DE3402091C2 - Verbundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke - Google Patents
Verbundwerkstoff für elektrische KontaktstückeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, insbesondere für
elektrische Kontaktstücke in Schaltgeräten der
Energietechnik, bei dem in eine erste metallische
Komponente eine zweite metallische Komponente und
eine nichtmetallische Komponente heterogen eingelagert
sind.
Ein universell und dabei auch für Abtrag durch Schaltlichtbogen/Schaltfunken beständige
Kontaktschichten verwendbarer Dünnschicht-Verbundwerkstoff
ist in der DE-AS 24 48 738 angegeben.
Dabei werden metallische Pulverteilchen, z. B.
aus Molybdän, mit einem metallischen Überzug, z. B.
aus Silberm versehen und zu einem Dünnschicht-Verbundwerkstoff
auf einen metallischen Träger aufgesintert.
Die Einlagerung nichtmetallischer Komponenten
ist dabei nicht angegeben.
Ein Sinterkontaktwerkstoff für elektrische Kontaktstücke
in Schaltgeräten der Energietechnik ist Gegenstand
der DE 31 16 442 A1. Dieser besteht aus zwei
Grundmetallen Kupfer und Silber, die im Mikrogefüge
voneinander getrennt vorliegen. In die Grundmetalle
sind Metalloxide, z. B. CdO und Bi₂O₃ eingelagert. Dabei
handelt es sich um Kontaktstücke, welche hohe
Verschweißfestigkeit, gute Abrandfestigkeit, sowie
in Verbindung mit einer hohen Leitfähigkeit eine geringe
Erwärmung aufweisen sollen. Die damit erzielbaren
Ergebnisse erscheinen jedoch nicht für alle
Anwendungszwecke ausreichend. Besonders dann, wenn
es sich um Kontaktstücke handelt, die absolut sicher
gegen Verschweißung sein müssen, versagen derartige
Verbundwerkstoffe.
Die Auswahl der Komponenten der Verbundwerkstoffe
richtet sich im wesentlichen nach der an die Kontaktstücke
gestellten Hauptforderung. So werden beispielsweise
bekannte Silber/Graphit-Verbundwerkstoffe für elektrische
Kontaktstücke in Gleich- und Wechselstromschaltgeräten
der Niederspannungs-Energietechnik eingesetzt, wenn
eine hohe Sicherheit gegen Verschweißen im Vordergrund
steht. Der Graphitanteil der Festkontaktstücke beträgt dabei
3 bis 5 Gew.-% (K. Müller und D. Stöckel "Ein neues
Verfahren zur Herstellung komplexer graphithaltiger Verbundwerkstoffe",
DE-Z Metall 7/1982, S. 743-746). Ein solcher
Verbundwerkstoff kann dabei auch in der Weise ausgebildet
bzw. hergestellt sein, daß in einem ersten Schritt
aufgebohrte und mit Graphitpulver gefüllte Kupferblöcke
zu Strängen verpreßt werden. In einem zweiten Schritt wird
eine bestimmte Anzahl von Strängen in einem dünnwandigen
Hüllrohr aus Silber angeordnet und mit diesem zu
einem Kupfer/Silber/Graphit-Verbundwerkstoff verpreßt. Dabei
werden die einzelnen Stränge bei dem Preßvorgang in der
Weise zusammengepreßt und verdichtet, daß sie im Kernbereich
des Verbundwerkstoffes mit jeweils polygonalen Querschnitten
aneinanderliegen, während das Material des Hüllrohres auch im
Endzustand des Verbundwerkstoffes im wesentlichen in dessen
Außenwandbereich angeordnet ist und somit keine zusammenhängende
Matrix bildet.
Die Schweißbeständigkeit dieser Werkstoffe ist sowohl beim
Einschalten, als auch im geschlossenen Zustand bei Beanspruchung
mit höchstens Kurzschlußströmen hervorragend. Silber/Graphit-Verbundwerkstoffe
mit 0,5 bis 5 Gew.-% Graphit weisen
einen niedrigen Kontaktwiderstand auf, da sich an der Kontaktoberfläche
keine festen Oxide bilden. Allerdings bedingt ein
die Sicherheit gegen Verschweißen erhöhender hoher Graphitanteil
eine stark abnehmende Abrandfestigkeit.
Die Abrandfestigkeit derartiger Silber-/Graphit-Verbundwerkstoffe
kann in bekannter Weise durch Zusatz von Nickel,
Kupfer und Kupferoxid verbessert werden. Die Herstellung
solcher Werkstoffe erfolgt im allgemeinen pulvermetallurgisch
durch Sintern, wobei sich
eine statistisch regellose Verteilung der C- und Ni-Partikel
in der Silbermatrix ergibt. Diese Verbundwerkstoffe
haben vor allem bei höheren Nickelgehalten gegenüber
binären Silber/Graphit-Verbundwerkstoffen den gravierenden
Nachteil einer höheren Erwärmung bei Dauerstrom,
die sich durch Oxidation und damit ansteigenden
elektrischen Widerstand der Unedelmetallkomponente
ergibt.
