DE1123416B - Contact material and process for its manufacture - Google Patents

Description

Kontaktwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung Bei Kontakten, die bei erhöhter Umgebungstemperatur, z. B. zwischen 300 und 400° C, schalten oder die nach kleiner bis mittlerer elektrischer Belastung mit kleinen Schaltkräften wieder geöffnet werden sollen, treten häufig Haftkräfte auf, die in der Größenordnung von mehreren Gramm liegen und somit über der verfügbaren öffnungskraft liegen. Bei zwei mit der Kontaktkraft P aufeinandergedrückten Kontakten bildet sich durch die Kontaktkraft P eine plastische Verformung des Kontaktmaterials, entsprechend der Materialhärte H eine Berührungsfläche (effektive Kontaktfläche) von der Größe F=PIH aus. Werden die so aufeinandergedrückten Kontakte auf höhere Temperatur gebracht, z. B. auf 400° C, ohne daß ein Strom darüberfließt, so treten bereits Haftkräfte von einigen Gramm auf. Dieser Effekt beruht auf der Diffusion im festen Zustand; hierbei bildet sich zwischen den beiden Kontakten eine Diffusionsbrücke, die mit zunehmender Zeit wciterwächst. Bei gleichzeitiger Strombelastung wird durch die Erwärmung im Stromengegebiet die Diffusion und dadurch die Größe und Festigkeit der Brücke erhöht. Es besteht also ein technisches Interesse an Kontaktwerkstoffen mit kleinen Klebekräften, die darüber hinaus eine kleine Klebefähigkeit bei einem verhältnismäßig kleinen Spannungsabfall aufweisen. Die zuletzt genannte Forderung wird von den oft gebräuchlichen Silberkontakten erfüllt; die bei Silber auftretenden Haftkräfte übersteigen jedoch häufig den zulässigen Grenzwert.Contact material and process for its production In the case of contacts, at elevated ambient temperature, e.g. B. between 300 and 400 ° C, switch or those after low to medium electrical loads with low switching forces are to be opened again, there are often adhesive forces in the order of magnitude of several grams and are therefore above the available opening force. at two contacts pressed together with the contact force P is formed by the Contact force P is a plastic deformation of the contact material, corresponding to the Material hardness H a contact area (effective contact area) of the size F = PIH the end. If the contacts pressed together in this way are brought to a higher temperature, z. B. to 400 ° C without a current flowing over it, adhesive forces already occur from a few grams up. This effect is based on diffusion in the solid state; a diffusion bridge is formed between the two contacts with increasing time it grows. With simultaneous current load, the Warming in the area of the river increases the diffusion and thereby the size and strength the bridge increases. So there is a technical interest in contact materials with small adhesive strengths, which also have a small adhesive capacity for one have a relatively small voltage drop. The latter requirement is fulfilled by the often used silver contacts; those that occur with silver However, adhesive forces often exceed the permissible limit value.

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff für kleinere und mittlere Schaltleistungen und für Kontakte, die bei erhöhter Umgebungstemperatur bis zu etwa 400° C schalten. Ein solcher Kontaktwerkstoff ist erfindungsgemäß aus einem Gemisch von Silber-und Kupferpulver durch Pressen und Sintern hergestellt und weist eine Korngröße in der Größenordnung von 10-2 mm oder kleiner, vorzugsweise kleiner als 0,02 mm auf. Unter kleineren und mittleren Schaltleistungen werden solche von 1 bis 5 kVA verstanden.The invention relates to a contact material for small and medium-sized Switching capacities and for contacts that at increased ambient temperature up to about Switch to 400 ° C. According to the invention, such a contact material is composed of a mixture Made of silver and copper powder by pressing and sintering and has a Grain size on the order of 10-2 mm or smaller, preferably smaller than 0.02 mm. Smaller and medium switching capacities are those of 1 understood up to 5 kVA.

