Kontaktwerkstoff aus Silber und Wirkkomponenten, daraus ge¬ fertigtes Formstuck sowie Verfahren zur Herstellung des Form- Stucks

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff aus Silber und 'Wirkkomponenten. Die Erfindung betrifft weiter ein aus einem Kontaktwerkstoff bestehendes Formstuck sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Formstuckε.

Für ein Kontaktstück in einem Niederspannungs-Schaltgerät der Energietechnik, z.B. in einem Leistungsschalter oder in einem Hilfsschutz, haben sich Kontaktwerkstoffe aus Silber, die sich m bestimmten Wirkkomponenten zur Verbesserung der

Schalteigenschaften voneinander unterscheiden, seit langem bewahrt. Als Wirkkomponenten sind sowohl Metalle als auch Me- talloxide bekannt. Vertreter der metallischen Kontaktwerk¬ stoffe aus Silber sind beispielsweise Silber-Nickel-Werkstof- fe (AgNi) und Silber-Eisen-Werkstoffe (AgFe) . Als Vertreter der oxidischen Kontaktwerkstoffe sei beispielhaft ein Silber- Eisenoxid-Werkstoff (AgFe ₂ 0 ₃ ) genannt.

Aus der US 5,198,015 A ist ein Kontaktwerkstoff auf Silber- basis bekannt, welcher einen Massenanteil von 0,5 - 39,9 %

Nickel und einen Massenanteil von 0,14 - 7 % Nickeloxid auf¬ weist .

Besonders Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe besitzen gute Schalteigenschaften, jedoch ist nachteilig, daß der sich bei der Herstellung oder wahrend des Betriebs durch Abrieb bil¬ dende Nickelstaub sowie das als Schaltprodukt entstehende Nickeloxid schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Orga¬ nismus haben können.

Standardisierte Testmethoden zur Bestimmung der Schalteigen- schaften eines Kontaktwerkstoffes finden sich in INT.J. Pow-

der Metallurgy and Powder Technology, Vol. 12 (1976), 219 - 228.

Kontaktwerkstoffe, die neben Silber Wirkkomponenten enthal- ten, welche keine schädliche Auswirkung auf den menschlichen Organismus haben, sind z.B. ein Silber-Eisen-Rhemum-Kontakt- werkstoff aus der EP 0 586 411 Bl und der bereits genannte Silber-Eisenoxid-Kontaktwerkstoff aus der DE 41 17 311 AI. Die Schalteigenschaften der genannten Kontaktwerkstoffe las- sen sich jeweils durch Beimengen zusätzlicher Wirkkomponen¬ ten, z.B. Zirkonoxid (Zr0 ₂ ), Yttriumoxid (Y ₂ 0 ₃ ) und Eisenwol- framat (FeWo ₄ ), verbessern. Der Massenanteil solcher zusätz¬ licher Wirkkomponenten liegt in der Regel zwischen 0,01 % und 5 %.

Oxidische Kontaktwerkstoffe, d.h. Kontaktwerkstoffe mit me- talloxidischen Wirkkomponenten, zeichnen sich durch eine ge¬ ringe Verschweißneigung und eine den Anforderungen genugende Lebensdauer aus. Metallische Kontaktwerkstoffe besitzen eine sehr hohe Lebensdauer, insbesondere bei kleinen Strömen, zei¬ gen jedoch in der Regel eine höhere Verschweißneigung als die oxidischen Kontaktwerkstoffe.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen nickelfreien Kontaktwerk- stoff aus Silber mit Wirkkomponenten anzugeben, welcher ge¬ genüber einem metallischen Kontaktwerkstoff eine geringere Verεchweißneigung und gegenüber einem oxidischen Kontaktwerk¬ stoff eine höhere Lebensdauer aufweist und somit insgesamt bessere Schalteigenschaften besitzt. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Herstellungsverfahren für ein Formstuck aus einem derartigen Kontaktwerkstoff sowie ein Formstück aus dem Kontaktwerkstoff, insbesondere em Kontaktstück, anzuge¬ ben, welches sich durch die verbesserten Schalteigenschaften besonders für einen Leistungsschalter der Energietechnik eig- net.

