Gesinterter Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Gesinterte Silber-Eisenwerkstoffe für elektrisch Kontakte, die in ihren Eigenschaften mit Silber-Nickel-Werkstoffen vergleichbar sind, erhält man, wenn man Eisenpulver mit mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff und Mikrohärten von mehr als 200 HV 0,025 einsetzt und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre durchführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen gesinterten Silber-Eisen-Werkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisen und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte und ein Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffs.

[0002] Kontaktwerkstoffe für den Einsatz in der elektrischen Energietechnik müssen eine hohe Abbrandfestigkeit, geringe Verschweißkraft und niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen. Für luftoffene Schaltgeräte in der Niederspannungstechnik hat sich für Schaltströme von kleiner als 100A der Verbundwerkstoff Silber-Nickel bewährt. Er besitzt eine hohe Abbrandfestigkeit bei sehr gutem Übertemperaturverhalten. Ein Nachteil des Werkstoffes liegt jedoch darin, daß Nickel, insbesondere in Form von Stäuben, schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben kann. Als Alternative zu Nickel ist daher verschiedentlich Eisen vorgeschlagen worden.

[0003] Aus der japanischen Patentanmeldung 79/148109 sind elektrische Kontaktwerkstoffe bekannt, die neben Silber noch Eisen, Nickel, Chrom und/oder Kobalt enthalten. Besonders Werkstoffe der Zusammensetzung AgFe10 zeigen einen hohen Verschleißwiderstand bei noch guter elektrischer Leitfähigkeit.

[0004] Auch in der Zeitschrift

Material & Methods Bd 44, No. 3, Sept. 56, Seite 121-126" werden Silber-Eisen-Werkstoffe für spezielle Kontaktanwendungen beschrieben. Aus der DE-AS 11-53-178 sind Silber-Kontaktwerkstoffe bekannt, die neben Silber und dem zu oxidierenden Bestandteil 0,001 bis 1 % Nickel, Eisen, Molybdän, Kobalt, Chrom, Titan und/oder Vanadium enthalten. Die DE-AS 11 06 965 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung dichtgesinterter Formkörper aus Silber mit 5 bis 50 % mindestens eines der Metalle Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Kobalt oder Nickel, die auch als Kontaktmaterial dienen können.

[0005] Silber-Eisen-Werkstoffe fanden bisher jedoch keine breitere Anwendung, da sie beim Schalten zur Bildung von Deckschichten neigen und damit zu hohen Kontakterwärmungen führen. Keiner dieser Werkstoffe erreicht die günstigen Eigenschaften der Silber-Nickel-Sinterwerkstoffe.

[0006] Bei allen bekannten Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Kontakte werden handelsübliche Eisenpulver eingesetzt, die Kohlenstoffgehalte von weniger als 0,05 Gew.% aufweisen und daher relativ weich sind. Gesintert wird üblicherweise in wasserstoffhaltigen Atmosphären, insbesondere in Stickstoff-Wasserstoffgemischen.

[0007] Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gesinterten Silber-Eisen-Werkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisen und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte zu entwickeln, der eine geringe Verschweißneigung, einen geringen Kontaktwiderstand und eine hohe Abbrandfestigkeit und damit hohe Lebensdauer aufweist, und mit diesen Eigenschaften den bekannten Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffen möglichst nahe kommt. Außerdem sollte ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkstoffe entwickelt werden.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Eisenteilchen im gesinterten Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025 aufweisen.

[0009] Vorzugsweise sollen die Eisenteilchen einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,4 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 400 HV 0,025 besitzen.

[0010] Am besten bewährt haben sich Silber-Eisen-Werkstoffe, bei denen die Eisenteilchen im gesinterten Zustand einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 1,2 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 600 HV 0,025 aufweisen.

[0011] Die Herstellung dieser Werkstoffe erfolgt durch Mischen von Silberpulver mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisenpulver und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, kaltisostatischem Pressen, Sintern bei 650 bis 940°C unter Schutzgas und Strangpressen, wobei ein Eisenpulver eingesetzt wird, das mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff enthält, und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre erfolgen muß.

[0012] Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß man beim Einsatz eines Eisenpulvers, das im Ausgangszustand und auch nach dem Sintern mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff, vorzugsweise zwischen 0,6 bis 1,2 Gew.% Kohlenstoff enthält, und dadurch eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025, vorzugsweise mehr als 600 HV 0,025 aufweist, ein Werkstoff erhalten wird, der im praktischen Einsatz eine deutliche Verbesserung im Übertemperaturverhalten bringt. Um den Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.% und damit die gewünschte Mikrohärte im gesinterten Zustand beizubehalten, muß das Sintern des Werkstoffs in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre erfolgen. Dadurch wird gewährleistet, daß der Kohlenstoffgehalt des Eisenpulvers während des Sinterns nicht verringert wird.

[0013] Der erfindungsgemäße Silber-Eisen-Werkstoff zeigt hinsichtlich der Lebensdauer und der sonstigen Eigenschaften praktisch das gleiche Verhalten wie Silber-Nickel-Werkstoffe.