Es ist zu berücksichtigen, daß man bei der Herstellung von Werkstoffen der in Frage kommenden Art aus verfahrenstechnischen Gründen bisher im allgemeinen das Schmelzverfahren gegenüber dem Sinterverfahren vorgezogen hat, sofern die Herstellung auf dem Schmelzwege möglich war. Es sind zwar, schon gesinterte Kupferlegierungen angegeben worden, ohne daß jedoch ihre besondere Eignung als Kontaktwerkstoff erkannt worden war. Vor allem hat man hierbei die Erreichung der Eigenschaften des geschmolzenen Werkstoffes angestrebt, also einen der vorliegenden Frfindung entgegengesetzten Weg verfolgt. Allgemein hat man bisher nur dann das pulvermetallurgische Verfahren angewendet, wenn dem Werkstoff nichtlösliche Komponenten zugesetzt werden sollten.It is to be taken into account that one in the production of materials of the type in question for procedural reasons so far in general has preferred the melting process to the sintering process, provided that the production was possible on the melting route. They are already sintered copper alloys have been specified, but without their particular suitability as a contact material being recognized had been. Above all, one has here to achieve the properties of the molten one Desired material, so one of the present invention opposite Tracked path. In general, the powder metallurgical process has so far only been used used when insoluble components should be added to the material.

Das Zweistoffsystem Ag-Cu besitzt auf der Agreichen Seite eine Löslichkeit im festen Zustand, z. B. von 8 % Kupfer bei einer Temperatur von 780° C; es sind daher auch schon Ag-Cu-Legierungen mit einem Kupfergehalt von einigen Prozenten auf dem Schmelzwege hergestellt und unter der Bezeichnung Hartsilber bekanntgeworden. Diese Ag-Cu-Schmelzlegierungen besitzen nach dem Erstarren eine verhältnismäßig große Kongröße, und die kaltverformten Legierungen rekristallisieren bei erhöhter Temperatur leicht. Demgegenüber weist der Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung eine um mindestens eine bis zwei Größenordnungen kleinere Korngröße und eine höhere Rekristallisationstemperatur auf.The two-component system Ag-Cu has a solubility on the Ag-rich side in the solid state, e.g. B. of 8% copper at a temperature of 780 ° C; there are hence Ag-Cu alloys with a copper content of a few percent Manufactured by melting and became known as hard silver. These Ag-Cu fusible alloys have a relatively high after solidification large con size, and the cold-worked alloys recrystallize with increased Temperature slightly. In contrast, the contact material according to the invention has a at least one to two orders of magnitude smaller grain size and a higher recrystallization temperature on.

Die Löslichkeit des Kupfers im Silber nimmt mit sinkender Temperatur ab. Der Kupfergehalt des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung wird vorteilhafterweise zwischen 1 und 8%, bemessen.The solubility of copper in silver decreases with decreasing temperature away. The copper content of the contact material according to the invention becomes advantageous between 1 and 8%.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung erfolgt nach den an sich bekannten pulvermetallurgischen Verfahren. Dabei wird das Silber-und Kupferpulver innig gemischt, gepreßt und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff, zwischen 750 und 850° C gesintert und die Sinterzeit je nach Korngröße der Ausgangspulver zwischen 30 Minuten und 2 Stunden bemessen, und zwar derart, daß die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander zu einem Konzentrationsausgleich im Sinterkörper führt. Der Sinterkörper wird je nach der gewünschten Härte des Kontaktwerkstoffes mit 6 bis 10 t/cm2 nachgepreßt und nachgesintert. Um mit möglichst kurzen Sinterzeiten bereits eine homogene Sinterlegierung zu erhalten, empfiehlt es sich, die Korngröße der Ausgangspulver nicht zu groß zu wählen. Vorteilhaft ist eine Korngröße des Ausgangssilberpulvers unter 10 #t und des Ausgangskupferpulvers unter 50 #t.The contact material is produced according to the invention according to the known powder metallurgical process. Thereby the silver and Copper powder intimately mixed, pressed and in a neutral or reducing atmosphere, z. B. in vacuum or in hydrogen, sintered between 750 and 850 ° C and the sintering time depending on the grain size of the starting powder measured between 30 minutes and 2 hours, in such a way that the diffusion of the Silver and copper in one another leads to a concentration equalization in the sintered body. The sintered body will ever re-pressed with 6 to 10 t / cm2 according to the desired hardness of the contact material and re-sintered. In order to achieve a homogeneous sintered alloy with the shortest possible sintering times It is recommended that the grain size of the starting powder not be too large Select. A grain size of the starting silver powder below 10 #t and of the starting copper powder below 50 #t.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es jedoch auch günstig, daß der Konzentrationsausgleich im Sinterkörper nicht voll durchgeführt ist. Die Konzentrationsunterschiede bilden sich im Bereich etwa der Ausgangspulvergröße aus. Kontaktwerkstoffe dieser Art haben in den kupferreichen Bereichen eine verhältnismäßig geringe Klebefestigkeit. Zur Herstellung solcher Kontaktwerkstoffe wird das Silber- und Kupferpulver innig gemischt, gepreßt und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff, zwischen 700 und 800° C gesintert und die Sinterzeit je nach Korngröße der Ausgangspulver zwischen 10 Minuten und einer Stunde bemessen, und zwar derart, daß die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander noch zu keinem vollständigen Konzentrationsausgleich geführt hat.For certain applications, however, it is also favorable that the concentration compensation in the sintered body is not fully carried out. The differences in concentration develop in the area around the size of the initial powder. Contact materials of this type have a relatively low adhesive strength in the copper-rich areas. To produce such contact materials, the silver and copper powder is intimately mixed, pressed and placed in a neutral or reducing atmosphere, e.g. B. in vacuum or in hydrogen, sintered between 700 and 800 ° C and the sintering time depending on the grain size of the starting powder between 10 minutes and an hour, in such a way that the diffusion of silver and copper into each other has not yet led to a complete concentration equalization .

