DE4111683A1 - Werkstoff fuer elektrische kontakte aus silber mit kohlenstoff - Google Patents

Description

Kontaktwerkstoffe auf der Basis von Silber mit Kohlenstoff, insbesondere mit Graphit, haben im Bereich der Schutzschalter in der Niederspannungs-Energietechnik weite Verbreitung ge­ funden, 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 in­ einander löslich sind, können solche Werkstoffe nur auf pul­ vermetallurgischem Wege hergestellt werden. Es ist bekannt, Silberpulver und Graphitpulver miteinander zu mischen, aus der Mischung Einzelteile zu pressen, zu sintern und nachzu­ pressen oder aus der Pulvermischung Blöcke kaltisostatisch zu pressen, zu sintern und durch Strangpressen umzuformen, wobei die Graphitpartikel in Strangpreßrichtung ausgerichtete, längliche Agglomerate bilden, siehe die von der Anmelderin herausgegebene Firmenschrift "GRAPHOR Kontaktwerkstoffe aus Silber-Graphit", mit dem Druckvermerk 4/90.

Der sehr hohen Verschweißresistenz der Silber-Graphitwerkstoffe steht allerdings eine unbefriedrigende 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 Dis­ persionshärtung, so daß der Werkstoff wenig duktil ist und eine nachträgliche Formgebung der Kontaktstücke sehr aufwendig ist.

Wird der Kohlenstoff in Form von Graphit-Fasern in den Werk­ stoff eingebracht, wie in der US-PS 46 99 763 offenbart, die zur Bildung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 herange­ zogen wurde, so wird ein Kontaktwerkstoff erhalten, der so­ wohl einen geringeren Abbrand zeigt als auch duktiler ist als ein Werkstoff auf der Basis von Silber mit Graphitpulver. Fatalerweise ist jedoch die Verschweißresistenz eines Werk­ stoffes, welcher das Graphit nicht in Form von Pulver, son­ dern in Form von Fasern enthält, so sehr verschlechtert, daß man seinen Einsatz als Kontaktwerkstoff guten Gewissens kaum empfehlen kann, denn es ist ja gerade die hohe Verschweiß­ resistenz der Werkstoffe aus Silber mit Graphitpulver, die diese Werkstoffe als Kontaktwerkstoffe für die Niederspannungs-Energie­ technik interessant macht.

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 An­ spruch 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 Fasern in Kombina­ tion mit einem Anteil in Gestalt eines Pulvers vorliegt. Über­ raschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei dem erfindungsge­ mäßen Werkstoff die Werte für den Abbrand und die Verschweiß­ resistenz wesentlich günstiger liegen als es sich bei den ge­ wählten 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 verform­ bar ist. Diese Gesichtspunkte führen dazu, daß bei einem Gesamtkohlenstoffgehalt von 0,5 bis 10 Gew.-% das Massenver­ hältnis 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 ge­ sorgt werden, daß das Kohlenstoffpulver nicht nur von der Teilchenform her, sondern auch von der Teilchengröße her deutlich von den Fasern bzw. deren Bruchstücken unterscheid­ bar ist, denn das begünstigt sehr die Erzielung des erfin­ dungsgemäßen Effekts. Die Fasern sollen im Kontaktmaterial in der Länge mindestens doppelt so groß sein wie die Pulver­ teilchen im Durchmesser sind. Vorzugsweise liegt die Faser­ länge größenordnungsmäßig 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. Zweck­ mäßigerweise liegt der Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 50 µm, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 25 µm. Als Kohlenstoff- oder Graphitpulver können handelsübliche Pul­ ver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,2 bis 40 µm, vorzugsweise von 1 bis 10 µm 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 mi­ schen lassen. Geeignet sind Fasern mit einer Länge von 30 bis 6000 µm, vorzugsweise werden die Fasern in Längen von nicht mehr als 500 µm eingesetzt. Durch den Preßvorgang, insbesondere durch den vorzugsweise nachgeschalteten Strang­ preßvorgang werden die Fasern in kleinere Stücke zer­ brochen, so daß die mittlere Faserlänge im fertigen Kontakt­ werkstoff geringer ist als die mittlere Ausgangslänge der Fasern.

Der grobe Faseranteil im Kontaktwerkstoff sorgt für dessen Duktilität und Abbrandfestigkeit; für die angestrebte Ver­ schweißfestigkeit 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 Sil­ berbasislegierung bestehen, d. h. aus einer überwiegend aus Silber bestehenden Legierung, deren anderer Legierungs­ partner nach Art und Menge so ausgewählt wird, daß er die elektrische Leitfähigkeit nicht zu sehr herabsetzt. Ins­ besondere eignen sich als Legierungsmetalle des Silbers Kupfer und Nickel. Statt diese Metalle zuzulegieren, kann man sie auch pulvermetallurgisch mit dem Silber verbinden.