[0014] Den Silber-Eisenwerkstoffen können 0 bis 5 Gew.% metallische Zusätze, wie Zink, Kupfer, Mangan, Rhenium, Iridium und Ruthenium, oder nichtmetallische Zusätze, wie Wolframoxid, Molybdänoxid, Eisenoxide, Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zirkonoxid zugesetzt werden.

[0015] Überraschenderweise lassen sich die erfindungsgemäßen Werkstoffe auch besser verarbeiten. Die Ursache liegt darin, daß das Eisen während des Strangpressens innerhalb der Silbermatrix deutlich feiner verteilt wird und daß sich das Eisen aufgrund der Sprödigkeit nicht zu langgestreckten Eisenzeilen verformt, wie in den bekannten Silber-Eisen-Werkstoffen. Die Werkstoffe lassen sich wirtschaftlich herstellen und sind in allen Schalteigenschaften mit dem Silber-Nickel-Werkstoff vergleichbar, insbesondere die Übertemperatur und Lebensdauer zeigen Werte, die auch Silber-Nickel-Werkstoffe erzielen.

[0016] Dies wurde durch elektrische Schaltversuche in serienmäßigen Schützen nachgewiesen. Die Versuche wurden mit 5,5 KW unter den Schaltbedingungen AC4 nach DIN VDE 0660 durchgeführt. Die Übertemperaturmessung erfolgte an den Kontaktbrücken bei einer Strombelastung von 20 A nach jeweils 20.000 Schaltungen. Die Werkstoffe und die Ergebnisse der mit diesen Werkstoffen durchgeführten Schaltversuche nach einer Gesamtschaltbelastung von 60.000 Schaltspielen sind in folgender Tabelle enthalten und zeigen die Verbesserung der erfindungsgemäßen Werkstoffe 6 bis 16 hinsichtlich der Kontakterwärmung gegenüber den bekannten Werkstoffen AgNi20 und AgFe9,5Zn1,5(Werkstoff 1 und 2) und Werkstoffen mit konventionellen Eisenpulvern (3 bis 5), die weniger als 0,1 Gew.% Kohlenstoff enthalten.

Nr.	Werkstoff	Mittlere Übertemperatur in K	Lebensdauer
1	AgNi20	90	110.000
2	AgFe8,5Zn1,5	116	95.000
3	AgFe8	130	95.000
4	AgFe8Re5	95	90.000
5	AgFe6MgO0,5	95	90.000
6	AgFe8,5Zn1,5	110	110.000
7	AgFe6	110	110.000
8	AgFe6Re0,5	80	100.000
9	AgFe4MgO0,5	80	105.000
10	AgFe4	80	100.000
11	AgFe10	120	125.000
12	AgFe8Al2O30,5	95	110.000
13	AgFe8SnO20,5	90	110.000
14	AgFe8SiO20,5	90	115.000
15	AgFe8Ir0,5	95	125.000
16	AgFe8Ru0,5	90	115.000

[0017] Die Herstellung der erfindungsgemäßen Werkstoffe ist in den nachstehenden Beispielen dargestellt. Dabei wird stets ein Eisenpulver eingesetzt, das etwa 0,9 Gew.% Kohlenstoff enthält und eine Härte von etwa 800 HV 0,025 aufweist.

1. 80 g Eisenpulver wird mit 920 g Silberpulver gemischt. Die Mischung wird kaltisostatisch gepreßt zu einem Strangpreßbolzen. Dieser wird unter wasserstofffreiem Stickstoff bei 850°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wird durch Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt.

2. 80 g Eisenpulver und 5 g Rheniumpulver werden mit 915 g Silberpulver gemischt. Die Mischung wird kaltisostatisch gepreßt zu einem Strangpreßbolzen. Dieser wird unter wasserstofffreiem Stickstoff bei 850°C gesintert und zu Draht mit einem Durchmesser von 8 mm stranggepreßt. Der Draht wird durch Ziehen auf die gewünschten Enddurchmesser weiter verformt.

[0018] Die Drähte lassen sich stets gut zu Kontaktstücken weiterverarbeiten.

Ansprüche

1. Gesinterter Silber-Eisenwerkstoff mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisen und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, Rest Silber, für elektrische Kontakte,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eisenteilchen im gesinterten Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,25 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 200 HV 0,025 aufweisen.

2. Silber-Eisenwerkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eisenteilchen im Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,4 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 400 HV 0,025 besitzen.

3. Silber-Eisenwerkstoff nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eisenteilchen im Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 1,2 Gew.% und eine Mikrohärte von mehr als 600 HV 0,025 aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung von Silber-Eisenwerkstoffen nach Anspruch 1 bis 3, durch Mischen von Silberpulver mit 0,5 bis 20 Gew.% Eisenpulver und 0 bis 5 Gew.% sonstiger metallischer, oxidischer, nitridischer und/oder carbidischer Zusätze, kaltisostatischem Pressen, Sintern bei 650 bis 940°C und Strangpressen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Eisenpulver mehr als 0,25 Gew.% Kohlenstoff enthält und das Sintern in einer wasserstofffreien Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird.