Kontaktwerkstoff und Herstellung von Kontaktstücken

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff für elektrische Kontakte, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten, welche aus Silber, Zinnoxid und weiteren Zusätzen besteht. Es wird nach einem Werkstoff gesucht, bei dem insbesondere die Übertemperatur gegenüber dem bekannten AgSnO₂-Werkstoff gesenkt wird. Gemäß der Erfindung sind die weiteren Zusätze in Kombination Oxide der Metalle Tantal (Ta₂O₅), Kupfer (Cu0) und Wismut (Bi₂O₃). Weiterhin kann der Werkstoff auch Wolfram oder sauerstoffhaltige Wolframverbindungen enthalten. Vorzugsweise enthält der Werkstoff 5 bis 20 Masse-% SnO₂, 0,1 bis 5 Masse-% Ta₂O₅ 0,1 bis 5 Masse-% CuO, 0,1 bis 5 Masse-% Bi₂O₃, gegebenenfalls 0,05 bis 3 Masse-% Wolfram sowie als Rest Silber. Überraschenderweise wird die Übertemperatur am Kontakt bei Einsatz solcher Werkstoffe als Kontaktstück für Niederspannungsschaltgeräte deutlich reduziert. Beim Verfahren zum Erzeugen von Kontaktstükken folgt der pulvermetallurgischen Herstellung des Werkstoffes ein Strangpressen zu einem Band, aus dem Kontaktstücke abtrennbar sind, die ein kantenparalleles Richtgefüge aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff für elektrische Kontakte, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten, welcher aus Silber, Zinnoxid und weiteren Zusätzen besteht. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Fertigen von Kontaktstücken aus diesem Werkstoff sowie auf das zugehörige Kontaktstück.

[0002] Für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik, z.B. in Schützen oder Selbstschaltern, haben sich in der Vergangenheit Kontaktwerkstoffe auf der Basis von Silbermetalloxiden (AgMeO), insbesondere AgCdO, als besonders vorteilhaft erwiesen. Da aber Cadmium bekanntermaßen zu den toxischen Schwermetallen zählt und beim Abbrand der Kontaktstücke Cd0 auch an die nähere Umgebung abgegeben wird, sind seit einiger Zeit Bestrebungen im Gange, das Cd0 durch andere Metalloxide zu ersetzen. Diese Werkstoffe sollen einen ebenso kleinen Abbrand im Lichtbogen, sowie geringe Schweißkraft und insbesondere niedrige Erwärmung bei Dauerstromführung wie die bekannten AgCdO-Werkstoffe für Kontaktstücke aufweisen.

[0003] Es wurde bisher versucht, das Cadmium durch Zinn oder Zink zu ersetzen. Die bisher bekannten Vorschläge mit AgSn0₂- und AgZnO-Kontaktwerkstoffen konnten jedoch insgesamt nicht die hochwertigen Eigenschaften von AgCdO-Kontaktstücken erreichen. Insbesondere bei AgSn0₂ als Alternativwerkstoff zu AgCd0 hat sich gezeigt, daß dieser aufgrund der höheren thermischen Stabilität von Sn0₂ nach Schaltbelastungen durch Bildung von Oxid-Deckschichten einen gegenüber AgCd0 erhöhten Übergangswiderstand aufweist. Dadurch treten aber beim eingeschalteten, d.h. im stromführenden, Zustand des Schaltgerätes, unzulässig hohe Temperaturen (Übertemperaturen) an den Kontaktstücken auf, die zu Schäden am Schaltgerät führen können. Andererseits weisen AgSn0₂-Kontakte gegenüber AgCd0 einen geringeren Abbrand auf, was zu einer erhöhten Kontaktlebensdauer führt. Daher kann vorteilhaft die Größe der benötigten Kontaktstücke im Vergleich zu AgCd0 verringert werden, wodurch eine nicht unerhebliche Silbereinsparung erzielt wird.

[0004] Aus der EP-B1-00 24 349 ist ein Werkstoff auf der Basis von AgSn0₂ bekannt, bei dem durch Zusatz von Wolframoxid (W0₃) die Übertemperatur gegenüber dem reinen AgSn0₂ gesenkt wird; daneben wird mit der EP-B1-00 39 429 als weiterer Zusatz Wismutoxid (Bi₂0₃) vorgeschlagen, womit die SchweiBkraft günstig beeinflußt werden soll, ohne den Kontaktwiderstand zu erhöhen.

