DE2053410B2 - Kontaktanordnung mit einer auf einen traeger aufgebrachten duennen schicht aus kontaktmaterial - Google Patents

Description

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terialabtragung über eine größere Fläche tafelför- Bei der dritten Gruppe mit einer Legierung PdCu 15 mig erfolgt. schließlich wechselt die Materialwanderungsnchtung Die geschilderten Vorteile lassen sich allerdings in Abhängigkeit von der Strombelastung vom nur auf ein einziges praktisches Ausfuhrungsbeispiel Anodenverlust zu Kathodenverlust bzw. umgekehrt, einer Kontaktanordnung verwenden, weil sich das 5 Die physikalische Ursache der genannten Phänomene Hauptpatent in seinen Offenbarungen auf eine ein- ist noch nicht erforscht. Das genannte Materialwanzige konkret realisierbare Kontaktanordnung be- derungsverhalten ist jedoch empirisch in umfangschränkt, und zwar auf eine Eisen-Nickel-Legierung reichen Versuchsreihen nachgewiesen und hinsichtfür den eigentlichen Kontaktträger mit einer Platin- Hch seiner Abhängigkeit von der Legierungszusam-Wolfram-Legierung mit Anteilen von etwa 5 Ge- io mensetzung und von der StrombeSastung so detailwichtsprozent Wolfram und 95 Gewichtsprozent Pia- liert erfaßt, daß die beschriebenen Effekte nach den tin als Beschichtungswerkstoff. Dieses einzige Aus- für die Erteilung eines Patentes erforderlichen Vorführungsbeispiel bezieht sich nämlich auf eine magne- aussetzungen jederzeit und mit vollem Erfolg wiedertisch betätigbare Kontaktanordnung, wie sie bei- holbar sind. Dadurch ist unter Beibehaltung stets spielsweise unter dem Fachbegriff »Reed-Kontakt« 15 gleicher Werkstoffkomponenten, nämlich von Palallgemein bekannt ist, bei welcher der Kontaktträger ladium und Kupfer, lediglich durch geeignete Dosieals magnetisierbare federnde Zunge ausgebildet ist rung des Kupferanteils der Legierung eine weit- und deshalb aus dem ferromagnetische!! Werkstoff greifende Anpassung der Kontaktschicht an eine Fisen-Nickel bestehen muß. Dieser Aufbau der Kon- Vielzahl von Werkstoff möglich, die in bezug auf türanordnung gemäß dem Hauptpatent ist also ao ihre elektrischen Eigenschaften, ihre mechanische erstens auf ein eng umrissenes Anwendungsgebiet Festigkeit, ihre Resistenz gegen Oxydbildung, ihre beschränkt. Zweitens erzwingt die Verwendung der Abbrandfestigkeit u. dgl., für den eigentlichen Konvorgenannten ferromagnetisclien Legierung mit ihrer taktträger geeignet sind.

automatisch vorgegebenen bestimmten Materialwan- Eines der Ausführungsbeispiele der Erfindung sieht

dciungsrichtung die Beschichtung mit einem Kon- 25 vor, daß die PdCu-Legierung einen Kupferante'l

lötwerkstoff entgegengesetzter Materialwanderungs- kleiner als 12 Gewichtsprozent besitzt. Hierbei ergibt

richtung, so daß die Auswahl an Werkstoffen be- sich eine Legierung, die bei allen praktisch in Frage

grenzt ist. kommenden kritischen Strombelastungen der Kon-

Dabei kommt erschwerend hinzu, daß aus dieser taktanordnung einen Anodenverlust aufweist,

ohnehin begrenzten Zahl von Kontaktwrkstoften 30 Der gleiche Effekt, d. h.. ein bevorzugter Anoden ·

wiederum nur solche verwendbar sind, welche außer verlust tritt auch auf. wenn gemäß einem anderen

in bezug auf die Materialwanderungsrichtung auch Ausführungsbeispiel der Erfindung die PdCu-Legie-

den übrigen Forderungen hinsichtlich ihres elektri- rung einen Kupferanteil größer als 59 Gewichtspro-

schen Leitwertes, ihrer Vickershärte, ihrer Abbrand- zent besitzt.

