Beschreibung

Verfahren zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kontakt- werkstoff auf Silberbasis

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis. Die Erfindung betrifft weiter einen solchen Kontaktwerkstoff so¬ wie ein Formstück aus einem solchen Kontaktwerkstoff.

Für ein Kontaktstück in einem Niederspannungs-Schaltgerät der Energietechnik, z.B. in einem Leistungsschalter oder in einem Hilfsschütz, haben sich Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis, die bestimmte Wirkkomponenten enthalten, seit langem bewährt. Alε Wirkkomponenten, welche die Schalteigenschaften des Kon- taktwerkstoffes günstig beeinflussen, sind sowohl Metalle als auch Metalloxide bekannt. Vertreter der metallischen Kontakt¬ werkstoffe auf Silberbasis sind beispielsweise Silber-Nickel (AgNi) und Silber-Eisen (AgFe) . Als Vertreter der oxidischen Kontaktwerkstoffe sei beispielhaft Silber-Eisenoxid (AgFe ₂ θ3) genannt.

Während oxidische Kontaktwerkstoffe gegenüber metallischen Kontaktwerkstoffen eine geringere Verschweißneigung aufwei- sen, besitzen letztgenannte insbesondere bei kleinen Strömen eine höhere Lebensdauer.

Zur Messung bestimmter Eigenschaften eines Kontaktwerktoffes wird üblicherweise ein in Z. f. Werkstofftechnik/J. of Mate- rials Technology 7, (1976), 381 bis 389 beschriebener Prüf¬ schalter herangezogen, in den jeweils ein Kontaktstück aus dem Kontaktwerkstoff eingesetzt wird.

Besonders Silber-Nickel-Kontaktwerkstoffe besitzen gute Schalteigenschaften, jedoch ist nachteilig, daß der sich bei der Herstellung oder während des Betriebs durch Abrieb bil¬ dende Nickelstaub sowie das sich als Schaltprodukt bildende

Nickeloxid eine schädliche Auswirkung auf den menschlichen Organismus haben kann.

Aus der EP 0 586 411 Bl ist ein Kσntaktwerkstoff auf Silber- basis bekannt, der die Metalle Eisen und Rhenium in Massen¬ anteilen zwischen 1 % und 50 % bzw. zwischen 0,01 % und 5 % als Wirkkomponenten enthält. Dabei wurde erkannt, daß Rhenium selbst in Massenanteilen unter 1 % die Eigenschaften eines derartigen Kontaktwerkstoffes verbessert. Der genannte Kon- taktwerkstoff zeichnet sich durch eine geringe Kontakterwär¬ mung mit stabilem Erwärmungsverhalten, vertretbare Ver- schweißneigung und hohe Lebensdauer in bezug auf vorgegebene Schaltstromstärken aus.

Gemäß der EP 0 586 411 Bl wird der Silber-Eisen-Rhenium-Kon¬ taktwerkstoff durch Mischen von Silber- und Eisen-Rhenium-Le¬ gierungspulver oder durch Mischen von separaten Pulvern aus Silber, Eisen und Rhenium hergestellt. Die Pulvermischung wird anschließend durch Formpressen oder Strangpressen sowie Sintern zu Formteilen bzw. zu Halbzeugen verarbeitet. Das Ge¬ füge eines solchen Werkstoffes, d.h. die Größe und die Ver¬ teilung der Wirkkomponenten in der Silbermatrix, ist durch die Korngröße der am Markt erhältlichen Metallpulver bzw. Le¬ gierungspulver vorgegeben. Die Verwendung von groben Metall- pulvern führt zu einem grobkörnigen, von feinkörnigen Metal1- pulvern zu einem feinkörnigen Gefüge. Die feinsten, in tech¬ nisch relevanten Mengen hergestellten Eisen-Pulver haben eine mittlere Korngröße von ca. 5 um. Eisen-Rhenium-Pulver werden durch Verdüsen einer entsprechenden Schmelze hergestellt und besitzen ebenfalls eine mittlere Korngröße von ca. 5 μm oder mehr.

Zur Herstellung eines Formstücks aus dem Kontaktwerkstoff sind im wesentlichen zwei verschiedene pulvermetallurgische Verfahren bekannt. Bei der Formteiltechnik wird die Pulvermi¬ schung durch Formpressen zu einem Formteil verpreßt, welches durch Sintern und ggf. weiteres Pressen zu einem fertigen

Formstück verarbeitet wird. Für die Herstellung eines Form¬ stücks in Form eines Kontaktstücks kann das Formteil zusätz¬ lich mit einer Schicht aus Reinsilber zur sicheren Verbindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten verpreßt werden.

