EP0579670B1

EP0579670B1 - Werkstoff für elektrische kontakte aus silber mit kohlenstoff

Info

Publication number: EP0579670B1
Application number: EP92908150A
Authority: EP
Inventors: Volker Behrens; Carl L. Meyer; Karl Saeger; Thomas Honig; Roland Michal
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1991-04-10
Filing date: 1992-04-09
Publication date: 1995-12-06
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: US5445895A; WO1992018995A1; EP0579670A1; DE59204610D1; DE4111683A1; JPH06506559A; DE4111683C2; JP3138965B2

Abstract

Pulvermettalurgisch hergestellter Werkstoff oder strangepreßtes Halbzeug für elektrische Kontakte aus Silber oder aus einem metallischen Silberbasis-Werkstoff mit 0,5 bis 10 Gew.-% Kohlenstoff und 0 bis 2 Gew.-% eines Zusatzmetalls. Der Werkstoff enthält Kohlenstoffpulver in Kombination mit Kohlenstoffasern im Massenverhältnis von 10:1 bis 1:10, wobei der Durchmesser der Pulverteilchen im Mittel weniger als die Hälfte der Länge der Fasern beträgt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Kontaktwerkstoff mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein solcher Werkstoff ist in A. Keil et al., Elektrische Kontakte und ihre Werkstoff", Springer-Verlag (1984), S. 195, offenbart.
Kontaktwerkstoffe auf der Basis von Silber mit Kohlenstoff, insbesondere mit Graphit, haben im Bereich der Schutzschalter in der Niederspannungs-Energietechnik weite Verbreitung gefunden, weil sie eine hohe Sicherheit gegen ein Verschweißen der Kontakte bieten. In der Mehrzahl der Fälle enthält der Kontaktwerkstoff den Kohlenstoff in Pulverform. Da Silber und Kohlenstoff weder im festen noch im flüssigen Zustand ineinander löslich sind, können solche Werkstoffe nur auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden. Es ist bekannt, Silberpulver und Graphitpulver miteinander zu mischen, aus der Mischung Einzelteile zu pressen, zu sintern und nachzupressen oder aus der Pulvermischung Blöcke kaltisostatisch zu pressen, zu sintern und durch Strangpressen umzuformen, wobei die Graphitpartikel in Strangpreßrichtung zu faserartigen Agglomeraten ausgerichtet werden (vgl. A-Keil et al, a.a.O., sowie die von der Anmelderin herausgegebene Firmenschrift "GRAPHOR Kontaktwerkstoffe aus Silber-Graphit", mit dem Druckvermerk 4/90), die in der Literatur häufig vereinfachend als Graphit-Fasern bezeichnet werden. Besonders ausgeprägt ist die Ausbildung dieses faserartigen Gefüges bei AgC-Werkstoffen, die durch mehrmaliges Strangpressen von mit Graphitpulver gefüllten Manteldrähten hergestellt werden (vgl. K. Müller und D. Stöckel, DE-Z. "Metall" 36 (1982), S. 743).
Der sehr hohen Verschweißresistenz der Silber-Graphitwerkstoffe steht allerdings eine unbefriedigende Abbrandfestigkeit als Nachteil gegenüber. Mit zunehmendem Graphitgehalt steigt nicht nur die Verschweißresistenz, sondern auch der Abbrand. Hohe Verschweißresistenz und niedriger Abbrand sind demnach bei Silber-Graphit-Kontaktwerkstoffen einander ausschließende Forderungen.
Das Graphitpulver bewirkt im Kontaktwerkstoff eine Art Dispersionshärtung, so dass der Werkstoff wenig duktil ist und eine nachträgliche Formgebung der Kontaktstücke sehr aufwendig ist.
Gelegentlich wurde versucht, höhere Abbrandfestigkeit von Kontaktwerkstoffen dadurch zu erreichen, dass Fasern aus einem hochschmelzenden Material eingebaut wurden (US-A-3,254,189, US-A-4,699,763, DE-A-20 57 618, EP-A-0 205 897). Die EP-A-0 205 897 offenbart Lichtbogenelektroden, bei denen in eine Kohlenstoffmatrix Kohlenstoffasern eingebettet sind. Solche Elektroden sind für das Schalten von Hochspannung bestimmt, eignen sich aber nicht für Schutzschalter in der Niederspannungs-Energietechnik. Die DE-A-20 57 618 geht aus von kontinuierlichen Kohle- bzw. Graphitfäden oder von einer "Wolle" von Kohlenstoffäden, die mit schmelzflüssigem Silber oder Kupfer getränkt werden, ggfs. mit einem Zusatz von 0,5 bis 4 Gew.