festigkeit u. dgl. gerecht werden. 35 Besitzt hingegen gemäß einem weiteren Ausfüh-Demgegenüber soll der nach der Lehre des Haupt- rungsbeispiel der Erfindung d-e PdCu-Legierung patentes erzielte vorteilhafte Effekt auch für Kon- einen Kupferanteil im Bereich zwischen 35 und takianordnungen nutzbar gemacht werden, die nicht 50 Gewichtsprozent, so zeigt die Legierung übernur für magnetisch betätigbare Schaltanordnungen, raschenderweise einen Kathodenveriust.
sondern für eine Vielzahl von Kontaktanordnungen 40 Besitzt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der verwendbar sind, wobei nach dem heutigen Stand Erfindung die PdCu-Legiening einen Kupferanteil der Technik als vorteilhaft angesehene und in der im Bereich zwischen 12 und 35 oder 50 und 59 GePraxis bewährte Kontaktwerkstoffe Verwendung wichtsprozent, so hängt die Materialwanderungsrichfinden. tung von der Belastung der Kontaktanordnung ab. Erreicht wird dies bei einer Kontaktanordnung der 45 d. h., sie wechselt je nach der Stromstärke von eingangs genannten Art dadurch, daß erfindungs- Anodenverlust zu Kathodenverlust und umgekehrt, gemäß der auf den Kontaktträger als dünne Schicht Soweit die nach der Lehre des Hauptpatentes voraufgetragene Kontaktwerkstoff aus einer Palladium- geschrisbenen entgegengesetzten Materialwande-Kupfer-Legieruiig (PdCu) besteht, deren anteil- rungsrichtungen des eigentlichen Kor.taktträgers und mäßige Zusammensetzung derart gewählt ist, daß 50 der auf ihn aufgetragenen Schicht gegeben sind, ist die Materialwanderung in vorbestimmter Ricntung es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer Wei-(Anodenverlust oder Kathodenverlust) erfolgt. terbildung der Erfindung der Kontaktträger zumin-Diese Legierung zeigt die überraschende und vor- dest in seinem nach der Abwanderung der PdCuteilhafte Eigenschaft, daß die effektive Materialwan- Legierungsschicht der Kontaktgabe dienenden Bederungsrichtung (Nettowanderung) in Abhängigkeit 55 reich aus Kupfer besteht. Kupfer besitzt nämlich vom prozentualen Gewichtsanteil des Kupfers an der erstens einen sehr hohen elektrischen Leitwert, ist Legierung wählbar ist (vgl, die später erläuterte darüber hinaus in der Technik der Kontaktherstel-Fig. 3). Dabei sind insgesamt drei Gruppen teststell- lung sehr weit verbreitet, weist außerdem gute Restbar, in'denen entweder die Anode oder die Kathode stenz gegenüber Abbrand auf und läßt sich schließbevorzugt Material abgibt oder sogar die Material- 60 lieh technologisch auch gut verarbeiten. Insbesonwanderungsrichtung mit der Veränderung des über dere sorgt das Kupfer in Gegenüberstellung mit dem den Kontakt fließenden Stromes wechselt (vgl. die Gegenstand des Hauptpatentes nach der Abwandespäter erläutfte Fig. 2). So zeigt sich bei einer be- rung der aufgetragenen dünnen Kontaktwerkstoffstimmten Strombelastung bei der einen dieser drei schicht für eine weit bessere Kontaktgabe des Kon-Gruppen, nämlich bei derjenigen mit einer Legie- 65 taktträgers als die im Hauptpatent verwendete Eisenrung PdCu 8C 'r>evorzugt eine Anodenabtragung. Bei Nickel-Legierung.