In einem nach der Formteiltechnik hergestellten Formstück liegen die in Pulverform zugefügten Wirkkomponenten mit ein¬ heitlicher Korngröße unregelmäßig über die Silbermatrix ver- teilt vor. Das Gefüge 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, gegebenenfalls mit einer Schicht aus Reinsilber (s.o.), durch Strangpressen zu einem Strang verpreßt, aus welchem die Formstücke abgetrennt und eventuell einer nachfolgenden Behandlung unterzogen werden.

In einem nach der Strangpreßtechnik hergestellten Formstück sind die Pulverkörner des Silbers und ggf. der Wirkkomponen¬ ten in Strangpreßrichtung verformt bzw. ausgerichtet, wodurch sich ein anisotropes, nämlich zeiliges Gefüge ausbildet.

Durch das Gefüge des Kontaktwerkstoffs werden seine elektri- sehen Schalteigenschaften, z.B. Abbrand, Kontaktwiderstand und Schweißkraft, maßgeblich bestimmt.

In der WO 95/08833 AI wird ein Verfahren zum Verbinden eines Kontaktstückes aus einem Silber-Metalloxid-Werkstoff mit ei- nem Träger durch Hartlöten oder Schweißen beschrieben. Dabei wird im oberflächennahen Bereich des Kontaktstückes das Me¬ talloxid des Kontaktwerkstoffes wenigstens teilweise zu Me¬ tall reduziert. Eine daraus resultierende, die Schalteigen¬ schaften des Kontaktstückes bzw. des Kontaktwerkstoffes gün- stig beeinflussende Gefügeveränderung wird nicht erreicht.

Das beschriebene Verfahren eignet sich lediglich zur Herstel-

lung dünner, schweiß- und lötbarer Schichten bis zu wenigen 100 μm.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für ein Formstück aus einem Kontaktwerkstoff sowie einen solchen Kontaktwerkstoff selbst anzugeben, welcher gegenüber dem Stand der Technik günstigere Schalteigenschaften aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktstück aus dem Kontaktwerkstoff anzugeben, welches sich durch verbesserte Schalteigenschaften besonders für ein Schaltgerät der Ener¬ gietechnik eignet .

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Formstücks aus einem Kontaktwerkstoff auf Silberbasis erfindungsgemäß gelöst, indem eine Pulvermischung aus Silber und aus einem Metalloxid gebildet wird, welche pulvermetall¬ urgisch zu dem Formstück verarbeitet wird, und wobei das Me¬ talloxid zu Metall reduziert wird.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß ein Kon¬ taktwerkstoff mit einem feinen Gefüge ein besseres Schaltver¬ halten als ein Kontaktwerkstoff mit einem groben Gefüge auf¬ weist. Das Eigenschaftsspektrum eines Kontaktwerkstoffes läßt sich erheblich verbessern, indem die mittlere Korngröße der Wirkkomponenten in der Silbermatrix verringert wird.

Umfangreiche Messungen lassen erwarten, daß die Schalteigen¬ schaften eines Kontaktwerkstoffes auf Silberbasis bzw. die Schalteigenschaften eines Formstücks aus dem Kontaktwerkstoff besonders günstig sind, falls die mittlere Korngröße der

Wirkkomponenten kleiner als 1 μm ist. Ein derartiger Kontakt¬ werkstoff läßt sich mit bekannten pulvermetallurgischen Her¬ stellungsverfahren bei Verwendung handelsüblicher Metallpul¬ ver, deren mittlere Korngröße im Bereich einiger um liegt, allerdings nicht erzeugen.

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Da jedoch Metalloxid-Pulver verfügbar sind, deren Korngrößen wesentlich kleiner als 1 μm sind, läßt sich durch die Verwen¬ dung von Metalloxid-Pulver statt Metall-Pulver und anschlie¬ ßende Reduktion des Metalloxids ein Kontaktwerkstoff erzie- len, bei dem die mittlere Korngröße der metallischen Wirkkom¬ ponenten im Nanometer-Bereich liegt. Zudem kann bei der Ver¬ wendung von Metalloxid-Pulvern unter weniger strengen Trans¬ port- und Verarbeitungsvorschriften gearbeitet werden, da im Gegensatz zu Metalloxid-Pulvern viele Metall-Pulver selbst- entzündlich sind. Auf diese Weise lassen sich die Herstel¬ lungskosten reduzieren.