Bezuglich des Kontaktwerkstoffes wird diese Aufgabe gelost durch einen Kontaktwerkstoff aus Silber mit einem weiteren Metall und einem Oxid des weiteren Metalls als Wirkkomponen¬ ten, wobei die Summe der Massenanteile des Metalls und des Oxids zwischen 1 % und 50 % betragt und das Metall Eisen und das Metalloxid Eisenoxid ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß ein Kontakt- Werkstoff, welcher als Wirkkomponenten sowohl em Metall als auch ein Oxid dieses Metalls enthält, die gunstigen Schaltei¬ genschaften eines Kontaktwerkstoffes mit metallischen Wirk¬ komponenten mit den günstigen Schalteigenschaften eines Kon¬ taktwerkstoffes mit metalloxidischen Wirkkomponenten verei¬ nigt . Umfangreiche Untersuchungen zeigen, daß em derartiger Kontaktwerkstoff sich durch eme sehr geringe Verschweißnei¬ gung bei gleichzeitig hoher Lebensdauer auszeichnet. Schädli¬ che Auswirkungen von Eisen oder Eisenoxid auf den menschli¬ chen Organismus sind zudem nicht bekannt.

Das Eisenoxid kann entweder als Fe ₂ 0 ₃ oder als Fe ₃ 0 ₄ vorlie¬ gen, zweckmaßigerweise ist es eme Mischung aus Fe ₂ 0 ₃ und Fe ₃ 0 ₄ , wie sie im Handel ohne weiteres und kostengünstig ver¬ fugbar ist .

Eine Verbesserung der Schalteigenschaften des Kontaktwerk¬ stoffs wird erreicht, falls dieser mindestens eine weitere Wirkkomponente oder Minderkomponente aufweist . Besonders vor¬ teilhaft ist es, wenn die Minderkomponente em Ubergangsme- tall oder em das Ubergangsmetall enthaltendes Oxid ist, wo- bei der Massenanteil der Minderkomponente zwischen 0,01 % und 5 %, vorzugsweise zwischen 0,01 % und 2 % liegt. Die Schalt¬ eigenschaften besonders gunstig beeinflussende Minderkompo¬ nenten sind z.B. Zirkonoxid (Zr0 ₂ ) , Yttriumoxid (Y ₂ 0 ₃ ), Rheni- umoxid (Re0 ₂ ) , Rhenium (Re) , Eisenwolframat (FeW0 ₄ ) und Wis- mutzirkonat (2Bι ₂ 0 ₃ x 3Zr0 ₂ ) . Diese Minderkomponenten smd auch in Kombination gunstig für die Schalteigenschaften des Kontaktwerkstoffs .

Zur Losung der auf em Formstück bezogenen Aufgabe wird er¬ findungsgemaß ein Formstuck aus einem Kontaktwerkstoff ange¬ geben, welcher Silber, Eisen und Eisenoxid umfaßt, wobei die Summe der Massenanteile des Eisens und des Eisenoxids zwi- sehen 1 % und 50 % beträgt. Das Formstuck wird dabei vorteil¬ hafterweise pulvermetallurgisch hergestellt. Das pulverme¬ tallurgische Herstellungsverfahren wird im folgenden noch nä¬ her erläutert .

Für die Verwendung m einem Schaltgerat der Energietechnik, insbesondere für einen Leistungsschalter, ist das Formstück vorteilhafterweise m Form eines Kontaktstücks ausgebildet. Dabei kann das Kontaktstuck zusätzlich mit einer Schicht aus Remsilber zur sicheren Verbindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten versehen sein.

Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Formstucks wird die Aufgabe erfindungsgemaß dadurch gelost, daß eme Pulvermischung aus Silber, aus Eisen und aus Eisenoxid gebil- det und pulvermetallurgisch zu dem Formstück verarbeitet wird.