[0005] Darüber hinaus wird in der EP-A1-00 56 857 ausgeführt, daß das Übertemperaturverhalten angeblich auch durch Molybdänoxid (Mo03) und/oder Germaniumoxid (Ge0₂) verbessert werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Zusatz von Mo03 das Abbrandverhalten von AgSn0₂ derart verschlechtert, daß die Kontaktlebensdauer weit unter die von AgCd0 abfällt. Diese Nachteile treten zwar beim Einsatz von Ge0₂ nicht auf; allerdings wird aufgrund des hohen Preises von Germaniumoxid,der ein Mehrfaches von dem des Silbers beträgt, das Kontaktstück deutlich teuerer. Damit wird der wirtschaftliche Vorteil bei Einsatz von AgSn0₂, nämlich einer Einsparung von Silber aufgrund des günstigen Abbrandverhaltens gegenüber AgCdO, weitgehend wieder aufgehoben.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrischen Kontaktwerkstoff auf der Basis von Silber und Zinnoxid zu entwickeln, bei dem durch Beimischung weiterer Zusätze die Übertemperatur gegenüber dem bekannten AgSn0₂-Werkstoff gesenkt wird, wobei weder die Kontaktlebensdauer verschlechtert noch der Werkstoff übermäßig verteuert werden soll.

[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusätze in Kombination Oxide der Metalle Tantal (Ta205), Kupfer (Cu0) und Wismut (Bi₂0₃) sind. Gegebenenfalls können zusätzlich Wolfram oder sauerstoffhaltige Wolframverbindungen vorhanden sein.

[0008] Bei praktischer Realisierung enthält der neue Werkstoff 5 bis 20 Masse-% Sn0₂, 0,1 bis 5 Masse-% Ta₂O₅, 0,1 bis 5 Masse-% Cu0, 0,1 bis 5 Masse-% Bi₂O₃ sowie als Rest Silber. Sofern Wolfram vorhanden ist beträgt dessen Anteil 0,05 bis 3 Masse-%.

[0009] Die Erfindung zeigt insbesondere die vorteilhafte Eigenschaft des Tantaloxides in Verbindung mit vorgegebenen Mengen Cu0, Bi₂0₃ und gegebenenfalls Wolfram bei Kontaktwerkstoffen auf Silber-Zinnoxid-Basis.Zwar wurde bereits mit der WO-A1-80/01434 vorgeschlagen, in Kontaktwerkstoffen auch Tantaloxid zu verwenden. Allerdings wird beim Stand der Technik das Tantal entweder als Cadmiumtantaloxid oder als Tantaloxid in Verbindung mit wenigstens Germanium eingesetzt. Aufgrund der günstigen Benetzungseigenschaften des Tantaloxids wird beim dortigen Werkstoff der Kontaktabbrand günstig beeinflußt. Nicht erkannt wurde bisher, daß Tantaloxid als Zusatz in Kontaktwerkstoffen auf Silber-Zinnoxid-Basis verwendet werden kann.

[0010] Mit der Erfindung wurden nun Werkstoffe aufgefunden, die wenigstens die gleiche Lebensdauer wie ein AgCd0-Werkstoff und etwa die gleiche Lebensdauer wie ein AgSn0₂-Werkstoff mit W0₃-Zusatz hat. Überraschenderweise liegt aber beim neuen Werkstoff einerseits die Übertemperatur um 7 bis 23 % niedriger als bei AgSn0₂11,5 WO₃0,5; andererseits hat die Schweißkraft etwa vergleichbare Werte wie die von bekannten AgCdO-Werkstoffen. Je nach Anwendungsfall bzw. Schaltgerätetyp läßt sich nunmehr ein optimierter Werkstoff mit niedriger Übertemperatur und trotzdem ausreichender Lebensdauer einsetzen.

[0011] Die erfindungsgemäßen Werkstoffe lassen sich nach bekannten pulvermetallurgischen Verfahren herstellen. Beispielsweise wird zur Fertigung von Kontaktstücken der Werkstoff nach der Sinterung einem Strangpressen zu einem Band unterzogen. Aus diesem Band geschnittene Kontaktstücke können auf die Kontaktträger der herkömmlichen Schaltgeräte hart aufgelötet werden.

[0012] Anhand von Beispielen wird die Erfindung im einzelnen erläutert:

Beispiel 1:

[0013] Als Ausgangsmaterialien werden Pulver der Komponenten A^g, Sn0₂, Ta₂0₅, Cu0 und Bi₂0₃ verwendet, wobei eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 91,4 % Ag, 7,5 % Sn02, 0,5 % Ta₂O₅, 0,3 % Cu0 und 0,3 % B1203 gewählt wird.