Sowohl die vollkommen homogenisierten Sinterlegierungen wie auch die Legierungen mit Konzentrationsunterschieden gemäß der Erfindung sind als Kontaktwerkstoffe für die oben angegebenen Schaltbedingungen hervorragend geeignet. Bis zu Umgebungstemperaturen von etwa 400° C und beim Schalten von Strömen bis 14 Ampere liegen die Haftkräfte unter 3 g, bezogen auf die sich bei 5 g Kontaktkraft ausbildende effektive Kontaktfläche, bei einer verhältnismäßig geringen Klebehäufigkeit.Both the completely homogenized sintered alloys and the Alloys with differences in concentration according to the invention are used as contact materials ideally suited for the switching conditions specified above. Up to ambient temperatures The adhesive forces are around 400 ° C and when switching currents up to 14 amps less than 3 g, based on the effective contact area formed with 5 g contact force, with a relatively low frequency of adhesion.

Zur weiteren Erläuterung sei noch folgendes Beispiel angegeben: 97,5 g Ag-Pulver mit einer Kongröße kleiner als 50 g und 2,5% Kupferpulver mit einer Kongröße kleiner als 20 #t werden innig gemischt. Bevorzugt wird eine Naßmischung, die zu einer gleichmäßigeren Verteilung der beiden Pulver führt. Das Gemisch wird mit 1,5 t/cm2 in einer Matrize verpreßt; dabei erhält man eine Preßdichte von 7,5 g/cm3. Die anschließende Sinterung wird in Wasserstoff bei 800° C während einer Stunde durchgeführt; die Sinterdichte beträgt dann 8,94 g/cm3. Durch Kaltnachpressen mit 10 t/cm2 erhält man eine Enddichte von 10,1 g/cm3. Das Gefüge ist heterogen. Die kupferreichen Bereiche sind im Silber gleichmäßig verteilt eingelagert. Das Material zeigt bei 400° C die oben beschriebenen kleinen Haftkräfte.The following example is given for further explanation: 97.5 g Ag powder with a con size smaller than 50 g and 2.5% copper powder with a Con sizes smaller than 20 #t are mixed intimately. A wet mix is preferred, which leads to a more even distribution of the two powders. The mixture will pressed at 1.5 t / cm2 in a die; this gives a compressed density of 7.5 g / cm3. The subsequent sintering is carried out in hydrogen at 800 ° C during a Hour carried out; the sintered density is then 8.94 g / cm3. By cold pressing with 10 t / cm2 one obtains a final density of 10.1 g / cm3. The structure is heterogeneous. The copper-rich areas are evenly distributed in the silver. That Material shows the small adhesive forces described above at 400 ° C.

