten wurden 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 5,4 m% gewählt.

Es ist auch möglich, die beispielhaft angegebenen unterschied lichen Methoden bei der Herstellung der Zusatzkomponenten ei nerseits und der Herstellung der Kontakte andererseits in an derer Weise miteinander zu kombinieren. Insbesondere kann das Herstellen der Legierungen bzw. der Pulvermischungen durch so genanntes mechanisches Legieren von einkomponentigen Einzel pulvern erfolgen. Dadurch werden die Gefügeeigenschaften des fertigen Werkstoffes vorteilhaft beeinflußt.

Die Tabelle zeigt, daß bei allen fünf Beispielen des nach un terschiedlichen Verfahren erfindungsgemäßen Werkstoffes bzw. der daraus gefertigten Kontaktstücke hinreichende Schaltzahlen vorliegen, die in jedem Fall mehr als 50 000 betragen. Derar tige Schaltzahlen sind bei Silber-Rhenium oder Reinsilber nicht erreichbar.

Maßgebend für die Verwendung des Schaltwerkstoffes ist neben der reinen Schaltzahl die Übertemperatur im Schaltgerät. Letz tere kann an unterschiedlichen Punkten des Schaltgerätes ge messen werden und wird bei vorliegenden Untersuchungen direkt an der Brücke erfaßt. Insofern müssen die Vergleichsbeispiele beachtet werden.

Wie zu erwarten ist, haben Reinsilber oder Silber-Rhenium 20 ein günstiges Übertemperaturverhalten bei allerdings geringen Schaltzahlen. Dem gegenüber zeigt AgFe9 eine so hohe Übertem peratur, die in der Praxis nicht mehr akzeptiert wird. Die hohe Übertemperatur läßt sich durch die Deckschichtbildung er läutern, welche den Kontaktwiderstand erhöht und damit zu ver stärkter Erwärmung am Kontakt führt.

Dem gegenüber zeigen alle Beispiele des erfindungsgemäßen Werkstoffes, daß die Übertemperatur herabgesenkt ist. Es wer den zwar nicht die Werte von Reinsilber oder Silber-Rhenium erreicht, jedoch solche Größenordnungen, die eine Verwendung des Werkstoffes in Schaltgeräten erlaubt. Dabei muß berück sichtigt werden, daß in der ersten Spalte jeweils die maxima len Übertemperaturwerte der Kontaktbrücke angegeben sind. Be rücksichtigt man darüber hinaus auch die mittleren Brückentem peraturen gemäß der letzten Spalte, so kommt man dort zu äu ßerst 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 Erwär mungsverhalten und hoher Lebensdauer in Bezug auf die Schalt stromwerte realisiert. Damit ist ein beachtlicher Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik erreicht.

Tabelle

Claims

1. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis zur Verwendung in Schalt geräten der Energietechnik, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltern, der neben Silber als weitere Wirk komponenten wenigstens ein höher schmelzendes Metall, eine Me tallegierung oder eine Metallverbindung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Wirk komponenten in Kombination Eisen (Fe) in Massenanteilen zwi schen 1 und 50% und Rhenium (Re) in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5% vorliegen.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Eisen (Fe) in Massenanteilen von weniger als 40% vorliegt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Eisen (Fe) in Massenanteilen von weniger als 30% vorliegt.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rhenium (Re) in Massenanteilen von weniger als 4% vorliegt.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Rhenium (Re) in Massenanteilen von weniger als 3,5% vorliegt.

6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen (Fe) in Massenanteilen von 2 bis 25% und das Rhenium (Re) in Massenanteilen von 0,1 bis 3% vorliegen.

7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen (Fe) in Massenanteilen von 2 bis 20% und das Rhenium (Re) in Massenanteilen von 0,1 bis 2% vorliegen.

8. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen (Fe) in Massenanteilen von 2 bis 10% und das Rhenium (Re) in Massenanteilen von 0,1 bis 1,0% vorliegen.

9. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver hältnis der Massenanteile von Eisen (Fe) zu Rhenium (Re) zwi schen 7 : 1 und 10 : 1, insbesondere bei 8 : 2 oder 9 : 1, liegt.

10. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volu menanteil der Wirkkomponenten zusammen bei etwa 6% liegt.

11. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volu menanteil beider Wirkkomponenten zusammen bei etwa 12% liegt.

12. Kontaktwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volu menanteil der Wirkkomponenten zusammen bei etwa 18% liegt.

13. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einen Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung pulvermetallurgisch erfolgt, wobei zunächst aus Eisen und Rhenium eine Legierung hergestellt wird, die zu ei nem Legierungspulver verdüst, und wobei aus Silberpulver und dem Legierungspulver - gegebenenfalls über ein Halbzeug - die Kontaktstücke gefertigt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Her stellen der FeRe-Legierung durch Erschmelzen im Vakuum oder Schutzgas erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver stellen der FeRe-Legierung durch mechanisches Legieren im Vakuum oder Schutzgas erfolgt.

16. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einem Werkstoff gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Her stellung pulvermetallurgisch erfolgt, wobei separate Pulver aus Silber, Eisen und Rhenium verwendet werden, aus denen - gegebenenfalls über ein Halbzeug - die Kontaktstücke gefertigt werden.

17. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken aus einem Werkstoff gemäß Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Her stellung pulvermetallurgisch erfolgt, wobei separate Pulver aus Silber, Eisen und Rhenium mechanisch legiert werden, wo raus - gegebenenfalls über ein Halbzeug - die Kontaktstücke gefertigt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferti gung der Kontaktstücke durch eine Formteiltechnik erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferti gung der Kontaktstücke durch Strangpressen erfolgt, wozu zu nächst aus den Pulvern ein stranggepreßtes Halbzeug herge stellt wird, von dem Kontaktstücke abtrennbar sind.