VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES ERZEUGNISSES AUS EINEM KONTAKTWERKSTOFF AUF SILBERBASIS, KONTAKTWERKSTOFF SOWIE ERZEUGNIS AUS DEM KONTAKTWERKSTOFF

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente. Die Erfindung betrifft weiter einen Kontaktwerkstoff sowie ein Erzeugnis aus einem solchen Kontaktwerkstoff, insbesondere ein Kontaktstück für ein Schaltgerät der Energietechnik.

[0002] Für ein Kontaktstück in einem Schaltgerät der Energietechnik, z.B. in einem Leistungsschalter sowie in einem Gleichstrom-, Motor- oder Hilfsschütz, haben sich Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis, die bestimmte Wirkkomponenten enthalten, seit langem bewährt. Als Wirkkomponenten, welche die Schalteigenschaften des Kontaktwerkstoffes günstig beeinflussen, sind sowohl Metalle als auch Metalloxide bekannt. Vertreter der metallischen Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis sind Silber-Nickel (AgNi) und Silber-Eisen (AgFe). Als Vertreter der oxidischen Kontaktwerkstoffe sei insbesondere Silber-Eisenoxid (AgFe₂O₃) genannt.

[0003] Die praktische Vewendbarkeit eines Kontaktwerkstoffes wird durch seine elektrischen Kontakteigenschaften bestimmt. Maßgebliche Kenngrößen dabei sind die Lebensdauerschaltzahl, die durch den Abbrand des Kontaktstückes bestimmt wird, die sogenannte Übertemperatur, die sich aus der Kontakterwärmung an der Kontaktbrücke und an den Anschlüssen ergibt, die Verschweißneigung und die Korrosionsbeständigkeit.

[0004] Zur Messung der Schalteigenschaften eines Kontaktwerkstoffes wird üblicherweise ein in Z.f. Werkstofftechnik/J. of materials technologies 7 (1976) 381 bis 389, beschriebener Prüfschalter herangezogen, in den jeweils ein Kontaktstück aus dem Kontaktwerkstoff eingesetzt wird.

[0005] Besonders Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe besitzen gute Schalteigenschaften, jedoch ist nachteilig, daß der sich bei der Herstellung oder während des Betriebs durch Abrieb bildende Nickelstaub sowie das sich als Schaltprodukt bildende Nickeloxid schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben können.

[0006] Als ein Ersatzwerkstoff für Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe ist aus der DE-A-43 28 281 ein oxidischer Kontaktwerkstoff auf Silberbasis bekannt, welcher als Hauptwirkkomponente Eisenoxid in Massenanteilen von 3 % bis 20 % und als eine weitere Wirkkomponente zumindest ein Oxid eines Elementes der dritten Nebengruppe des Periodensystems in einem Massenanteil von 0,1 % bis 10 % enthält. Insbesondere die Verwendung von Yttriumoxid als eine weitere Wirkkomponente wird dabei als besonders vorteilhaft für die Kontakteigenschaften eines derartigen Kontaktwerkstoffes angesehen.

[0007] Ebenso ist in der DE-A-44 10 462 ein Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente beschrieben. Zur Verbesserung der Kontakteigenschaften wird dabei neben einem Oxid eines Elements der dritten Nebengruppe des Periodensystems, insbesondere Yttriumoxid, zumindest ein Metalloxid eines Elements der 6. Nebengruppe des Periodensystems beigemengt. Insbesondere Eisenwolframat (FeWO₄) verringert dabei die Kontakterwärmung sowie die Verschweißneigung und führt zu einer hohen Lebensdauer des Kontaktwerkstoffes.

[0008] Desweiteren ist aus der DE-A-41 17 311 ein Kontaktwerkstoff auf Silberbasis bekannt, welcher als Wirkkomponenten Eisenoxid in Massenanteilen zwischen 1 % und 50 % und ein Oxid eines weiteren chemischen Elementes in Massenanteilen zwischen 0,01 % und 5 % enthält. Es ist dabei erkannt worden, daß sich insbesondere das Temperaturverhalten eines Silber-Eisenoxid-Kontaktwerkstoffes durch die Beimengung von Rheniumoxid, Wismutzirkonat, Boroxid, Zirkonoxid, Molybdänoxid oder Wolframoxid günstig beeinflussen läßt.