Die Reduktion des Metalloxides erfolgt vorteilhafterweise in der Pulvermischung, da durch die zunehmende Verdichtung der Pulvermischung in nachfolgenden Arbeitsschritten eine voll¬ ständige Reduktion des Metalloxids erschwert ist.

Die Reduktion des Metalloxids kann auch in einem Rohling des Formstücks erfolgen, welcher noch eine genügend hohe Porosi- tat bzw. Gasdurchlässigkeit aufweist. Ein solcher Rohling ist beispielsweise der in der Strangpreßtechnik bereitzustellende Butzen, der nachfolgend zu einem Strang verpreßt wird. Ebenso kann ein solcher Rohling aber auch ein in der Formteiltechnik hergestelltes Vorprodukt für ein Formteil sein, ehe aus die- sem durch erneutes Pressen und Sintern das Formteil herge¬ stellt wird.

Zweckmäßigerweise wird die Reduktion des Metalloxids durch eine Wärmebehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre er- reicht. Besonders effektiv ist es, wenn die Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 500 °C unterhalb des Schmelz¬ punktes von Silber, d.h. unter Berücksichtigung der beige¬ mischten Wirkkomponenten bei einer Temperatur zwischen 500 °C bis 1000 °C, vorzugsweise bei 700 °C, durchgeführt wird. Da- bei kann die reduzierende Atmosphäre gleichzeitig als Schutz¬ gas für eine eventuell erforderliche Sinterung herangezogen werden. Sinterung und Reduktion können dadurch bei der Her-

Stellung des Kontaktwerkstoffes in einem Arbeitsgang erfol¬ gen.

Vorteilhafterweise wird als reduzierende Atmosphäre auch das üblicherweise für die Sinterung eingesetzte Gas Wasserstoff (H ₂ ) verwendet.

Durch die bei pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren notwendigen Sinter- und Preßvorgänge kann es zu einer Konglo- meration der in Pulverform zugeführten Wirkkomponente kommen. Dies insbesondere, falls die Wirkkomponente in Form eines Pulvers eines Metalloxids mit sehr kleinen Korngrößen zuge¬ führt wird. Für die Schalteigenschaften günstige Korngrößen der Wirkkomponente lassen sich im Kontaktwerkstoff erzielen, wenn als Metalloxid ein Pulver mit einer Korngröße von klei¬ ner als 1 um, vorzugsweise von 100 bis 500 nm verwendet wird.

Der hergestellte Kontaktwerkstoff bzw. das Formstück aus dem Kontaktwerkstoff weist vorteilhafte Schalteigenschaften auf, wenn der Pulvermischung ein weiteres Metall oder ein weiteres

Metalloxid beigemischt wird. Dabei wird das weitere Metall¬ oxid, wie beschrieben, zu einem weiteren Metall reduziert. Es ist aber auch vorstellbar, das weitere Metalloxid erst nach der Reduktion der Pulvermischung beizumengen. Der herge- stellte Kontaktwerkstoff hätte in diesem Fall eine oxidische Wirkkomponente.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Pulvermischung Silber (Ag) , Eisenoxid (Fe ₂ 0 ₃ /Fe ₃ θ4) und Rhenium (Re) oder Silber (Ag) , Rheniumoxid (Re) und Eisen (Fe) oder Silber

(Ag) , Rheniumoxid (ReO) und Eisenoxid (Fe ₂ θ3/Fe3θ ₄ ) zugeführt wird.

Bezüglich des Kontaktwerkstoffes wird die Aufgabe erfindungs- gemäß gelöst durch einen Kontaktwerkstoff auf Silberbasis mit zumindest einer weiteren metallischen Komponente, deren mitt¬ lere Korngröße kleiner als 1 um ist, vorzugsweise 100 bis

500 nm beträgt. Ein derartiger Kontaktwerkstoff weist neben sehr guten Schalteigenschaften insbesondere eine sehr geringe Verschweißneigung sowie eine hohe Lebensdauer auf .

Günstige Schalteigenschaften besitzt der Kontaktwerkstoff, wenn als metallische Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Rhenium (Re) vorgesehen sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn Eisen (Fe) in Massenanteilen zwischen 1 und 50 % und Rhenium (Re) in Massenanteilen zwischen 0,01 und 5 % vorliegen.

