Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik aus AgSn0₂ mit mindestens zwei weiteren Metalloxidzusätzen.

[0002] Für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik, z.B. in Schützen oder Selbstschaltern, haben sich Kontaktwerkstoffe auf der Basis AgCd0 mit Cd0 als Hauptwirkkomponente als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Kbntaktwerkstoffe zeigen einen kleinen Abbrand im Lichtbogen, eine kleine Schweißkraft und eine niedrige Erwärmung bei Dauerstromführung.

[0003] Da beim Schalten aus Kontaktstücken, die aus AgCdO-Kontaktwerkstoffen bestehen, über den Abbrand Cd0 in die Umwelt gelangen kann und Cd0 als toxischer Werkstoff eingestuft ist, wird angestrebt, Kontaktwerkstoffe mit anderen Hauptmetalloxidzusätzen, wie Sn0₂, ZnO, In₂O₃, Cu0 usw., zu ersetzen. Kontaktwerkstoffe aus AgSnO₂ ohne weitere Metalloxidzusätze konnten nicht alle Forderungen an die Kontakteigenschaften erfüllen. Es sind AgSn0₂-Kontaktwerkstoffe mit weiteren Metalloxidzusätzen wie In₂0₃, Bi₂O₃ bekannt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten AgSn0₂-Werkstoffe mit weiteren Metalloxidzusätzen dahingehend zu verbessern, daß die Konzentrationen der weiteren Metalloxidzusätze wesentlich niedriger sind und dabei insbesondere der Gehalt an toxischen Werkstoffen.

[0005] Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als weitere Metalloxide Bi203, Cu0 und wahlweise Cd0 vorgesehen sind und daß der Summenmetalloxidgehalt zwischen 10 und 25 Vol.-% mit einem Sn0₂-Anteil ≥ 70 Vol.-% der Gesamtoxidmenge beträgt.

[0006] Als besonders vorteilhaft hat sich ein Summenmetalloxidgehalt zwischen 15 bis 20 Vol.-% erwiesen.

[0007] Als besonders vorteilhaft hat sich gemäß der Erfindung ein AgSn0₂Bi₂0₃Cu0-Werkstoff erwiesen mit einem Ag_-Gehalt von 87,95 %-Massengehalt, einem SnO₂-Gehalt von 9,97 %-Massengehalt, einem Bi₂0₃-Gehalt von 0,98 %-Massengehalt und einem CuO-Gehalt von 1,10 %-Massengehalt.

[0008] Ein weiterer Werkstoff gemäß der Erfindung besteht aus AgSnO₂Bi₂O₃CuOCdO mit einem Bi₂0₃-Gehalt zwischen 0,5 und 2 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt zwischen 0,5 und 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt zwischen 0,05 und 2 %-Massengehalt, insbesondere mit einem Ag-Gehalt von 87,89 %-Massengehalt, einem Sn0₂-Gehalt von 9,92 %-Massengehalt, einem Bi₂0₃-Gehalt von 1,1 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt von 1,2 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt von 0,3 %-Massengehalt oder mit einem Ag-Gehalt von 81,42 %-Massengehalt, einem Sn0₂-Gehalt von 13,09 %-Massengehalt, einem Bi₂0₃-Gehalt von 2,0 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt von 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt von 2,0 % Massengehalt.

[0009] Anhand dreier Ausführungsbeispiele wird das Herstellen des Werkstoffs und daraus eines Kontaktstückes gemäß der Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

[0010] Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffes aus AgSnO₂Bi₂O₃CuO und des Kontaktstückes.