Zum vorbekannten Stande der Technik gehört ein Kontaktwerkstoff
für Dynamobürsten aus der DE-PS 1 54 287, bei
dem zuerst mit einem Grundmetall, z. B. Kupfer, beschichtete
Kohleteilchen mit einem Zinnüberzug versehen und
anschließend durch Löten zu einem Verbundwerkstoff
zusammengefügt werden.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen
Verbundwerkstoff der eingangs genannten Art für elektrische
Kontaktwerkstoffe so zu verbessern, daß eine hohe
Sicherheit gegen Verschweißen im Schaltlichtbogen mit
hoher Abrandfestigkeit und geringer Erwärmung beim Stromdurchgang
kombiniert wird. Die Lösung dieser Aufgabenstellung
erfolgt mit den Mitteln des Patentanspruchs 1.
Durch den angegebenen Aufbau und die Zusammensetzuung
wird ein Verbundwerkstoff mit einer für elektrische Kontaktstücke
überraschend günstigen Kombination von Sicherheit
gegen Verschweißen, Abrandfestigkeit und Erwärmung
erreicht. Diese günstigen Eigenschaften können u. U. damit
erklärt werden, daß bei Verwendung von mit unedlerem
Metall umgebenen nichtmetallischen Teilchen in der
metallischen Matrix aus edlerem Material die Oxidation
des unedleren Metalls durch seine örtliche Bindung an
die nichtmetallische Komponente und gegebenenfalls durch
deren reduzierende Wirkung unterdrückt werden kann. Aus
diesem Grunde läßt sich bei Verwendung einer unedlen und
einer Edelmetallkomponente in einem solchen Verbundwerkstoff
der Anteil des unedleren Metalls erheblich erhöhen
und damit eine wesentliche Einsparung des Edelmetallanteils
erzielen.
Die Form der Teilchen kann dabei in verschiedener Weise,
je nach ihrer Herstellung, als regellose Bruchstücke
oder in Kugelform gegeben sein. Die Überzugsschicht der
Teilchen kann gegebenenfalls zweckmäßig galvanisch aufgebracht
werden.
Die Ausgangsschichtdicke liegt bei einer mittleren Teilchengröße
von 0,1-0,3 mm etwa im Bereich von 10-80 µm.
Eine vollständig geschlossene Umkleidung der Teilchen ist
zwar im allgemeinen anzustreben, jedoch kann eine günstige
Wirkung u. U. auch bei teilweise offener Schicht erzielt
werden.
Der Begriff der metallischen Komponenten soll sowohl
reine Metalle als auch Metallegierungen auf der Basis
einer metallischen Komponente einschließen. Die nichtmetallische
Komponente besteht aus Graphit, jedoch
sind auch mit anderen nichtmetallischen Bestandteilen,
wie Oxiden, (z. B. CdO) und Karbiden (z. B. WC) von dem
neuartigen Aufbau des Verbundwerkstoffes wesentliche
Vorteile zu erwarten.
Die von der unedleren metallischen Komponente umgebenen Teilchen können in der Matrix vorteilhaft
in gleichmäßiger Verteilung vorliegen.
In einer anderen gegebenenfalls zweckmäßigen Ausbildung
können diese Teilchen
im Verbund zu Strängen zusammengefaßt sein.
Dabei kann vorgesehen sein, daß die
Stränge eine Umhüllung aus einem metallischen Werkstoff
aufweisen, der mit dem Werkstoff der zur
Beschichtung verwendeten Komponente übereinstimmt.
Eine günstige Zusammensetzung kann so aufgebaut sein,
daß die nichtmetallische Komponente aus Graphit besteht,
und daß die zur Ummantelung benutzte Komponente aus Nickel
und die als Matrix benutzte Komponente aus Silber bestehen.
Zweckmäßig erscheint dabei ein Graphitanteil von 1 bis
10 Gew.-%, ein Nickelanteil von 5 bis 80 Gew.-% und ein Silberanteil
von 10 bis 90 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gewicht
des fertigen Verbundwerkstoffes. Erprobt wurde eine
Zusammensetzung mit 3 Gew.-% Graphit, 35 Gew.-% Nickel und
62 Gew.-% Silber.
Eine alternative günstige Zusammensetzung eines
derartigen Verbundwerkstoffes kann dadurch erreicht
werden, daß in den im Vorhergehenden genannten Komponenten
und Zusammensetzungen, jeweils der Nickelanteil
durch einen Kupferanteil ebenfalls zwischen
5 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise bei 35 Gew.-% gewählt
wird. Graphitanteil und Silberanteil bleiben
in den angegebenen Grenzen.