-% plättchenförmigem Graphit zur Verbesserung der Schmiereigenschaften bei einem Einsatz für Gleitkontakte. Da Kupfer, Silber und ihre Legierungen Graphit nicht benetzen, muss ein karbidbildender Zusatz wie z.B. Titan verwendet werden. Die Praxis hat aber gezeigt, dass auch bei Verwendung eines derartigen Netzmittels die Herstellung entsprechender Werkstoffe durch Infiltration eines Faserbündels oder einer Wolle aus Kohlenstoffäden ausserordentlich schwierig ist. Diese Schwierigkeiten können umgangen werden durch das in der US-A-4,699,763 beschriebene Verfahren. Hier werden Silberpulver, Graphitfasern und diverse Zusätze zu einem Schlicker gemischt und in mehreren pulvermetallurgischen Arbeitsschritten zu Kontaktplättchen verarbeitet. Die anwendungstechnische Prüfung derartiger Werkstoffe, die ihren Kohlenstoffanteil in der Form von echten Kohlenstoffasern entsprechend der DE-A-20 57 618 oder von Graphitfasern entsprechend der US-A-4,699,763 enthalten, zeigt, dass zwar die Abbrandfestigkeit gegenüber einem Verbundwerkstoff, der mit Graphitpulver hergestellt ist, deutlich erhöht wird, die Verschweißresistenz aber drastisch verschlechtert wird. Aus diesem Grund ist auch für die nach der US-A-4,699,763 hergestellten Werkstoffe bisher kein nennenswerter praktischer Einsatz bekanntgeworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktwerkstoff auf der Basis von Silber mit Kohlenstoff bzw. Graphit zu schaffen, der in Bezug auf Abbrand und Verarbeitbarkeit den bekannten Kontaktwerkstoffen auf der Basis von Silber und Graphitpulver überlegen ist, dabei aber in Bezug auf die Verschweißresistenz nicht die gravierenden Nachteile eines Kontaktwerkstoffes auf der Basis von Silber und Kohlenstoff-Fasern aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Werkstoff mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemässe Kontaktwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass in ihm der Kohlenstoff in Gestalt von Fasernstücken in Kombination mit einem Anteil in Gestalt eines Pulvers vorliegt. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass bei dem erfindungsgemässen Werkstoff die Werte für den Abbrand und die Verschweißresistenz wesentlich günstiger liegen als es sich bei den gewählten Verhältnissen von Kohlenstoffasern zu Kohlenstoffpulver in Anwendung der Mischungsregel ergeben würde; die kombinierte Verwendung von Kohlenstoffasern und Kohlenstoffpulver führt zu einem Effekt, der aus der bekannten Wirkung der Einzelkomponenten nicht vorhersehbar war.
Der Gehalt an Kohlenstoffasern darf nicht zu gering sein, weil sonst der günstige Einfluss auf die Verringerung des Abbrandes und die Steigerung der Duktilität zu niedrig sind. Demgegenüber darf der Anteil des Kohlenstoffpulvers nicht zu gering sein, weil sonst die Verschweißfestigkeit unzureichend ist. Andererseits darf der Gehalt an Kohlenstoffpulver nicht zu hoch sein, weil sonst der Werkstoff zu schlecht verformbar ist. Diese Gesichtspunkte führen dazu, dass bei einem Gesamtkohlenstoffgehalt von 0,5 bis 10 Gew.-% das Massenverhältnis des Kohlenstoffpulvers zu den Kohlenstoffasern auf Werte zwischen 10:1 und 1:10, vorzugsweise auf Werte zwischen 1:3 und 3:1, beschränkt ist. Gleichzeitig sollte dafür gesorgt werden, dass das Kohlenstoffpulver nicht nur von der Teilchenform her, sondern auch von der Teilchengröße her deutlich von den Fasern bzw. deren Bruchstücken unterscheidbar ist, denn das begünstigt sehr die Erzielung des erfindungsgemässen Effekts. Die Faserstücke sollen im Kontaktmaterial mindestens doppelt so lang vorliegen wie die Graphitpulverteilchen im Durchmesser sind. Vorzugsweise liegt die Länge der Faserstücke um den Faktor 10 bis 100 über dem mittleren Durchmesser der Kohlenstoff-Pulverteilchen. Die Fasern sollen im Durchmesser mindestens doppelt so groß sein wie es die Pulverteilchen im Mittel sind. Zweckmässigerweise liegt der Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 50 »m, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 25 »m. Als Kohlenstoff- oder Graphitpulver können handelsübliche Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,2 bis 40 »m, vorzugsweise von 1 bis 10 »m verwendet werden. Die Kohlenstoffasern bzw. die Graphitfasern können nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Die Länge, in welcher sie eingesetzt werden, muss so klein sein, dass sich die Fasern mit dem Silberpulver gleichmässig mischen lassen. Geeignet sind Fasern mit einer Länge von 30 bis 6000 »m, vorzugsweise werden die Fasern in Längen von nicht mehr als 500 »m eingesetzt. Durch den Preßvorgang, insbesondere durch den vorzugsweise nachgeschalteten Strangpreßvorgang, werden die Fasern in kleinere Stücke zerbrochen, so dass die mittlere Faserlänge im fertigen Kontaktwerkstoff geringer ist als die mittlere Ausgangslänge der Fasern.