Der Kohlenstoffgehalt im Werkstoff sollte 10 Gew.-% nicht über­ schreiten, dabei ist zu beachten, daß die Dichte des Kohlen­ stoffs 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, Calzium, Blei, Antimon und/oder Tellur. Metallische Zusätze zu einem Sil­ ber-Graphitwerkstoff offenbart zwar bereits die US-PS 46 99 763; es handelt sich dort jedoch um Nickel, Eisen, Kobalt, Kupfer und/oder Gold, mit welchen nicht der Abbrand ver­ ringert, 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. Mehr als 2 Gew.-% des Zusatz­ metalls 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 Kohlen­ stoffpulver 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 Vor­ teil, Verschweißresistenz und niedrigen Abbrand optimal mit­ einander zu verbinden, durch seine Duktilität ist er auch lei­ chter 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. Ein solches Verbundhalbzeug kann einfach durch Verbundstrangpressen hergestellt werden, indem man einen vorzugsweise zylindrischen Block aus dem er­ findungsgemäßen 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 Auf­ bringen der Kontaktplättchen auf Kontaktträger durch Wider­ standsschweißen.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

96,2 Gew.-% handelsübliches Silberpulver, 2,3 Gew.-% graphitierte Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 15 µm und 1,5 Gew.-% Graphitpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 2 µm 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 End­ dicke von 0,8 mm abgewalzt werden. Diese Bänder können ent­ sprechend der gewünschten Kontaktbreiten längsgeteilt, die Kontaktstücke abgehackt und ohne weiteres auf Kontakt­ träger aufgeschweißt werden.

Ein parallel zur Strangpreßrichtung gelegter Schliff dieses Werkstoffs ist in den Fig. 3 und 4 abgebildet; in Fig. 3 mit 50facher Vergrößerung, in Fig. 4 mit 500facher Vergrößerung. Die Kombination des faserigen Grob­ anteils mit dem pulverigen Feinanteil des Graphits in der Silbermatrix ist deutlich zu erkennen.

Beispiel 2

95 Gew.-% handelsübliches Silberpulver, 3,5 Gew.-% pyrolytisch hergestellte Kohlenstoffasern, 1 Gew.-% Graphitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von ca. 1 µm sowie 0,5 Gew.-% Wismutpulver werden mitein­ ander gemischt und dann mit den im ersten Beispiel an­ gegebenen Schritten zu einem bandförmigen Kontakthalb­ zeug weiter verarbeitet.

Vergleichsbeispiele

Zum Vergleich wurden zwei bandförmige Kontakthalbzeuge her­ gestellt, welche dieselbe Zusammensetzung hatten wie im Bei­ spiel 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 Fig. 1 und 2 dargestellt. Fig. 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. Fig. 2 zeigt, daß das erfindungsgemäße Halbzeug im Abbrand fast genausogut ist wie das vergleichsweise hergestellte Halbzeug, welches nur Kohlenstoffasern enthielt.

Claims (11)

1. Pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff oder stranggepreßtes Halbzeug für elektrische Kontakte aus Silber oder aus einem metallischen Silberbasiswerkstoff mit 0,5 bis 10 Gew.-% Kohlenstoff und 0 bis 2 Gew.-% eines Zusatzmetalls, dadurch gekennzeichnet, daß er Kohlenstoffpulver in Kombi­ nation mit Kohlenstoffasern im Massenverhältnis von 10 : 1 bis 1 : 10 enthält, wobei der Durchmesser der Pulverteilchen im Mittel weniger als die Hälfte der Länge der Fasern be­ trägt.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlänge größenordnungs­ mäßig um den Faktor zehn bis hundert über dem mittleren Durch­ messer der Pulverteilchen liegt.

3. 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.

4. Werkstoff oder Halbzeug nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser größen­ ordnungsmäßig um den Faktor vier bis zwanzig über dem mitt­ leren Durchmesser der Pulverteilchen liegt.

5. Werkstoff oder Halbzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Mittel der Faserdurch­ messer zwischen 4 und 25 µm und der Pulverteilchendurch­ messer zwischen 1 und 10 µm liegen.

6. Werkstoff oder Halbzeug 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.

7. Werkstoff oder Halbzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtkohlenstoffgehalt 2 bis 7 Gew.-% beträgt.

8. Werkstoff oder Halbzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Silberbasiswerkstoff Kupfer und/oder Nickel enthält.

9. Werkstoff oder Halbzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmetall eines oder mehrere der Metalle Bi, Ca, Pb, Sb und Te enthält.

10. Werkstoff oder Halbzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmetall in einer Menge von mindestens 0,05 Gew.-% vorhanden ist.

11. Halbzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Rücken aus Silber oder Silber/Nickel hat, der durch Verbundstrangpressen mit dem Silberbasis-Kohlenstoff-Werkstoff verbunden ist.