[0009] Als Herstellungsverfahren für einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente ist aus der DE-A-43 28 281, der DE-A-41 17 311 und der DE-A-44 10 462 bekannt, entsprechende Anteile von Silberpulver, Eisenoxidpulver und Pulver weiterer Wirkkomponenten zu vermischen und die entstehende Pulvermischung pulvermetallurgisch zu einem Halbzeug oder zu einem Formstück weiterzuverarbeiten. Für die genannten Pulver werden dabei durchweg handelsübliche Pulver verwendet.

[0010] Für die Herstellung eines Formstücks aus dem Kontaktwerkstoff sind im wesentlichen zwei verschiedene pulvermetallurgische Verfahren bekannt.

[0011] Bei der Formteiltechnik wird die Pulvermischung durch Formpressen zu einem Formteil verpreßt, welches durch Sintern und ggf. weiteres Pressen zu einem fertigen Formstück verarbeitet wird. Für die Herstellung eines Formstücks in Form eines Kontaktstücks kann das Formteil zusätzlich mit einer Schicht aus Reinsilber zur sicheren Verbindung des Kontaktstucks mit der Unterlage durch Hartlöten verpreßt werden.

[0012] Bei der Strangpreßtechnik wird die Pulvermischung zunächst zu einem porösen Preßling oder Barren gepreßt und/oder gesintert. Der Preßling oder Barren wird, ggf. zusammen mit einer Schicht aus Reinsilber, durch Strangpressen zu einem Strang gepreßt, aus welchem die Formstücke abgetrennt und eventuell einer nachfolgenden Behandlung unterzogen werden.

[0013] Ein Nachteil der durch Mischen von Silberpulver mit handelsüblichen Oxidpulvern hergestellten Silber-Eisenoxid-Kontaktwerkstoffen ist ihre schlechte Verformbarkeit. Derartige Kontaktwerkstoffe eignen sich schlecht für die Herstellung von Nieten, insbesondere von Nieten mit einem großem Kopf/Schaftverhältnis. Da der Nietenkopf in der Regel durch eine Druckverformung aus einem Formstück in Gestalt eines Drahtes herausgebildet wird, muß eine hohe Verformbarkeit des verwendeten Werkstoffs vorausgesetzt werden.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus einem Kontaktwerkstoff mit hervorragenden Schalteigenschaften sowie einer gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserten Verformbarkeit anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Kontaktwerkstoff sowie ein Erzeugnis, insbesondere in Form einer Niete, aus dem Kontaktwerkstoff anzugeben, welches sich besonders für eine Anwendung in der Energietechnik eignet.

[0015] Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Erzeugnisses aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente wird diese Aufgabe gelöst, indem zunächst eine Pulvermischung aus Silber (Ag) und Eisen (Fe) gebildet wird, in der das Eisen (Fe) in Form eines Pulvers mit einer mittleren Korngröße von größer als 1 µm verwendet wird, und wobei danach diese Pulvermischung pulvermetallurgisch zu dem Formstück weiterverarbeitet und dabei das Eisen (Fe) zu Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) oxidiert wird.

[0016] Bezüglich des Kontaktwerkstoffes wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente, welcher Silber und Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) umfaßt, wobei die mittlere Korngröße des Oxids größer als 1 µm, vorzugsweise größer als 3 µm, ist.