Der grobe Faseranteil im Kontaktwerkstoff sorgt für dessen Duktilität und Abbrandfestigkeit; für die angestrebte Verschweißfestigkeit sorgt in Kombination mit dem Faseranteil der pulverige Feinanteil des Kohlenstoffs, der zu diesem Zweck wesentlich geringer sein kann als in einem Werkstoff, welcher keine Kohlenstoffasern, sondern nur Kohlenstoff bzw. Graphitpulver enthält.
Die Metallmatrix des erfindungsgemässen Werkstoffs besteht zweckmässigerweise aus Silber; sie kann auch aus einer Silberbasislegierung bestehen, d. h. aus einer überwiegend aus Silber bestehenden Legierung, deren anderer Legierungspartner nach Art und Menge so ausgewählt wird, dass er die elektrische Leitfähigkeit nicht zu sehr herabsetzt. Insbesondere eignen sich als Legierungsmetalle des Silbers Kupfer und Nickel. Statt diese Metall zuzulegieren, kann man sie auch pulvermetallurgisch mit dem Silber verbinden.
Der Kohlenstoffgehalt im Werkstoff sollte 10 Gew.-% nicht überschreiten, dabei ist zu beachten, dass die Dichte des Kohlenstoffs mit nur ca. 2 g/cm³ geringer ist als die von Silber, so dass der Volumenanteil des Kohlenstoffs wesentlich höher ist als sein Gewichtsanteil. Bei einem Gehalt von mehr als 10 Gew.-% Kohlenstoff wird der Werkstoff zu spröde, bei einem Gehalt von weniger als 0,5 Gew.-% Kohlenstoff ist dessen Wirkung auf die Verbesserung der Verschweißsicherheit zu gering.
Zur Verminderung des Abbrandes enthält der erfindungsgemässe Werkstoff vorzugsweise nicht mehr als 2 Gew.-% eines oder mehrerer Zusatzmetalle, namentlich Wismut, Kalzium, Blei, Antimon und/oder Tellur. Metallische Zusätze zu einem Silber-Graphitwerkstoff offenbart zwar bereits die US-PS 4,699, 763; es handelt sich dort jedoch um Nickel, Eisen, Kobalt, Kupfer und/oder Gold, mit welchen nicht der Abbrand verringert, sondern das Zusammensintern der Pulverteilchen erleichtert werden soll (sie dienen als Benetzungshilfe). Das Zusatzmetall wird vorzugsweise in einer Menge von wenigstens 0,05 % verwendet. Geringere Zusätze zeigen keinen nennenswerten Effekt. Mohr als 2 Gew.-% des Zusatzmetalls sollten nicht hinzugefügt werden, weil sonst die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktwerkstoffs zu stark absinkt.
Der optimale Kohlenstoffgehalt liegt zwischen 2 und 7 Gew.-%, das optimale Massenverhältnis von Kohlenstoffasern zu Kohlenstoffpulver zwischen 1:1 und 3:1.
Der Kohlenstoff kann in unterschiedlicher Modifikation eingesetzt werden, das Pulver z.B. in Form von Ruß. Am günstigsten verhält sich der Werkstoff, wenn sowohl das Kohlenstoffpulver als auch die Kohlenstoffasern aus Graphit bestehen.
Der erfindungsgemässe Kontaktwerkstoff hat nicht nur den Vorteil, Verschweißresistenz und niedrigen Abbrand optimal miteinander zu verbinden, durch seine Duktilität ist er auch leichter zu verarbeiten, insbesondere nachträglich zu verformen, was die Herstellung von Kontaktstücken und deren Verbindung mit Kontaktträgern erleichtert und verbilligt.
Weil der erfindungsgemässe Werkstoff so duktil ist, kann man sogar auf einfache Weise Halbzeuge aus dem erfindungsgemässen Werkstoff herstellen, die von vornherein einen Silberrücken haben, den sie benötigen, um auf Kontaktträger aufgelötet oder aufgeschweißt werden zu können. Während man herkömmliche SilberGraphit-Kontaktwerkstoffe in Einzelpreßtechnik mit einer Silber-Sinterschicht verbindet oder stranggepreßte Kontaktwerkstoffe durch einseitiges Ausbrennen des Graphits mit einer lötfähigen Rückseite versieht (DE-B: "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", A. Keil et al., Springer-Verlag 1984, S. 195 u. 196) kann ein erfindungsgemäßes Halbzeug mit einem Silberrücken einfach durch Verbundstrangpressen hergestellt werden, indem man einen vorzugsweise zylindrischen Block aus dem erfindungsgemässen Werkstoff mit Silber ummantelt und dann in eine Rückwärtsstrangpresse einlegt, die einen Verbundstrang erzeugt, der noch in der Matrize der Strangpresse oder danach längs geteilt wird. Alternativ kann der Block auch mit einem AgNi-Werkstoff ummantelt werden. In dieser Ausführungsform ergeben sich zusätzliche technologische Vorteile beim Aufbringen der Kontaktplättchen auf Kontaktträger durch Widerstandsschweißen.