der anderen Gruppe mit einer Legierung PdCu 40 fm folgenden wird die Erfindung an Hand der

hingegen tritt bevorzugt eine Kathodenabtragung auf. Zeichnung näher erläutert. Hierzu zeigt die Fig. 1

ein Diagramm, auf dessen Ordinate des Volumens V über relativ sehr große transportierte Ladungsmengen in cm³ eines durch Materialwanderung gebildeten bzw. über eine analog lange Zeitdauer hinweg ein Kraters und auf der Abszisse die über die Kontakt- Kathodenverlust, der dann in Anodenverlust wechanordnung insgesamt fließende Elektrizitätsmenge Qu seit. Dieser Wechsel in der Materialwanderungsrichin As aufgetragen ist. Dabei ist aut der Ordinate ein 5 tung tritt erst ein, nachdem die auf den Kontaktüber der Null-Linie liegender Bereich A V für eine träger aufgebrachte Schicht aus PdCu 40 praktisch Kraterbildung durch Anodenverlust und unterhalb abgetragen ist. Aus dem Diagramm nach Fig. 1 erder Null-Linie ein Bereich KV für eine Kraterbildung gibt sich somit eine ganz erheblich gesteigerte Lebensdurch Kathodenverlust vorgesehen. Die mit VZA dauer der gemäß der Erfindung ausgebildeten Konbzw. VZK bezeichneten Werte auf der Ordinate be- ίο taktanordnung gegenüber den bisher verwendeten deuten empirisch ermittelte Größen, bei denen die Kontaktanordnungen, was sich an Hand der mit Z1 den aufgetragenen Kurven 1 bis 4 zugehörigen Kon- bis Z 4 bezeichneten Schnittpunkte der Kurven 1 taktanordnungen als unbrauchbar bewertet werden, bis 4 mit den Abszissen VZA bzw. VZK zeigt,
d. h., daß die Gefahr besteht, daß bei dem diesen In der F i g. 2 ist wiederum in Diagrammform die Werten entsprechenden Volumen des Kraters und 15 Menge des abgewanderten Kontaktwerkstoffcs in der entsprechenden im Diagramm nicht in Erschei- Relation zur Belastung dargestellt. Dabei ist auf der nung tretenden Größe des »Berges« auf dem Gegen- Ordinate das Volumen des abgewanderten Kontaktkontakt ein mechanisches Verhaken und damit ein Werkstoffes in cm³ pro Coulomb und auf der Abszisse Versagen der Kontaktanordnung eintritt. Die im die Belastung in Coulomb (As) pro Schaltspiel aufDiagramm eingetragenen Kurven 1 bis 4 zeigen das ao getragen, wobei der positive Ordinatenbereich den Verhalten der angegebenen Kontaktanordnungen Cu Anodenverlust und der negative Bereich der Ordi-(Kupfer), PdCu 40 (Legierung aus Palladium mit nate den Kathodenverlust darstellt. Gezeigt sind die 40 Gewichtsprozent Kupfer), PdAg 50 (Legierung idealisierten Kurven für die bereits erwähnten voraus Palladium mit 50 Gewichtsprozent Silber) und dringlich interessierenden drei Hauptgruppen von einer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten 25 PdCu-Legierungen mit den charakteristischen Zuneuen Kontaktanordnung Cu + PdCu 40 (Kontakt- sammensetzungen PdCu 15. PdCu 40 und PdCuSO. träger aus Kupfer mit einer Beschichtung aus einer Die F i g. 3 zeigt ein weiteres Diagramm, aus dem Legierung von Palladium mit 40 Gewichtsprozent die Abtragungsrate in Abhängigkeit von der Legie-Kupfer). Von diesen Kontaktanordnungen weisen die rungszusammensetzung für eine Belastung vor den Kurven 1 bis 3 zugehörigen Kontaktanordnun- 30 10~⁷ Λ s/Schaltspiel ersichtlich ist. Dabei ist auf dei gen mit den Werkstoffen Cu und PdAg 50 Anoden- Ordinate die Abtragungsrate in cm³ pro Schaltspiel verlust, hingegen PdCu 40 Kathodenverlust auf. wo- und zwar im positiv bezeichneten Anodenveriust bei diese Materialwanderungsrichtung bereits von Bereich und im negativ bezeichneten Kathoden Beginn der Schalttätigkeit her eingehalten ist. Bei verlust-Bereich, hingegen auf der Abszisse der Kup der gemäß der Erfindung aufgebauten Kontakt- 35 feranteil in Gewichtsprozent der Legierung aufge anordnung Cu + PdCu 40 hingegen zeigt sich zuerst tragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