Im obengenannten Beispiel hat die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander noch zu keinem vollständigen Konzentrationsausgleich geführt. Um diesen zu erreichen, ist es bei den vorliegenden Korngrößen der Ausgangspulver erforderlich, die Sinterung bei einer Temperatur von etwa 850° C während etwa 90 Minuten durchzuführen.In the example above, the diffusion of the silver and copper took place have not yet led to a complete equalization of the concentration. To this one to achieve, it is necessary with the existing grain sizes of the starting powder, carry out the sintering at a temperature of about 850 ° C for about 90 minutes.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Kontaktwerkstoff für Kontakte, die bei erhöhter Umgebungstemperatur bis zu etwa 400° C schalten, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gemisch von Silber- und Kupferpulver durch Pressen und Sintern hergestellt ist und eine Korngröße in der Größenordnung von 10-2 mm oder kleiner, vorzugsweise kleiner als 0,02 mm aufweist. PATENT CLAIMS: 1. Contact material for contacts that switch at elevated ambient temperatures up to about 400 ° C, characterized in that it is made from a mixture of silver and copper powder by pressing and sintering and has a grain size of the order of 10-2 mm or smaller, preferably smaller than 0.02 mm. 2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupfergehalt 1 bis 8% beträgt. 2. Contact material according to claim 1, characterized in that the copper content is 1 to 8%. 3. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silber- und Kupferpulver innig gemischt, gepreßt und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff, zwischen 750 und 850° C gesintert und die Sinterzeit je nach Korngröße der Ausgangspulver zwischen 30 Minuten und 2 Stunden bemessen wird, derart, daß die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander zu einem Konzentrationsausgleich im Sinterkörper führt, und daß der Sinterkörper je nach der gewünschten Härte des Kontaktwerkstoffes mit 6 bis 10 t/cm2 nachgepreßt und nachgesintert wird. 3. A method for producing a contact material according to claim 1 or 2, characterized in that the silver and copper powder are intimately mixed, pressed and in a neutral or reducing atmosphere, for. B. in vacuum or in hydrogen, sintered between 750 and 850 ° C and the sintering time is measured depending on the grain size of the starting powder between 30 minutes and 2 hours, such that the diffusion of silver and copper into each other leads to a concentration equalization in the sintered body, and that the sintered body is re-pressed and re-sintered with 6 to 10 t / cm2, depending on the desired hardness of the contact material. 4. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silber- und Kupferpulver innig gemischt, gepreßt und in neutraler oder reduzierender Atmosphäre, z. B. im Vakuum oder in Wasserstoff, zwischen 700 und 800° C gesintert und die Sinterzeit je nach Korngröße der Ausgangspulver zwischen 10 Minuten und einer Stunde bemessen wird, derart, daß die Diffusion des Silbers und Kupfers ineinander noch zu keinem vollständigen Konzentrationsausgleich geführt hat. 4. Process for the production of a contact material according to Claim 1 or 2, characterized in that the silver and copper powder intimately mixed, pressed and in a neutral or reducing atmosphere, e.g. B. in a vacuum or in hydrogen, sintered between 700 and 800 ° C and the sintering time depending on The grain size of the starting powder is measured between 10 minutes and an hour, so that the diffusion of silver and copper into one another is not yet complete Has led to concentration equalization. 5. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, z. B. nach den Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Silberpulver mit einer Korngröße kleiner als 100 [, und Kupferpulver mit einer Korngröße kleiner als 50 V verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift »Technische Rundschau«, Nr. 14/1954, S. 5; Zeitschrift »Kolloid-Zeitschrift«, 1943, S. 104; Zeitschrift »Elektro-Post«, Nr. 10/1955, S. 157; Zeitschrift »Metallwirtschaft«, 1944, S. 361 bis 372.5. Process for the production of a contact material according to claim 1 or 2, for. B. according to the method according to claim 3 or 4, characterized characterized in that silver powder with a grain size smaller than 100 [, and copper powder with a grain size smaller than 50 V is used. Considered publications: "Technische Rundschau" magazine, No. 14/1954, p. 5; Magazine "Kolloid-Zeitschrift", 1943, p. 104; "Elektro-Post" magazine, No. 10/1955, p. 157; Magazine »Metallwirtschaft«, 1944, pp. 361 to 372.