Ausführungsbeispiele:

1.
96,2 Gew.-% handelsübliches Silberpulver, 2,3 Gew.-% graphitierte Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 15 »m und 1,5 Gew.-% Graphitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 »m werden trocken gemischt, kaltisostatisch zu einem Bolzen gepreßt, der Bolzen unter Schutzgas gesintert, mit einem Mantel aus Silber mit 10 Gew.-% Nickel umgeben und durch Rückwärtsverbundstrangpressen zu Bändern mit einer Dicke von 2,5 mm und einer Breite von 20 mm verarbeitet, welche anschließend auf eine Enddicke von 0,8 mm abgewalzt werden. Diese Bänder können entsprechend der gewünschten Kontaktbreiten längsgeteilt, die Kontaktstücke abgehackt und ohne weiteres auf Kontaktträger aufgeschweißt werden.
Ein parallel zur Strangpressrichtung gelegter Schliff dieses Werkstoffs ist in den Figuren 3 und 4 abgebildet; in Figur 3 mit 50-facher Vergrößerung, in Figur 4 mit 500-facher Vergrößerung. Die Kombination des faserigen Grobanteils mit dem pulverigen Feinanteil des Graphits in der Silbermatrix ist deutlich zu erkennen.
2.
95 Gew.-% handelsübliches Silberpulver, 3,5 Gew.-% pyrolytisch hergestellte Kohlenstoffasern, 1 Gew.-% Graphitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 1 »m sowie 0,5 Gew.-% Wismutpulver werden miteinander gemischt und dann mit den im ersten Beispiel angegebenen Schritten zu einem bandförmigen Kontakthalbzeug weiter verarbeitet.