[0017] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Verformbarkeit eines Kontaktwerkstoffes auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente im wesentlichen durch die mittlere Korngröße der Eisenoxid-Partikel in der Silbermatrix bestimmt ist. Innerhalb eines Intervalls für eine mittlere Korngröße der Eisenoxid-Partikel von 1 µm bis 10 µm weist ein derartiger Kontaktwerkstoff mit einer großen mittleren Korngröße der Eisenoxid-Partikel eine höhere Verformbarkeit auf als ein Kontaktwerkstoff mit einer kleinen mittleren Korngröße. Mit den herkömmlichen Herstellungsverfahren läßt sich jedoch kein Silber-Eisenoxid-Kontaktwerkstoff herstellen, welcher Eisenoxid-Partikel mit einer mittleren Korngröße von mehr als 1 µm aufweist, da Eisenoxid-Pulver im Handel nur mit einer mittleren Korngröße von weniger als 1 µm erhältlich sind.

[0018] Da jedoch Eisen-Pulver verfügbar sind, deren mittlere Korngrößen größer als 1 µm sind, läßt sich durch die Verwendung von Eisen-Pulver statt Eisenoxid-Pulver und anschließender Oxidation des Eisens zu Eisenoxid ein Kontaktwerkstoff erzielen, bei dem die mittlere Korngröße der Eisenoxid-Partikel in einem Bereich von mehr als 1 µm liegt. Das Eisenoxid kann dabei reines Fe₂O₃ oder Fe₃O₄ oder eine Mischung aus diesen Oxiden sein. Da im Vergleich zu herkommlichen Herstellungsverfahren kein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig.

[0019] Unter einem Erzeugnis soll hier der in beliebiger Form vorliegende Kontaktwerkstoff verstanden werden. Eine bloße Pulvermischung oder eine lockere Pressung der Pulvermischung, wobei das Eisen noch nicht zu Eisenoxid oxidiert ist, stellt kein Erzeugnis in diesem Sinne dar. Der genannte Barren, in welchem Eisen zu Eisenoxid oxidiert wurde oder ein fertiges Formstück, sind jedoch solche Erzeugnisse.

[0020] Um bei guten Kontakteigenschaften gleichzeitig eine hohe Verformbarkeit zu erhalten, ist es vorteilhaft, daß Eisen in Form eines Pulvers mit einer mittleren Korngröße von größer als 3 µm verwendet wird.

[0021] Die Oxidation des Eisens erfolgt vorteilhafterweise in der Pulvermischung, da durch die zunehmende Verdichtung der Pulvermischung in nachfolgenden Arbeitsschritten eine vollständige Oxidation erschwert ist. Die Oxidation ist jedoch auch in einem Rohling des Erzeugnisses möglich, welcher noch eine genügend hohe Porosität bzw. Gasdurchlässigkeit aufweist. Ein solcher Rohling ist beispielsweise der in der Strangpreßtechnik bereitzustellende Barren, der nachfolgend zu einem Strang verpreßt wird. Ebenso kann ein solcher Rohling ein in der Formteiltechnik hergestelltes Vorprodukt für ein Formteil sein.

[0022] Vorzugsweise wird das Eisen durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise in Luft oder Sauerstoff oxidiert. Vorteilhafterweise erfolgt dabei die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500 °C bis 1000 °C, vorzugsweise bei etwa 700 °C.

[0023] Für die Kontakteigenschaften des Kontaktwerkstoffs bzw. des Erzeugnisses aus dem Kontaktwerkstoff ist es von Vorteil, wenn als Oxid eines weiteren Metalls Zirkonoxid (ZrO₂) oder Rheniumoxid (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇) verwendet wird. Dabei kann das Rheniumoxid reines ReO₂, ReO₃ oder Re₂O₇ sein, es kann aber auch als Mischung der genannten Oxide vorliegen. Von diesen Metalloxiden ist insbesondere bekannt, daß sie die Übertemperatur, die sich aus der Kontakterwärmung ergibt und im wesentlichen von dem elektrischen Widerstand der Kontaktbrücke abhängt, günstig beeinflussen, d.h. verringern.

[0024] Die Schalteigenschaften des Kontaktwerkstoffs lassen sich gunstig beeinflussen, indem der Pulvermischung weitere Metalle und/oder weitere Metalloxide beigemischt werden. Günstig für die Schalteigenschaften sind beispielsweise Metalle aus der 3. und 6. Nebengruppe des Periodensystems und/oder Oxide dieser Metalle.

