DE2813087C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktmaterial für fein­ wanderungsbeständige Kontaktelemente, welches aus den Komponenten Palladium und Kupfer bzw. aus zwei metal­ lenen Komponenten besteht.

Bei elektrischen Schaltkontakten tritt insbesondere bei Gleichstrombelastung eine Feinwanderung an den Kontaktflächen ein, welche bei bewährten Kontaktwerk­ stoffen eine starke Spitzen- und Kraterbildung verur­ sacht, die zu einer vorzeitigen Zerstörung des Kontakt­ elementes führen kann. Diese Feinwanderung, die meist in der Richtung von Anode zur Kathode erfolgt, ist eine von der Struktur des Kontaktwerkstoffes abhängige Eigenschaft, die von der Art der Einlagerung der metallenen Komponenten abhängt.

Unter Feinwanderung sollen Materialwanderungserschei­ nungen bei Gleichstrombetrieb unterhalb der Existenz­ grenze des normalen Lichtbogens verstanden werden. Im Gegensatz dazu bedeutet Funkenerosion an Kontaktflä­ chen einen schlagartigen stärkeren Materialabtrag mit Oberflächenzerstörungseffekt. Funkenerosion setzt hohe Stromdichte voraus, wobei das Kontaktmaterial ohne Schmelzprozeß unmittelbar in die Dampfphase über­ führt wird.

Werkstoffeffekte im Gebiet der Feinwanderung werden in dem Buch "Werkstoffe für elektrische Kontakte" von A. Keil, 1960, Seiten 152, 153, 156 und 157, 164 bis 171 sowie 241 bis 257 beschrieben. Die dort durchge­ führten Untersuchungen betrafen verschiedene Legierungs­ systeme, u. a. auch Pd-Cu und Pd-Ag.

Als feinwanderungsbeständige Kontaktwerkstoffe sind u. a. Legierungen AuCo und PdCu bekannt. Nachteilig ist hierbei der relativ hohe Edelmetallbedarf, da der für die gewünschten Eigenschaften erforderliche Gefügeauf­ bau nach dem Zustandsdiagramm der entsprechenden Legie­ rungen nur mit einem bestimmten Edelmetall erreicht werden kann. Diese feinwanderungsbeständigen Legie­ rungen, in denen die metallenen Komponenten in einem durch das Zustandsdiagramm vorgegebenen thermodynamisch stabilen ordnungs- bzw. heterogenen Zustand vorliegen, zeigen zusätzlich eine schlechte Verarbeitbarkeit, die beispielsweise bei der herkömmlichen Herstellung plattierter Kontaktniete mit einer Kontaktauflage aus der Legierung PdCu 60/40 aufwendige Plattierverfahren erfordert.

Aus der US-PS 23 70 400 ist ein elektrisches Kontakt­ material aus Kupfer und Kadmium bekannt, bei dem Kupferpartikel in eine Kadmiumkomponente heterogen eingelagert sind. Hierbei wird kein feinwanderungs­ beständiges Kontaktmaterial offenbart, denn die hete­ rogene Anordnung der metallenen Komponente soll dazu dienen, in einer besonderen Laminaranordnung Kadmium freizusetzen, um die Kontakttemperatur herabzusetzen und die Lichtbogenbildung zu unterdrücken. Außerdem soll das vorbekannte Kontaktmaterial einen geringen Übergangswiderstand und geringe Schweißneigung bei hoher Leitfähigkeit und Widerstandsvermögen gegenüber physikalischen Einwirkungen sowie einen hohen Funken­ erosionswiderstand aufweisen.

In der DE-AS 24 48 738 ist ein Dünnschicht-Verbund­ werkstoff aus verschiedenen Komponenten beschrieben, wobei in der Kombination Nickel/Platin eine vollstän­ dige Löslichkeit beider Komponenten in festem Zustand vorliegt. Auf die Feinwanderungsbeständigkeit dieser Materialkombination wird dabei nicht hingewiesen.

Die DE-AS 23 51 226 beschreibt einen metallenen Ein­ lagerungs-Verbundwerkstoff, insbesondere für elektri­ sche Kontakte, der als Faserverbundwerkstoff ausge­ bildet ist. Die Feinwanderungsbeständigkeit dieses Faserverbundwerkstoffes wird nicht erörtert.

Aus der DE-AS 20 53 410 ist eine Kontaktanordnung mit einer auf einem Träger aufgebrachten dünnen Schicht aus Kontaktmaterial bekannt. Dieses entspricht der bereits erwähnten PdCu-Legierung.

Die DE-AS 11 23 416 offenbart einen heterogenen Kon­ taktwerkstoff für Kontakte, die bei höherer Umgebungs­ temperatur bis zu etwa 400°C schalten. Diese Kontakt­ werkstoff wird aus einem Gemisch von Silber- und Kupfer­ pulver durch Pressen und Sintern hergestellt.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, das in der Zusammensetzung seiner Komponenten als Legierung be­ kannte Kontaktmaterial so auszubilden, daß bei relativ geringem Edelmetallbedarf gut formbare Kontaktteile, ins­ besondere plattierte Kontaktniete mit hoher Feinwanderungs­ beständigkeit hergestellt werden können. Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 oder 2.

Überraschend hat sich dabei gezeigt, daß solche Verbundwerkstoffe, die sich in einem thermodynamisch instabilen Zustand befinden, eine geringere Feinwan­ derung im Vergleich mit den entsprechenden homogenen Legierungen (Mischkristalle gleicher Zusammensetzung) aufweisen. Die angegebenen Verbundwerkstoffe, welche als mehrphasige Werkstoffe die beteiligten Komponen­ ten als reine Metallkomponenten enthalten, besitzen gegenüber dem homogenen Mischkristall zusätzliche Vorteile höherer elektrischer und Wärmeleitfähigkeit.