Zur Herstellung eines Formstucks aus einem Kontaktwerkstoff sind im wesentlichen zwei verschiedene pulvermetallurgische Verfahren bekannt. Bei der Formpreßtechnik wird die Pulvermi¬ schung durch Formpressen zu einem Formlmg verpreßt, welcher durch Sintern und ggf. weiteres Pressen zu dem fertigen Form¬ stuck verarbeitet wird. Wie bereits erwähnt, kann für die Herstellung eines Formstucks in Form eines Kontaktstucks der Formlmg zusätzlich mit einer Schicht aus Remsilber zur si¬ cheren Verbindung des Kontaktstucks mit der Unterlage durch Hartloten verpreßt werden. In einem nach der Formpreßtechnik hergestellten Formstuck liegen die in Pulverform zugefügten Wirkkomponenten mit einheitlicher Korngroße gleichmäßig, ohne makroskopische Orientierung über die Silbermatrix verteilt vor, und das Gefuge des Formstücks ist weitgehend isotrop.

Bei der Strangpreßtechnik wird die Pulvermischung zunächst zu einem porösen Preßling oder Butzen gepreßt und/oder gesin¬ tert Der Preßling oder Butzen wird, ggf. mit einer Schicht aus Remsilber, durch Strangpressen zu einem Strang verpreßt, aus welchem die Formstucke abgetrennt und eventuell emer nachfolgenden Behandlung unterzogen werden.

In einem nach der Strangpreßtechnik hergestellten Formstück sind die Pulverkorner der Wirkkomponenten und ggf. des Ξil- bers in Strangpreßrichtung verformt bzw. ausgerichtet, wo¬ durch sich ein anisotropes, namlich zeiliges Gefuge ausbil¬ det .

Durch das Gefüge eines Kontaktwerkstoffs, d.h. durch die Größe und durch die Verteilung der Wirkkomponenten in der

Silbermatrix, werden seine elektrischen Schalteigenschaften, z.B. Abbrand, Kontaktwiderstand und Verschweißneigung, ma߬ geblich bestimmt.

Metall-Pulver smd m der Regel bis hinab zu emer mittleren Korngroße von etwa 5 μm kommerziell erhältlich. Da Metall- oxid-Pulver verfügbar smd, deren mittlere Korngröße wesent¬ lich kleiner als 1 μm ist, läßt sich durch die Verwendung von Metalloxid-Pulver statt Metall-Pulver und anschließende Re- duktion des Metalloxids ein Kontaktwerkstoff erzielen, bei dem die mittlere Korngröße der metallischen Wirkkomponenten im Nannometer-Bereich liegt. Em derartiger Kontaktwerkstoff mit einem feinen Gefuge weist günstigere Schalteigenschaften auf als em Kontaktwerkstoff mit grobem Gefuge. Zudem kann bei der Verwendung von Metalloxid-Pulvern unter weniger strengen Transport- und Verarbeitungsvorschriften gearbeitet werden, da im Gegensatz zu Metalloxid-Pulvern viele Metall¬ pulver selbstentzundlich sind Auf diese Weise lassen sich die Herstellungskosten reduzieren.

Entsprechend werden die Schalteigenschaften eines Formstucks aus dem Kontaktwerkstoff verbessert durch em auch kostengun-

stiges Herstellungsverfahren, bei dem eine erste Pulverimi- schung aus Silber und aus Eisenoxid gebildet und m der er¬ sten Pulvermischung das Eisenoxid zu Eisen reduziert wird, aus der durch diese Reduktion veränderten ersten Pulvermi- schung und aus Eisenoxid eme zweite Pulvermischung gebildet wird und die zweite Pulvermischung pulvermetallurgisch zu dem Formstuck verarbeitet wird

Um eme unerwünschte Oxidation bzw. Reduktion des Metalloxids m weiteren Verfahrensschritten zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn der Sintervorgang des Herstellungsverfahrens unter Inertgas oder Vakuum stattfindet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an- hand einer Figur sowie durch Untersuchungsergebnisse naher erläutert . Dabei zeigt :

FIG 1 Die Struktur eines erfindungsgemäß nach der Strang¬ preßtechnik hergestellten Silber-Eisen-Eisenoxid-Kon- taktwerkstoffes parallel zur Strangpreßrichtung.