Vergleichsbeispiele:

Zum Vergleich wurden zwei bandförmige Kontakthalbzeuge hergestellt, welche dieselbe Zusammensetzung hatten wie im Beispiel 1, wobei jedoch der Gesamtkohlenstoffgehalt von 3,8 % im einen Fall nur aus Graphitpulver und im anderen Fall nur aus graphitierten Kohlenstoffasern bestand. Diese Halbzeuge wurden hinsichtlich Abbrand und Verschweißresistenz mit dem Halbzeug gemäss Beispiel 1 verglichen. Die Ergebnisse sind in den Figuren 1 und 2 dargestellt. Figur 1 zeigt, dass die Schweißkräfte beim erfindungsgemässen Halbzeug wesentlich dichter bei denen des Vergleichshalbzeugs liegt, der nur Kohlenstoffpulver enthält als bei dem Vergleichshalbzeug, welches nur Kohlenstoffasern enthält. Figur 2 zeigt, dass das erfindungsgemässe Halbzeug im Abbrand fast genausogut ist wie das vergleichsweise hergestellte Halbzeug, welches nur Kohlenstoffasern enthielt.

Claims

Pulvermetallurgisch hergestellter Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte, bestehend
aus Silber oder einer Silber enthaltenden Legierung oder einem Silber enthaltenden Verbundmetall als Metallkomponente und aus 0,5 bis 10 Gew.-% Kohlenstoff,
dadurch gekennzeichnet, dass Kohlenstoffpulver in Kombination mit Kohlenstoffasern im Massenverhältnis von 10:1 bis 1:10 zusammen mit der pulverförmigen Metallkomponente zu einem Werkstoff verarbeitet ist, bei dem im Mittel die Länge der Kohlenstoffasern mehr als das Doppelte des Durchmessers der Kohlenstoffpulver-Teilchen beträgt.
Werkstoff nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Faserlänge um den Faktor zehn bis hundert über dem mittleren Durchmesser der Pulverteilchen liegt.
Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Fasern, wenigstens doppelt so groß ist wie der mittlere Durchmesser der Kohlenstoff-pulverteilchen.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Faserdurchmesser um den Faktor vier bis zwanzig über dem mittleren Durchmesser der Pulverteilchen liegt.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Mittel der Faserdurchmesser zwischen 4 und 25 »m und der Pulverteilchendurchmesser zwischen 1 und 10 »m liegen.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis von Kohlenstoffasern zu Kohlenstoffpulver zwischen 1:3 und 3:1, vorzugsweise zwischen 1:1 und 3:1 liegt.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtkohlenstoffgehalt 2 bis 7 Gew.-% beträgt.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Silberbasiswerkstoff Kupfer und/oder Nickel enthält.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass er 0 bis 2 Gew.-% eines Zusatzmetalls enthält und dass das Zusatzmetall eines oder mehrere der Metalle Bi, Ca, Pb, Sb und Te ist.
Werkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmetall in einer Menge von mindestens 0,05 Gew.-% vorhanden ist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbzeugs für elektrische Kontakte,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstoff gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10 durch Verbundstrangpressen mit Silber oder Silber/Nickel verbunden wird, das den Rücken des Halbzeugs bildet.