In der Zeichnung sind Ausführungsformen des Verbundwerkstoffes
schematisch dargestellt; es zeigt
Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines
Kontaktstückes aus Verbundwerkstoff mit
eingelagerten Teilchen,
Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Kontaktstückes
aus Verbundwerkstoff mit
strangförmig parallel orientierten Einlagerungen.
In Fig. 1 sind kornförmige Teilchen 1 aus Graphit dargestellt,
welche einen mittleren Durchmesser von 0,15 mm
und eine umgebende Schicht 2 aus Nickel mit
einer Dicke von 40 µm aufweisen. Die Partikel befinden
sich in einer Matrix 3 aus reinem Silber. Der Graphitanteil
beträgt 3 Gew.-%, der Nickelanteil 35 Gew.-%
und der Silberanteil 62 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht
des fertigen Verbundwerkstoffes.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Größe
der Graphitteilchen 1 und die Schichtdicke der metallischen
Schicht 2 unverändert. Die beschichteten Teilchen
wurden jedoch zunächst zu Strängen 4 kompaktiert, und
diese gerichtet in die Silbermatrix 3 eingelagert.
Die Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes soll
durch ein Ausführungsbeispiel zusätzlich erläutert
werden.
Graphitpulver mit einer Teilchengröße <0,15 mm erhält
in einem bekannten Elektrolyseverfahren einen Nickelüberzug
von 40 µm Dicke. Das mit Nickel überzogene Graphitpulver
wird in Rohre aus reinem Silber (Durchmesser 9 mm,
Wandstärke 0,3 mm) eingepreßt und ein Bündel dieser gefüllten
Rohre anschließend durch indirektes Strangpressen
in vier Preßstufen zu einem Verbunddraht mit
5 mm Durchmesser spanlos verformt. Dabei wird der in
der ersten Preßstufe hergestellte Verbunddraht mehrfach
abgelängt und die Verbunddrähte mit den eingebetteten
Strängen der Teilchen wie die
ursprünglichen Rohre gebündelt und weiterverformt. Nach
vier Preßstufen sind in dem Verbundwerkstoff, dessen
Aufbau in Fig. 2 dargestellt ist,
500 000 Stränge in die Silbermatrix eingelagert, welche
jeweils die mit Nickel umgebenen Graphitteilchen
enthalten.
Zur Erzielung einer günstigen metallischen Verbindung
zwischen dem metallischen Matrixmaterial und
dem Schichtmaterial, kann gegebenenfalls eine
Diffusionsglühung zusätzlich angewendet werden.
Claims (10)
1. Verbundwerkstoff für elektrische Kontaktstücke, insbesondere
in Schaltgeräten für Energietechnik, bei
dem in eine erste metallische Komponente eine zweite
metallische Komponente und eine nichtmetallische
Komponente heterogen eingelagert sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die nichtmetallische
Komponente in Form von Teilchen (1)
vorliegt, die von der einen
metallischen Komponente (2) als Schicht umgeben sind,
und daß diese umgebenen Teilchen einzeln oder in eine
Vorzugsrichtung bildenden Verbund in der anderen als
Matrix dienenden metallischen Komponente (3) eingelagert
sind, wobei die, die umgebende Schicht bildende
metallische Komponente (2) aus einem gegenüber der
die Matrix bildenden metallischen Komponente (3) unedleren
Material besteht.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die von der unedleren
metallischen Komponente umgebenen Teilchen (1, 2) einzeln
in der als Matrix dienenden edleren Komponente (3) in
gleichmäßiger Verteilung eingelagert sind.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die von der unedleren
metallischen Komponente umgebenen Teilchen
(1, 2) im Verbund zu Strängen (4) zusammengefaßt
sind.
4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teilchen aus
Graphit bestehen, mit einer Nickelschicht umgeben
und in eine Silbermatrix eingelagert sind.
5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Graphitanteil
1-10 Gew.-%, der Nickelanteil 5-80 Gew.-% und der Silberanteil
10-90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des
Verbundwerkstoffes, beträgt.
6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Graphitanteil
3 Gew.-%, der Nickelanteil 35 Gew.-% und der
Silberanteil 62 Gew.-% beträgt.
7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Teilchen aus
Graphit bestehen, mit einer Schicht aus Kupfer umgeben
und in eine Silbermatrix eingelagert sind.
8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Graphitanteil
1-10 Gew.-%, der Kupferanteil 5-80 Gew.-% und der
Silberanteil 10-90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht
des Verbundwerkstoffes, beträgt.
9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Graphitanteil
3 Gew.-%, der Kupferanteil 35 Gew.-% und der Silberanteil
62 Gew.-% beträgt.
10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einer mittleren
Teilchengröße <0,15 mm die Dicke der umgebenden
Schicht 40 µm beträgt.
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