[0025] Günstige Schalteigenschaften besitzt der Kontaktwerkstoff, wenn das Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) in einem Massenanteil zwischen 1 % und 50 % und ein Oxid des weiteren Metalls in einem Massenanteil zwischen 0,01 % und 5 % vorliegen.

[0026] Die Aufgabe bezüglich des Erzeugnisses wird gelöst durch ein Erzeugnis aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis, welcher Silber und als Hauptwirkkomponente Eisenoxid umfaßt, wobei die mittlere Korngröße des Eisenoxids größer als 1 µm, vorzugsweise größer als 3 µm ist. Insbesondere eignet sich der Kontaktwerkstoff besonders für ein Kontaktstück in Form einer Niete für ein Schaltgerät der Energietechnik, z.B. ein Niederspannungsschalter.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit Eisenoxid als Hauptwirkkomponente, wobei zunächst eine Pulvermischung aus Silber (Ag) und Eisen (Fe) gebildet wird, in der das Eisen (Fe) in Form eines Pulvers mit einer mittleren Korngröße von größer als 1 µm verwendet wird, und wobei danach diese Pulvermischung pulvermetallurgisch zu dem Erzeugnis weiterverarbeitet und dabei das Eisen (Fe) zu Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) oxidiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Eisen (Fe) in Form eines Pulvers mit einer mittleren Korngröße von größer als 3 µm verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen (Fe) in der Pulvermischung oder in einem Rohling des Erzeugnisses oxidiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen (Fe) durch eine Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise Luft oder Sauerstoff, oxidiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500°C bis 1000°C, vorzugsweise bei 700°C, erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Pulvermischung ein Oxid mindestens eines weiteren Metalls und/oder mindestens ein weiteres Metall beigemischt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid des weiteren Metalls Zirkonoxid (ZrO₂) oder Rheniumoxid (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇) ist.

8. Kontaktwerkstoff auf Silberbasis, welcher Silber und als Hauptwirkkomponente Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) umfaßt, wobei die mittlere Korngröße des Eisenoxids größer als 1 µm, vorzugsweise größer als 3 µm, ist.

9. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) in Massenanteilen zwischen 1 % und 50 % vorliegt.

10. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Oxid eines weiteren Metalls enthalten ist, welches in Massenanteilen zwischen 0,01 % und 5 % vorliegt.

11. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid des weiteren Metalls Zirkonoxid (ZrO₂) oder Rheniumoxid (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇) ist.

12. Erzeugnis aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis, welcher Silber und als Hauptwirkkomponente Eisenoxid (Fe₂O₃/Fe₃O₄) umfaßt, wobei die mittlere Korngröße des Eisenoxids größer als 1 µm, vorzugsweise größer als 3 µm, ist.

13. Erzeugnis nach Anspruch 12,
welches als ein Kontaktstück, bevorzugt in Form einer Niete, für ein Schaltgerät der Energietechnik, insbesondere für einen Niederspannungsschalter, ausgebildet ist.

Claims

1. Process for producing a product from a silver-based contact material with iron oxide as the main active component, in which first of all a powder mixture is formed from silver (Ag) and iron (Fe), in which mixture the iron (Fe) is used in the form of a powder with a main grain size of greater than 1 µm, and in which this powder mixture is then processed further by powder metallurgy to form the product, and during this operation the iron (Fe) is oxidized to form iron oxide (Fe₂O₃/Fe₃O₄).

2. Process according to Claim 1, characterized in that iron (Fe) in the form of a powder with a mean grain size of greater than 3 µm is used.

3. Process according to one of Claims 1 to 2, characterized in that the iron (Fe) is oxidized in the powder mixture or in a product blank.

4. Process according one of Claims 1 to 3, characterized in that the iron (Fe) is oxidized by a heat treatment in an oxidizing atmosphere, preferably air or oxygen.

