DE19543222C1

DE19543222C1 - Silber-Eisen-Werkstoff für elektrische Schaltkontakte (I)

Info

Publication number: DE19543222C1
Application number: DE19543222A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Weise; Willi Malikowski; Roger Wolmer; Peter Dr Braumann; Andreas Koffler
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Omg AG & Co Kg 63457 Hanau De
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2015-11-21
Also published as: EP0774529B1; EP0774529A1; DE59604827D1; US5841044A; JPH09171735A; ES2146825T3

Description

Die Erfindung betrifft Silber-Eisen-Werkstoffe mit weiteren oxidischen Zusätzen für elektrische Schaltkontakte.

Kontaktwerkstoffe für den Einsatz in der elektrischen Energietechnik müssen eine hohe Abbrandfestigkeit, geringe Verschweißkraft und niedrigen Kontaktwiderstand aufweisen.

Für luftoffene Schaltgeräte der Niederspannungstechnik hat sich für Schaltströme von kleiner als 100 A der Verbundwerkstoff Silber-Nickel bewährt. Er besitzt eine hohe Abbrandfestigkeit bei sehr gutem Übertemperaturverhalten.

Ein Nachteil dieses Werkstoffes liegt jedoch darin, daß Nickel insbesondere in Form von Stäuben schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben kann. Als Alternative zu Nickel ist verschiedentlich Eisen vorgeschlagen worden.

In der DE 38 16 895 A1 wird die Verwendung eines Silber-Eisen-Werkstoffs für elektrische Kontakte beschrieben, der neben Silber 3 bis 30 Gew.-% Eisen und insgesamt 0,05 bis 5 Gew.-% von einem oder mehreren der Zusätze Mangan, Kupfer, Zink, Antimon, Wismutoxid, Molybdänoxid, Wolframoxid und Chromnitrid enthält. Diese Werkstoffe zeigen ein deutlich besseres Übertemperaturverhalten bei guter Lebensdauer gegenüber einfachen Silber-Eisen-Werkstoffen, liegen jedoch noch unter den Werten entsprechender Silber-Nickel- Werkstoffe.

Das gilt auch für weitere bekannte Kontaktwerkstoffe auf der Basis Silber-Eisen. In der DE 39 11 904 A1 werden beispielsweise Kontaktwerkstoffe geoffenbart, die neben Silber 5 bis 50 Gew.-% Eisen und bis zu 5 Gew.-% eines oder mehrerer der Oxide Titanoxid, Zirkoniumoxid, Nioboxid, Tantaloxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Manganoxid, Kupferoxid und Zinkoxid enthalten kann. Diese Werkstoffe zeigen allerdings ein noch nicht optimales Übertemperaturverhalten. Aus der DE 43 43 550 A1 ein Kontaktwerkstoff bekannt, der neben Silber Eisenoxid, Zirkoniumoxid und Wolframoxid enthält. In der EP 0 586 411 B1 ein Kontaktwerkstoff aus Silber mit 1 bis 50 Gew.-% Eisen und 0,01 bis 5 Gew.-% Rhenium beschrieben.

Das DE-GM 74 18 086 beschreibt einen Kontaktwerkstoff aus Silber, der auch Oxide der Erdalkalimetalle und der Seltenen Erden enthält, daneben aber auch größere Mengen an Kadmiumoxid. Solche Werkstoffe werden bei höheren Stromstärken eingesetzt und sind wegen des Kadmiumoxidgehalts problematisch. Auch die DE 27 47 089 A1 beschreibt Kontaktwerkstoffe aus Silber mit größeren Mengen Zinn- und Indiumoxid und weniger als 0,5 Gew.-% Eisenoxid.

Diese Werkstoffe sind nicht schweißbar und auch nicht als Ersatz für Silber-Nickel-Werkstoffe verwendbar.

Weitere oxidische Zusätze zu Silber-Kontaktwerkstoffen sind aus der DE-OS 15 39 879 und der DE-AS 11 39 281 bekannt. Auch diese Werkstoffe können nicht als Ersatz für Silber-Nickel dienen.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Silber-Eisen-Werkstoffe mit weiteren oxidischen Zusätzen für elektrische Schaltkontakte zu finden, die in ihrer Verschweißneigung, Kontaktwiderstand und Lebensdauer den bekannten Silber-Nickel-Werkstoffen möglichst nahe kommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Werkstoffe aus 0,5 bis 4,5 Gew.-% Eisen und 0,05 bis 2 Gew.-% von einem oder mehreren der oxidischen Zusätze Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Ceroxid, Nioboxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zinnoxid, Rest Silber, bestehen.