[0014] Der Pulveransatz wird gemischt und anschließend pulvermetallurgischen Verfahrensschritten aus Pressen, Sintern und Nachpressen mit üblichen Drucken und Temperaturen unterzogen: Beispielsweise haben sich für das Pressen des Pulvers 200 MPa, für das Sintern 850 - 900 C bei einer Stunde an Luft und für das Nachpressen 600 MPa als geeignete Werte erwiesen. Aus dem Rohling wird durch Strangpressen bei 700 °C ein Band als Halbzeug erzeugt, von dem Kontaktstücke mit kantenparallelem Richtgefüge abgetrennt werden können.

[0015] Die so gefertigten Kontaktstücke können direkt auf die Kontaktträger eines herkömmlichen Schaltgerätes hart aufgelötet werden.

Beispiel 2:

[0016] Es werden Pulver der Komponenten wie bei Beispiel 1 verwendet, wobei eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 87,7 % Ag, 10,5 % Sn0₂, 0,8 % Ta₂0₅, 0,5 % Cu0 und 0,5 % Bi₂0₃ gewählt wird. Die weiteren Herstellungsschritte entsprechen denen von Beispiel 1.

Beispiel 3:

[0017] Als Ausgangsmaterialien werden wiederum Pulver der Komponenten A^g, Sn0₂, Ta₂0₅, CuO, Bi₂0₃ und zusätzlich Pulver aus reinem Wolfram verwendet. Beispielsweise wird eine Mischung mit Massenanteilen von 91,7 % Ag, 7,0 % Sn0₂, 0,5 % Ta205, 0,3 % CuO, 0,3 % Bi₂0₃ und 0,2 % W gewählt. Der Pulveransatz wird gemischt und anschließend den üblichen pulvermetallurgischen Verfahrensschritten aus Pressen, Sintern und Nachpressen unterzogen. Aus dem Rohling wird durch Strangpressen ein Band als Halbzeug erzeugt, von dem Kontaktstücke mit kantenparallelem Richtgefüge abgetrennt werden können.

Beispiel 4:

[0018] Es werden Pulver der Komponenten wie bei Beispiel 3 verwendet, wobei jetzt eine Zusammensetzung in Massenanteilen mit 87,5 % Ag, 10,5 % Sn0₂, 0,8 % Ta₂0₅₉ 0,5 % CuO, 0,4 % Bi₂0₃ und 0,3 % W gewählt wird.

[0019] Aus diesen Werkstoffen gefertigte Kontaktstücke wurden auf die Kontaktträger eines herkömmlichen Schaltgerätes hart aufgelötet.

[0020] Die Kontaktstücke wurden solange beschaltet, bis die ursprüngliche Schaltfläche durch Lichtbogeneinwirkung überall umgeschmolzen war. Dazu waren einige tausend Schaltspiele notwendig. Unter der höchsten, für das Schaltgerät zulässigen Dauerstrombelastung wurde zunächst die Temperatur am beweglichen Schaltstück direkt unterhalb der Kontaktstücke gemessen. Es hat sich gezeigt, daß an dieser Stelle der Einfluß des Kontaktwerkstoffes am besten erfaßt werden kann.

[0021] Die oben beschriebenen Werkstoffe wurden einerseits mit einem AgCd012-Werkstoff und zusatzfreien AgSn0₂-Werkstoffen und andererseits mit dem aus der EP-B1-00 24 349 bekannten AgSn0₂11,5 W0_3-Werkstoff verglichen, der nach dem dort beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Die Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengestellt. Aufgetragen und für die einzelnen Werkstoffe die Maximalwerte speziell der Klemmenübertemperaturen, die durch die Übertemperatur am Schaltstück entstehen, sowie die AC 4-Lebensdauerschaltzahlen.

Diskussion:

[0022] Wie aus der Tabelle ersichtlich, liegen die an den Anschlußklemmen gemessenen Übertemperaturen für den _Vergleichswerkstoff AgSn0₂11,5 W0₃0,5 um 33 % höher als für AgCd012, während die reinen AgSn02-Werkstaffe um mehr als 44 % höher liegen. Es zeigt sich, daß die erfindungsgemäßen Werkstoffe Übertemperaturen aufweisen, die zwischen 7 und 23 % niedriger sind als die des Vergleichswerkstoffes AgSn0₂11,5 W0₃0,5 und damit günstigstenfalls bis an die Temperaturen von AgCd0 heranreichen.