Die Metallkomponenten können zweckmäßig einen Faser­ verbundwerkstoff bilden, wobei der Faserdurchmesser zwischen 0,01 und 0,1 mm liegt. Bei einem Faserver­ bundwerkstoff können die Fasern im wesentlichen paral­ lel liegen und gleichmäßig durchgehend ausgebildet sein. In einer anderen gegebenenfalls zweckmäßigen Ausführung bilden die Metallkomponenten eine Matrix mit metallenen Einschlüssen als Verbundwerkstoff.

Zusätzlich zu den beiden ineinander löslichen metalle­ nen Komponenten Palladium und Kupfer bzw. Palladium und Silber können auch gegebenenfalls andere metallene und/oder nichtmetallene Komponenten in geringerem Anteil eingelagert sein. Beispielsweise lassen sich für bestimmte Anwendungsfälle in Längsrichtung liegen­ de Stränge aus Metallverbindungen, beispielsweise aus SnO₂ oder aus Graphit, einlagern.

Das Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelementes aus Faserverbundwerkstoff kann in der Weise ausgeführt werden, daß Manteldrähte aus den ineinander löslichen Komponenten Palladium und Kupfer bzw. Palladium und Silber gebündelt und durch spanlose Verformung zu ei­ nem Verbundwerkstoff metallurgisch verbunden werden. Gemeinsam mit den Manteldrähten lassen sich dabei Massivdrähte spanlos verformen, welche aus den inein­ ander löslichen Komponenten und ggf. aus Zusatzkompo­ nenten bestehen. Eine alternative Durchführung des Herstellungsverfahrens kann in der Weise erfolgen, daß die ineinander löslichen Komponenten als Massivdrähte gemeinsam spanlos verformt und beispielsweise durch Zieh- oder Walzvorgänge miteinander metallurgisch ver­ bunden werden.

Beim Herstellungsvorgang ist darauf zu achten, daß die gegenseitige Diffusion der in heterogener Verteilung vorliegenden Komponenten, insbesondere die Diffusion von Fasern und Matrix in erforderlichen Grenzen ge­ halten wird. Eine Diffusion bewirkt die Bildung von Mischkristallen und wirkt der angestrebten rein heterogenen Verteilung entgegen. Hierzu können gege­ benenfalls diffusionshemmende an sich bekannte Zwischenschichten zur Umkleidung der in die Matrix eingelagerten Metallkomponente verwendet werden.

Ausführungsbeispiel I

Ein Kontaktelement aus dem Kontaktmaterial CuPd 33 als Faserverbundwerkstoff wurde durch Bündeln und gemeinsame Verformung durch Ziehen von Manteldrähten mit ca. 2 mm ⌀ mit Palladiumkern und Kupfermantel entsprechender Zusam­ mensetzung (67 Gew.-% Cu, 33 Gew.-% Pd) in mehreren, z. B. in 10 Ziehvorgängen, hergestellt. Durch übliche Verfahren der Kaltumformung wurden Kontaktniete aus diesem feinwan­ derungsbeständigen Kontaktmaterial hergestellt.

Die Prüfung erfolgte in handelsüblichen Relais bei 14 V Gleichstrom und Schaltkreisinduktivitäten von 1 bis 150 mH. Unter den üblichen Veränderungen der Schaltbedingungen er­ gab sich ein geringer und völlig flächenhafter Abbrand der Kontaktteile ohne Spitzen- und Kraterbildung bei gleich­ bleibend niedrigem Kontaktwiderstand. Werkstoffe gleicher Zusammensetzung in dem nach dem Zustandsdiagramm thermo­ dynamisch stabilen, homogenen Zustand (einphasige Legie­ rungen) zeigten dagegen bei gleicher Belastung ein stark zerklüftetes Aussehen mit erhöhten Abbrandverlusten.

Ausführungsbeispiel II

Ein Kontaktelement nach dem Ausführungsbeispiel I wurde durch ein übliches automatisches Warmschweißverfahren zu plattierten Kontaktnieten mit Kupferschaft verarbeitet. Homogene Werkstoffe gleicher Zusammensetzung ließen sich nicht hinreichend mit dem Kupferschaft verbinden. Die Prüfung unter elektrischer Schaltbelastung ergab die glei­ chen Ergebnisse wie im Ausführungsbeispiel I.

Die Zeichnung stellt vergrößert einen Kontakt­ niet dar, welcher eine Kontaktauflage aus einem Faserver­ bundwerkstoff aufweist, bei dem in Längsrichtung parallel liegende Palladiumfasern in ein Kupfermatrixmaterial im wesentlichen senkrecht zur Kontaktfläche eingelagert und mit dem Matrixmaterial metallisch verbunden sind.

Claims (4)

1. Kontaktmaterial für feinwanderungsbeständige Kontakt­ elemente, welches aus den Komponenten Palladium und Kupfer besteht, dadurch gekennzeich­ net, daß die Komponenten heterogen als reine Metall­ komponenten einen Verbundwerkstoff bilden, wobei der Palladium­ gehalt zwischen 8 Gew.-% und 70 Gew.-% liegt.

2. Kontaktmaterial für feinwanderungsbeständige Kontaktele­ mente, welches aus zwei metallenen Komponenten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten Palladium und Silber heterogen als reine Metallkomponenen einen Verbundwerkstoff bilden, wobei der Palladiumgehalt zwischen 8 Gew.-% und 50 Gew.-% liegt.

3. Kontaktmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponenten einen Faserverbundwerkstoff bilden, wobei der Faser­ durchmesser zwischen 0,001 und 0,1 mm liegt.

4. Kontaktmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkomponenten als Matrix und metallene Einschlüsse den Verbundwerk­ stoff bilden.