Vorzugsweise setzt man 0,2 bis 1,5 Gew.-% der oxidischen Bestandteile zu.

Besonders bewährt hat es sich, wenn die Werkstoffe 0,2 bis 1,2 Gew.-% Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Ceroxid, Nioboxid, Tantaloxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid enthalten.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Eisengehalt zwischen 0,5 und 2,5 Gew.-% liegt.

Die bisher verwendeten Silber-Eisenwerkstoffe mit weiteren Zusätzen enthielten normalerweise zwischen 10 und 20 Gew.-% Eisen. Es hat sich aber gezeigt, daß mit der Reduzierung des Eisengehaltes eine Verbesserung des Übertemperaturverhalten einhergeht. Gleichzeitig wird aber das Verschweißverhalten und die Lebensdauer mit abnehmendem Eisen-Gehalt verschlechtert. Überraschenderweise hat es sich nun gezeigt, daß durch Zusatz genannter Oxide in Mengen zwischen 0,05 bis 2 Gew.-% die Lebensdauer und Verschweißsicherheit überproportional steigen, ohne das der Übertemperaturwert verschlechtert wird. Dabei ist es für das Übertemperaturverhalten von Vorteil, wenn der Eisen-Gehalt unter 4,5% liegt. Die Werkstoffe sind widerstandsschweißbar und Verbindungen mit Kupfer-Trägerwerkstoffen zeigen hohe Verbindungsfestigkeiten. Besonders bewährt haben sich Werkstoffe, deren Eisen-Gehalt unter 2,5 Gew.-% und die Menge der oxidischen Zusätze unter 1,2 Gew.-% liegen.

Die Werkstoffe lassen sich wirtschaftlich herstellen und sind in allen Schalteigenschaften mit dem Silber-Nickel-Werkstoff vergleichbar, insbesondere die Übertemperatur zeigt Werte, die auch die Silber-Nickel-Werkstoffe erzielen.

Dies wurde durch elektrische Schaltversuche in serienmäßigen Schützen nachgewiesen. Die Versuche wurden in einem 5,5 KW-Schütz unter den Schaltbedingungen AC1 nach DIN VDE 0660 durchgeführt. Die Übertemperaturmessung erfolgte an den Kontaktbrücken bei einer Strombelastung von 20 A und wurde jeweils nach 200.000 Schaltungen gemessen.

Die Werkstoffe und die Ergebnisse der mit diesen Werkstoffen durchgeführten Schaltversuche nach einer Gesamtschaltbelastung von 600.000 Schaltspielen sind in folgender Tabelle enthalten und zeigen die Verbesserung der erfindungsgemäßen Werkstoffe hinsichtlich der Kontakterwärmung gegenüber den bekannten Werkstoffen AgNi20 und AgFe8,5Zn1,5.

Werkstoff
Mittlere Übertemperatur in K
AgNi20
90
AgFe8,5Zn1,5	116
AgFe4MgO1	95
AgFe2MgO0,5	87
AgFe4Y₂O₃1	100
AgFe2Y₂O₃0,5	88
AgFe4CeO1	102
AgFe2CeO0,5	91
AgFe4Ta₂O₅1	109
AgFe2Ta₂O₅0,5	99
AgFe4ZnO1	107
AgFe2ZnO0,5	98
AgFe4Al₂O₃1	102
AgFe2Al₂O₃0,5	91
AgFe4SnO₂1	107
AgFe2SnO₂0,5	97
AgFe2SiO₂0,5	94

Die Herstellung der Werkstoffe erfolgt pulvermetallurgisch durch Mischen der entsprechenden Pulver, kaltisostatischem Pressen, Sintern und Strangpressen zu Drähten oder Profilen.

Claims

1. Silber-Eisen-Werkstoffe mit weiteren oxidischen Zusätzen für elektrische Schaltkontakte, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,5 bis 4,5 Gew.-% Eisen und 0,05 bis 2 Gew.-% von einem oder mehreren der oxidischen Zusätze Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Ceroxid, Nioboxid, Tantaloxid, Chromoxid, Manganoxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Indiumoxid, Siliziumoxid und Zinnoxid, Rest Silber, bestehen.

2. Silber-Eisen-Werkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,2 bis 1,5 Gew.-% der oxidischen Bestandteile enthalten.

3. Silber-Eisen-Werkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,2 bis 1,2 Gew.-% Magnesiumoxid, Calziumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Ceroxid, Nioboxid, Tantaloxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid enthalten.

4. Silber-Eisen-Werkstoffe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisengehalt zwischen 0,5 bis 2,5 Gew.-% liegt.