5. Process according to Claim 4, characterized in that the heat treatment takes place at a temperature of from 500°C to 1000°C, preferably at 700°C.

6. Process according to one of Claims 1 to 5, characterized in that an oxide of at least one further metal and/or at least one further metal is admixed with the powder mixture.

7. Process according to Claim 6, characterized in that the oxide of the further metal is zirconium oxide (ZrO₂) or rhenium oxide (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇).

8. Silver-based contact material which comprises silver and, as the main active component, iron oxide (Fe₂O₃/Fe₃O₄), the mean grain size of the iron oxide being greater than 1 µm, preferably greater than 3 µm.

9. Contact material according to Claim 8, characterized in that the iron oxide (Fe₂O₃/Fe₃O₄) is present in proportions by mass between 1% and 50%.

10. Contact material according to Claim 8 or 9, characterized in that it contains an oxide of a further metal, which is present in proportions by mass of between 0.01% and 5%.

11. Contact material according to Claim 10, characterized in that the oxide of the further metal is zirconium oxide (ZrO₂) or rhenium oxide (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇).

12. Product made from a silver-based contact material which comprises silver and, as the main active component, iron oxide (Fe₂O₃/Fe₃O₄), the mean grain size of the iron oxide being greater than 1 µm, preferably greater than 3 µm.

13. Product according to Claim 12 which is designed as a contact piece, preferably in the form of a rivet, for power engineering switchgear, in particular for a low-voltage circuit breaker.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un produit en un matériau de contact à base d'argent ayant de l'oxyde de fer comme constituant actif principal, en formant d'abord un mélange de poudre d'argent (Ag) et de fer (Fe) dans lequel le fer (Fe) est utilisé sous la forme d'une poudre ayant une granulométrie moyenne supérieure à 1 µm et en transformant ensuite le mélange de poudre par métallurgie des poudres en le produit et en oxydant ainsi le fer (Fe) en oxyde de fer (Fe₂O₃/Fe₃O₄).

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise du fer (Fe) sous la forme d'une poudre d'une granulométrie moyenne supérieure à 3 µm.

3. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'on oxyde le fer (Fe) dans le mélange de poudre ou dans une ébauche du produit.

4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on oxyde le fer (Fe) par un traitement thermique dans une atmosphère oxydante, de préférence dans de l'air ou dans de l'oxygène.

5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'on effectue le traitement thermique à une température de 500°C à 1000°C, de préférence à 700°C.

6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on mélange au mélange de poudre un oxyde d'au moins un autre métal et/ou au moins un autre métal.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'oxyde de l'autre métal est l'oxyde de zirconium (ZrO₂) ou l'oxyde de rhénium (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇).

8. Matériau de contact à base d'argent qui renferme de l'argent et comme constituant actif principal de l'oxyde de fer (Fe₂O₃/Fe₃O₄), la granulométrie moyenne de l'oxyde de fer étant supérieure à 1 µm et de préférence supérieure à 3 µm.

9. Matériau de contact suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'oxyde de fer (Fe₂O₃/Fe₃O₄) est présent en des proportions en poids comprises entre 1 % et 50 %.

10. Matériau de contact suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il contient un oxyde d'un autre métal qui est présent en des proportions en poids comprises entre 0,01 % et 5 %.

11. Matériau de contact suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'oxyde de l'autre métal est de l'oxyde de zirconium (ZrO₂) ou de l'oxyde de rhénium (ReO₂/ReO₃/Re₂O₇).

12. Produit en un matériau de contact à base d'argent qui renferme de l'argent et de l'oxyde de fer (Fe₂O₃/Fe₃O₄) comme constituant actif principal, la granulométrie moyenne de l'oxyde de fer étant supérieure à 1 µm et de préférence supérieure à 3 µm.

13. Produit suivant la revendication 12, qui est constitué sous la forme d'une pièce de contact, de préférence sous la forme d'un rivet, pour un appareil de commutation de la technique des courants forts, notamment pour un interrupteur en basse tension.