[0023] Aus dem direkten Vergleich mit AgSn0₂12 bzw. AgSn0₂8 kann, bezogen auf vergleichbaren Gesamtoxidgehalt, die temperatursenkende Wirkung der erfindungsgemäßen Zusätze ersehen werden. Auffällig ist, daß die erfindungsgemäßen Werkstoffe mit niedrigem Oxidgehalt ebenso wie die ohne Wolfram-Zusatz zu einer etwas niedrigeren Übertemperatur neigen. Aus dem Lebensdauervergleich ist zu ersehen, daß alle AgSn0₂-Werkstoffe trotz der Volumenreduzierung um ca. 20 % gegenüber AgCd012 eine höhere Schaltzahl erreichen. Dabei liegen die erfindungsgemässen Werkstoffe mit Wolframzusatz sogar noch über dem Vergleichswerkstoff AgSnO_?11,5 W0₃0,5, während die erfindungsgemäßen Werkstoffe ohne Wolfram vergleichbare Schaltzahlen wie die entsprechenden reinen AgSn0₂-Werkstoffe erreichen, sich jedoch durch das günstigste Übertemperaturverhalten aller untersuchten AgSn0₂-Werkstoffe (bei gleichem Oxidgehalt) auszeichnen.

[0024] Versuche mit wolframhaltigen AgSn0₂-Kontaktwerkstoffen in verschiedenen Schaltgeräten bestätigen zwar das günstige Lebensdauerverhalten im Allgemeinen, bei bestimmten Wechselstromschaltgeräten können jedoch Materialverlagerungen auftreten, die zu einem vorzeitigen Versagen des Schaltgerätes führen. Dabei wird Kontaktmaterial von dem einen Schaltstück auf das gegenüberliegende übertragen, so daß das materialabgebende Schaltstück die Lebensdauer des Schaltgerätes durch Durchschalten auf den Trägerwerkstoff vor Erreichen der vorgeschriebenen Schaltzahl begrenzt. Die Ursachen dieser Materialverlagerung sind bisher nicht bekannt, scheinen aber mit dem Zusatz von Wolfram oder sauerstoffhaltigen Wolframverbindungen im Zusammenhang zu stehen, da sie bei wolframfreien AgSn0₂-Werkstoffen bisher nicht auftraten. Aus diesen Gründen muß vor Einsatz der wolframhaltigen AgSn0₂-Werkstoffe zunächst das Verhalten bezüglich Materialverlagerung geprüft werden. Alternativ kann bei Auftreten der Materialverlagerung der erfindungsgemäße Werkstoff ohne Wolfram- zusatz als Ersatz für AgCd0 eingesetzt werden, der bei einer Volumenreduzierung um ca. 20 % gegenüber AgCd0 noch ein günstiges Abbrandverhalten aufweist.

[0025] Insgesamt weisen die erfindungsgemäßen Werkstoffe mit Wolframzusatz gegenüber AgSn0₂11,5 W0₃0,5 eine höhere Lebensdauer bei niedrigerer Übertemperatur auf, während sich die erfindungsgemäßen Werkstoffe ohne Wolfram durch fehlende Materialverlagerung, sehr günstige Übertemperatur und gegenüber AgCd0 höhere Lebensdauer auszeichnen, die jedoch nicht ganz die Werte von AgSn0₂11,5 W0₃0,5 erreicht.

[0026] Es kann also belegt werden, daß die Mittelwerte der bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen gemessenen Temperaturen erheblich unterhalb der Meßwerte beim AgSn0₂11,5 W0₃0,5-Werkstoff liegen. Dieses Ergebnis ist umso überraschender, da nunmehr die bisher als unvermeidbar erachteten Materialwanderungen besser beherrscht werden können. Die Schweißkraft ergab bei allen Werkstoffen Werte in gleicher Größenordnung wie beim früher verwendeten AgCdO-Werkstoff.