1 2 die in sekundärer Folge je nach dem Charakter des Patentansprüche: Stromkreises und dessen Belastung entweder weniger kritische Glimmentladungen oder stark zerstörend

1. Kontaktanordnung mit einer auf einem wirkende Bogenentladungen auslösen. Beide Effekte Träger aufgebrachten Schicht aus Kontaktmate- 5 führen zu einem Abbrand der Kontaktglieder und rial, bei der auf einem Kontaktträger aus einem damit zu einem vorzeitigen Verschleiß und einer Material mit einer bestimmten Materialwande- Verkürzung der Lebensdauer der Kontaktanordnung, rungsrichtung ein Kontaktwerkstoff mit ent- so daß es bereits eine Mehrzahl von bekannten Maßgegengesetzter Materialwanderungsrichtung in nahmen, und Mitteln gibt, die sich mit der Bekämpeiner Schicht aufgetragen ist, deren Höhe derart io fung r\s vorgenannten Phänomens beschäftigen. So dünn bemessen ist, daß sich durch die Material- ist es beispielsweise seit langem bekannt, Kupferwanderung eine gleichmäßig über die Koniakt- Palladium-Legierur^en al.= Kontaktwerkstoff zu verflache verteilte, praktisch ebene Abtragung ergibt wenden, weil entdeckt wurde, daß eine solche Legie- und somit an den Kontaktberührungsflächen rung eine gewisse Resistenz gegenüber Materialwankeine die Kontaktgabe beeinträchtigenden Krater 15 derungseffekten besitzt. Gemäß den deutschen Pa- bzw. Erhebungen sich bilden, nach deutschem tentschriften 947 742 und ^55 603, von denen die Patent 1 178 533, dadurch gekennzeich- zuletzt genannte im Zusatzverhältnis zu der an erster net, daß J;r auf den Kontaktträger als Schicht Stelle genannten Patentschrift steht, wird die voraufgetragene Kontaktwerkstoff aus einer Palla- erwähnte Resistenz gegenüber Materialwanderungsdium-Kupfer-Legierung (PdCu) besteht, deren 20 eSekten noch dadurch gefördert, daß eine bestimmte anteilmäßige Zusammensetzung derart gewählt Legierungszusammensetzung, und zwar grundsätzist, daß die Materialwanderung in vorbestimmter Hch eine solche mit relativ geringem Kupferanteil Richtung (Anodenverlust ode. Kathodenverlust) bzw. nach der Lehre des deutschen Patents 965 603 erfolgt. eine Palladium-Kupfer-Legierung aiit geringem Kup-

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, da- 25 feranteil und gleichzeitigem Zusatz von Metallen aus durch gekennzeichnet, daß die PdCu-Legierung der III. bis V. Gruppe des periodischen Systems, wie einen Kupferant^il kleiner als 12 Gewichtsprozent beispielsweise Aluminium, Titan, Zirkon, Thorium, besitzt. Vanadin, Niob oder Tantal als Kontaktwerkstoff vor-