Als Ausführungsbeispiel wird em Silber-Eisen-Eisenoxid-Werk- stoff hergestellt. Dazu wird eme Pulvermischung aus Silber (Ag) und den Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Eisenoxid (Fe ₂ 0 ₃ ) sowie den weiteren Wirkkomponenten Zirkonoxid (Zr0 ₂ ) , Yttri- umoxid (Y ₂ 0 ₃ ) , Rheniumoxid (ReO) und Rhenium (Re) herge¬ stellt. Die Zusammensetzung der Pulvermischung ist derart, daß die Summe der Massenanteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Eisenoxid (Fe ₂ 0 ₃ ) im fertigen Werkstoff 10 % be- trägt, wobei die Massenanteile des Eisens (Fe) und des Eisen¬ oxids (Fe ₂ 0 ₃ ) jeweils 5 % betragen. Die Summe der Massenan¬ teile der weiteren Wirkkomponenten betragt 2 %.

Das Pulvergemisch wird zu einem Rohling oder Butzen weiter- verarbeitet und nach der beschriebenen Strangpreßtechnik un¬ ter üblichen Bedingungen zu einem Formstuck verpreßt. Alle Sintervorgange finden dabei unter Inertgas statt, um eme Re-

duktion deε Eisenoxids zu Eisen bzw. eine Oxidation des Ei¬ sens zu Eisenoxid zu verhindern

Der derart hergestellte Kontaktwerkstoff wird aufgrund semer Zusammensetzung als AgFe5F ₂ 0 ₃ 5-Werkstoff bezeichnet.

In Figur 1 ist die Struktur deε erfindungsgemaßen AgFe5F ₂ 0,5- Werkstoffs in einem Schliffbild parallel zur Strangpreßnch- tung dargestellt. Die Schalteigenschaften des Kontaktwerk- stoffeε werden m Vergleichεversuchen mit bekannten metalli¬ schen oder metalloxidischen Kontaktwerkεtoffen unterεucht.

Dazu wird alε Vertreter der metallischen Kontaktwerkstoffe ein Ag (FeRe95/5) 8, 8-Kontaktwerkstoff herangezogen. Die Schreibweise Ag(FeRe95/5) 8, 8 zeichnet dabei einen Silber-Ei- sen-Rhenium-Kontaktwerkstoff aus, wobei die Summe der Massen- anteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Rhenium (Re) 8,8 % betragt und das Verhältnis der Massenanteile von Eisen (Fe) zu Rhenium (Re) 95 zu 5 gewählt ist. Als ein Vertreter für einen metalloxidischen Kontaktwerkstoff wird em AgFe ₂ 0 ₃ 5, 4Zr0 ₂ l-Kontaktwerkstoff herangezogen. Der AgFe2θ ₃ 5, 4Zr0 ₂ l-Kontaktwerkstoff zeichnet sich durch einen Massenanteil von 5,4 % Eisenoxid (Fe ₂ 00 und 1 % Zirkonoxid (Zr0 ₂ ) aus.

Die in den Vergleichsversuchen verwendeten Testmethoden sind in der Würdigung des Standes der Technik bereits beschrieben. Der erfindungsgemaße AgFe5F ₂ 0 ₃ 5-Kontaktwerkstoff zeigt eme geringere Verschweißneigung als der metallische Ag(FeRe95/5) 8, 8-Kontaktwerkstoff und eine höhere Lebensdauer als der metalloxidische AgFe ₂ 0 ₃ 5, 4Zr0 ₂ l-Kontaktwerkstoff .

Aufgrund der gunstigen Schalteigenschaften eignet sich em derartiger Kontaktwerkstoff insbesondere für die Verwendung m Leistungsschaltern der Energietechnik.