[0011] Aus 90,15 %-Massengehalt F.einsilberkörnern, 8,05 %-Massengehalt Zinnkörnern, 0,90 %-Massengehalt metallischem Wismut als Bruchstücke und 0,90 %-Massengehalt Kupfer in Form von Stangen wird eine Legierung aus AgSnBiCu der angegebenen Zusammensetzung erschmolzen. Durch Druckverdüsen mit Wasser wird daraus ein gleich zusammengesetztes Legierungspulver hergestellt. Nach dem Trocknen wird der Pulveranteil kleiner 200 um abgesiebt. Dieser Anteil wird an Luft zwischen 500 und 800°C inneroxidiert, wonach ein Verbundpulver aus AgSn0₂Bi₂0₃CuO der Zusammensetzung 87,95 %-Massengehalt Ag, 9,97 %-Massengehalt SnO₂, 0,98 %-Massengehalt Bi₂0₃ und 1,10 %-Massengehalt Cu0 erhalten wird.

[0012] Aus dem Verbundpulver können durch Pressen in einer Matrize mit 600 MPa Kontaktstücke hergestellt werden. Für die sichere Verbindungstechnik durch Hartlöten ist es zweckmäßig beim Pressen des Verbundpulvers eine zweite Schicht aus Reinsilberpulver mit der Kontaktschicht gemeinsam zu verpressen. Die Sinterung der Kontaktstücke erfolgt bei 850°C während einer Stunde an Luft. Durch Warmnachpressen bei 650°C mit 800 MPa werden die Kontaktstücke verdichtet. Eine weitere Verdichtung und Verfestigung ist durch eine zweite Sinterung bei. 850°C während einer Stunde an Luft und eine darauf folgende weitere Kaltverdichtung zu erreichen.

[0013] Die Kontakteigenschaften solcher Kontaktstücke wurden auf einem Prüfschalter gemessen. Die Abbrandwerte lagen gegenüber einer stranggepreßten AgSn0₂-Qualität mit gleichem Oxidanteil um etwa 25 % besser. In den Schweißkraftwerten wurden 50 % niedrigerer F_S99,9-Werte und im Kontaktwiderstand 10 % niedrigere Werte erreicht. Das Gefüge des Kontaktwerkstoffes ist sehr fein und gleichmäßig.

Beispiel 2

[0014] Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffs aus AgSnO₂Bi₂O₃CuOCdO und des Kontaktstückes.

[0015] Aus 81,42 %-Massengehalt Elektrolyse- oder Fällungssilberpulver und feinen Metalloxidpulvern aus 13,09 %-Massengehalt SnO₂, 2,0 %-Massengehalt Bi₂O₃, 1,5 %-Massengehalt Cu0 und 2,0 %-Massengehalt CdO wird ein Pulver durch Naßmischen und Sieben der Teilchengröße < 200 µm hergestellt.

[0016] Aus der getrockneten Pulvermischung werden mit 300 MPa Formkörper verdichtet. Um eine einwandfreie Verbindung der Kontaktstücke mit einem Träger sicherzustellen ist es zweckmäßig, die Kontaktschicht mit einer zweiten Pulverschicht, z.B. aus Reinsilber, zu einem Zweischichten-Preßkörper zu verdichten. Die Sinterung erfolgt bei 850⁰C während einer Stunde an Luft. Durch Warmnachpressen bei 650°C mit 800 MPa werden die Kontaktstücke verdichtet. Eine weitere Verdichtung ist durch eine weitere Wärmebehandlung bei 850°C während einer halben Stunde an Luft oder Stickstoff und eine darauf folgende weitere Kalt- oder Warmverdichtung zu erreichen.

[0017] Die Kontakteigenschaften dieser Kontaktstücke wurden auf einem Prüfschalter gemessen und mit einer sehr guten AgCdO-Qualität verglichen. Bei vergleichbaren Abbrandwerten wurden eine etwas günstigere Erwärmung (10 % niedrigerer Kontaktwiderstand) und eine etwa um 15 % niedrigere Schweißkraft erreicht.

Beispiel 3

[0018] Herstellen eines Sinterkontaktwerkstoffes aus AgSnO₂Bi₂O₃CuOCdO und des Kontaktstückes.