3. Kontakcanordnung nach Anspruch 1, da- geschlagen wird. Als überraschender Effekt wird durch gekennzeichnet, daß die PdCu-Legierung 30 dabei ein gegenüber bekannten Kontaktwerkstcilen einen Kupferanteil gioßer als 59 Gewichtspro- spürbar höherer Widerstand gegen Materialwandezent besitzt. rungseffekte und außerdem eine geringere Neigung

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, da- zur Yerzunderung der Kontaktoberflächen in Ausdurch gekennzeichnet, daß die PdCu-Legierung sieht gestellt. Die den beiden vorgenannten Patenteinen Kupferanteil im Bereich zwischen 35 und 35 Schriften entnehmbare technische Lehre beschäftigt 50 Gewichtsprozent besitzt. sich also mit einer zuminde:,. teilweisen Eliminie-

5. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, da- rung der schädlichen Materialwanderungserscheinundurch gekennzeichnet, daß die PdCu-Legierung gen.

einen Kupferanteil im Bereich zwischen 12 und Im Gegensatz hierzu geht jedoch bereits die dem

35 oder 50 und 59 Gewichtsprozent besitzt. 40 Hauptpatent zugrunde liegende Erfindung davon aus,

6. Kontaktanordnung nach Anspruch 4 oder 5, Materialwanderungseffekte bewußt in Kauf zu nehdadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktträger men und die Lebensdauer der Kontaktanordnung in zumindest in seinem nach der Abwanderung der der Weise zu verlängern, daß sich bei Lichtbogen-PdCu-Legierungsschicht der Kontaktgabe die- erscheinungen nicht die üblicherweise auftretenden nenden Bereich aus Kupfer besteht. 45 und sowohl auä elektrischen als auch aus mechanischen Gründen überaus schädlichen Krater und Erhebungen ausbilden, sondern daß tafelförmige, prak-

tisch ebene Abtragungen des Kontaktmaterials über

eine erheblich vergrößerte Fläche eintreten. Als Mit-50 tel hierzu dienen die ganz spezifischen Maßnahmen

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Kontakt- gemäß den einleitend erwähnten kennzeichnenden anordnung mit einer auf einem Träger aufgebrachten Merkmalen des Gegensatzes des Hauptpatentes, wo-Schicht aus Kontaktmaterial, bei der auf einen Kon- bei von der Erkenntnis ausgegangen wird, daß die taktträger aus einem Material mit einer bestimmten Richtung der Materialwanderung bei verschiedenen Materialwanderungsrichtung ein Kontaktwerkstoff 55 metallischen Werkstoffen, die als Kontaktwerkstoffe mit entgegengesetzter Materialwanderungsrichtung in in Frage kommen, entgegengesetzt gerichtet ist, einer Schicht aufgetragen ist, deren Höhe derart dünn Stimmt man nun die Materialwanderungsrichtungen bemessen ist, daß sich durch die Materialwanderung der verwendeten Werkstoffe so aufeinander ab, daß eine gleichmäßig über die Kontaktfläche verteilte, djs Kontaktmaterial von der einen Kontaktseite abpraktisch ebene Abtragung ergibt und somit an den 60 getragen wird, bis schließlich der eigentliche Kon-Kontaktberührungsfiächen keine die Kontaktgabe taktträger selbst frei liegt, so kommt infolge der der beeinträchtigenden Krater bzw. Erhebungen sich bisherigen Wanderungsrichtung entgegengesetzten bilden. Materialwanderungsrichtung des eigentlichen Kon-

Kontaktanordnungen ganz allgemein, mit denen taktträgers die Materialwanderung in etwa zum Still-Stromverbraucher insbesondere induktiver Art ge- 65 stand. Dabei soigt die Bemessung der Schicht aus schaltet werden, unterliegen dem ganz allgemein be- Kontaktwerkstoff in der einleitend erwähnten gerinkannten und in zahlreichen Literaturstellen beschrie- gen Stärke dafür, daß sich wie gesagt keine Krater benen Phänomen der sogenannten Gasentladungen, und Spitzen ausbilden können, sondern daß die Ma-