[0027] In weiteren Beispielen kann die prozentuale Zusammensetzung des Werkstoffes mit der speziellen Oxidkombination Sn0₂, Ta₂0₅, Cu0 und B1₂0₃ sowie gegebenenfallsW weiter variiert werden. Insbesondere können die prozentualen Verteilungen neben Silber bei 8 bis 14 Masse-% Sn02, 0,2 bis 1,5 Masse-% Ta₂0₅, 0,2 bis 1,5 Masse-% Cu0, 0,1 bis 1,2 Masse-% Bi203 und gegebenenfalls 0,05 bis 1 Masse-% Wolfram liegen. Zu letzterem hat sich gezeigt, daß das Wolfram entweder als Reinwolfram oder als Wolframoxid (W0₃) bzw. andere sauerstoffhaltige Wolframverbindungen zugesetzt werden kann, ohne daß die Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes beeinträchtigt werden.

[0028] Das überraschende Auftreten einer Verringerung der Übertemperatur am Kontaktstück bei Verwendung von Tantaloxid hat sich auch gezeigt bei Werkstoffen, die neben Silber 5 bis 20 Masse-% Sn0₂, 0,1 bis 5 Masse-% _Ta205, ₀,₁ bis ₅ Masse-% CuO, 0,1 bis 5 Masse-% Bi₂0₃ und gegebenenfalls 0,05 bis 3 Masse-% W enthält.

[0029] Bei den erfindungsgemäßen Werkstoffen ist vorteilhaft, daß die Materialkosten der einzelnen Zusatzkomponenten gegenüber dem bisher als besonders günstig herausgestellten Ge0₂ nur etwa 40 % betragen. Damit läßt sich das Ziel der Erfindung, einen preisgünstigen Kontaktwerkstoff mit günstigem Temperaturverhalten zu schaffen, erreichen. Insgesamt lassen sich nunmehr geeignete Kontaktstücke für Schaltgeräte erzeugen.

Ansprüche

1. Werkstoff für elektrische Kontakte, insbesondere für Kontaktstücke in Niederspannungsschaltgeräten, welcher aus Silber, Zinnoxid und weiteren Zusätzen besteht, dadurch gekennzeichnet , daß die weiteren Zusätze in Kombination Oxide der Metalle Tantal (Ta₂0₅), Kupfer (Cu0) und Wismut (Bi₂0₃) sind.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich Wolfram oder sauerstoffhaltige Wolframverbindungen vorhanden sind.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er außer Silber 5 bis 20 % Sn0₂, 0,1 bis 5 Masse-% Ta₂0₅, 0,1 bis 5 Masse-% Cu0, 0,1 bis 5 Masse-% Bi₂0₃ enthält.

4. Werkstoff nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß er 0,05 bis 3 Masse-% W enthält.

5. Werkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß er außer Silber 7 bis 14 Masse-% Sn0₂, 0,2 bis 1,5 Masse-% Ta₂0_5' 0,2 bis 1,5 Masse-% CuO, 0,1 bis 1,2 Masse-% Bi₂0₃ enthält.

6. Werkstoff nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß er 0,05 bis 1 Masse-% W enthält.

7. Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß er in Massenanteilen 7,5 % Sn0₂, 0,5 % Ta205, 0,3 % CuO, 0,3 % Bi₂O₃ und als Rest Silber enthält.

8. Werkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß er in Massenanteilen 10,5 % SnO₂, 0,8 % Ta205, 0,5 % Cu0, 0,5 % Bi₂0₃ und als Rest Silber enthält.

9. Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß er 7,0 % Sn0₂₁ 0,5 % Ta₂0₅, 0,5 % Cu0, 0,3 % Bi203, 0,2 % W und als Rest Silber enthält.

10. Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß er 10,5 Masse-% Sn0₂, 0,8 Masse-% Ta205, 0,5 Masse-% CuO, 0,4 Masse-% Bi₂0₃, 0,3 Masse-% W und als Rest Silber enthält.

11. Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die sauerstoffhaltige Wolframverbindung ein Oxid (WO₃) ist.

12. Verfahren zum Fertigen von Kontaktstücken aus einem Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff nach Mischen der einzelnen Komponenten zu einem Pulveransatz durch Pressen, Sintern sowie Nachpressen hergestellt wird und daß anschließend durch Strangpressen ein Band als Halbzeug erzeugt wird, von dem Kontaktstücke abtrennbar sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß dem Pulveransatz das Wolfram als reines Wolframpulver zugesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß dem Pulveransatz das Wolfram als Wolframoxidpulver zugesetzt wird.

15. Nach dem Verfahren eines der Ansprüche 12 bis 14 hergestelltes Kontaktstück aus einem Werkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff ein Richtgefüge aufweist.

16. Kontaktstück nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Richtgefüge parallel zu den Kanten des Kontaktstückes verläuft.