[0019] Aus einer Legierung aus AgSnBiCuCd mit 90,06 %-Massengegehalt Ag, 7,67 %-Massengehalt Sn, 1,01 %-Massengehalt Bi, 0,98 %-Massengehalt Cu und 0,27 %-Massengehalt Cd wird ein Pulver der Teilchengröße < 200 µm, z.B. durch Druckverdüsen mit Wasser, hergestellt. Durch innere Oxidation des Legierungspulvers wird ein Verbundpulver aus AgSnO₂Bi₂O₃CuOCdO mit 87,89 %-Massengehalt Ag, 9,92 %-Massengehalt Sn0₂, 1,1 %-Massengehalt Bi203, 1,2 %-Massengehalt Cu0 und 0,3 %-Massengehalt Cd0 erhalten. Die innere Oxidation wird während einer Glühbehandlung an Luft zwischen 500 und 800°C durchgeführt. Dabei wird die Zeit so gewählt, daß eine vollständige innere Oxidation erreicht wird.

[0020] Aus dem Verbundpulver wird wie bei Beispiel 1 ein Zweischichten-Pulverpreßkörper hergestellt. Durch Sintern wird der Preßkörper verfestigt und durch Warm- bzw. Kaltnachverdichten wird die Restporosität des Kontaktstückes herabgesetzt. Auch die so erreichte Kontaktqualität hat bei gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 2 die gleich guten Kontakteigenschaften. Ein Gefügebild zeigt die gleichmäßig globularen Oxidausscheidungen im Silbergrundmetall.

[0021] Die Silber-Zinn-Oxid-Kontaktwerkstoffe mit den weiteren Oxidzusätzen Bi203, Cu0 und wahlweise Cd0 gemäß der Erfindung stellen eine aus der Vielzahl der Möglichkeiten spezielle Werkstoffauswahl bei ganz bestimmter Zusammensetzung dar. Bei den Kontaktwerkstoffen mit CdO als Oxidzusatz konnte der CdO-Gehalt um 1 bis 2 Größenordnungen gesenkt werden.

Ansprüche

1. Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik aus AgSn0₂ mit mindestens zwei weiteren Metalloxidzusätzen, dadurch gekennzeichnet , daß als weitere Metalloxide Bi₂0₃, Cu0 und wahlweise Cd0 vorgesehen sind und daß der Summenmetalloxidgehalt zwischen 10 und 25 Vol.-% mit einem SnO₂-Anteil ≥ 70 Vol.-% der Gesamtoxidmenge beträgt.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Summenmetalloxidgehalt 15 bis 20 Vol.-% beträgt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß er aus AgSnO₂Bi₂O₃CuO besteht mit einem Ag-Gehalt von 87,95 %-Massengehalt, einem SnO₂-Gehalt von 9,97 %-Massengehalt, einem Bi₂0₃-Gehalt von 0,98 %-Massengehalt und einem CuO-Gehalt von 1,10 %-Massengehalt.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß er aus AgSnO₂Bi₂O₃CuOCdO besteht mit einem Bi₂0₃-Gehalt zwischen 0,5 und 2 %-Massengehalt, einem CuO-Gehalt zwischen 0,5 und 1,5 %-Massengehalt und einem CdO-Gehalt zwischen 0,05 und 2 %-Massengehalt.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Ag-Gehalt von 87,89 %-Massengehalt, einen Sn0₂-Gehalt von 9,92 %-Massengehalt, einen Bi₂0₃-Gehalt von 1,1 %-Massengehalt, einen CuO-Gehalt von 1,2 %-Massengehalt und einen Cd0-Gehalt von 0,3 %-Massengehalt aufweist.

6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß er einen Ag-Gehalt von 81,42 %-Massengehalt, einen SnO₂-Gehalt von 13,09 %-Massengehalt, einen Bi₂0₃-Gehalt von 2,0 %-Massengehalt, einen CuO-Gehalt von 1,5 %-Massengehalt und einen CdO-Gehalt von 2,0 %-Massengehalt aufweist.