Die Aufgabe bezüglich des Kontaktstücks wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Formstück aus dem Kontaktwerkstoff in Ge¬ stalt eines Kontaktstückes. Dabei kann das Kontaktstück zu¬ sätzlich mit einer Schicht aus Reinsilber zur sicheren Ver- bindung des Kontaktstücks mit der Unterlage durch Hartlöten versehen sein. Ein derartiges Kontaktstück eignet sich für die Verwendung in einem Schaltgerät der Energietechnik, ins¬ besondere für einen Niederspannungsschalter.

Durch die folgenden Untersuchungsergebnisse sowie durch eine

Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Dabei zeigen:

FIG 1 Gefüge eines erfindungsgemäß nach der Strangpre߬ technik hergestellten Ag (FeRe 95/5) 8, 8-Werkstof- fes senkrecht zur Strangpreßrichtung;

FIG 2 Gefüge eines konventionell nach der Strangpreßtech¬ nik hergestellten Ag (FeRe 95/5) 8,8-Werkstoffes senkrecht zur Strangpreßrichtung;

FIG 3 Gefüge eines erfindungsgemaß nach der Strangpreß- technik hergestellten Ag (FeRe 95/5) 8, 8-Werkstof- fes parallel zur Strangpreßrichtung;

FIG 4 Gefüge eines konventionell nach der Strangpreßtech¬ nik hergestellten Ag (FeRe 95/5) 8,8-Werkstoffes parallel zur Strangpreßrichtung.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Silber-Eisen- Rhenium-Werkstoff hergestellt. Dazu wird Silberpulver Ag mit Rheniumpulver Re (Korngröße ca. 5 um) und mit Eisenoxid-Pul¬ ver Fe ₂ 0 ₃ /Fe ₃ θ ₄ (Korngröße kleiner als 10 nm) vermischt. Die¬ ses Pulvergemisch wird zu einem Rohling oder Butzen weiter- verarbeitet, welcher bei einer Temperatur von 700 °C unter einer H ₂ -Atmosphäre zur Reduktion des Eisenoxids zu Eisen ge¬ glüht wird. Die Weiterverarbeitung zu einem Kontaktstück ge¬ schieht nach der beschriebenen Strangpreßtechnik unter be¬ kannten Bedingungen.

Die Zusammensetzung der Pulvermischung ist derart, daß die Summe der Massenanteile der Wirkkomponenten Eisen (Fe) und Rhenium (Re) 8,8 % im fertigen Werkstoff beträgt, wobei das Verhältnis von Eisen zu Rhenium 19/1 gewählt ist. Der Werk- stoff soll im folgenden mit Ag (FeRe 95/5) 8,8 bezeichnet werden, wobei sich die Angabe des Verhältnisses 95/5 auf das fertigungstechnisch bedingte Mischungsverhältnis von Eisen- und Rhenium-Pulver bezieht.

Figuren 1 und 3 zeigen die feine Struktur eines derart herge¬ stellten Ag (FeRe 95/5) 8,8-Werkstoffes parallel bzw. senk¬ recht zur Strangpreßrichtung. Die mittlere Korngröße der Rhe¬ nium- und Eisenpartikel in der Silbermatrix (gemessen senk¬ recht zur Strangpreßrichtung, s Fig. 1) liegt in einem Be- reich deutlich unter 1 um. Im Vergleich zu einem konventio¬ nell hergestellten Ag (FeRe 95/5) 8,8-Werkstoff, dessen Ge¬ füge senkrecht zur Strangpreßrichtung in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Größenunterschied der in die Silbermatrix einge¬ betteten Wirkkomponenten signifikant. Ebenso wird dies auch in den Figuren 3 und 4 ersichtlich, die das Gefüge eines er¬ findungsgemäß bzw. konventionell hergestellten Ag (FeRe 95/5) 8, 8-Werkstoffes parallel zur Strangpreßrichtung zeigen.

Als ein für das Schaltverhalten des Werkstoffs signifikanter Parameter wird die Schweißkraft des Werkstoffs nach Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, (1976) 381 bis 389 mit folgenden Prüfbedingungen getestet:

- Probenabmessung: 10 mm x 10 mm

- Kontaktfläche: ballig R = 80 mm

- Oberflächenzustand: gedreht

- Schließgeschwindigkeit: 1 m/sek. - Kontaktkraft: 60 N

- Prellzeit der ersten drei Sprünge: 5 msek.

- Trenngeschwindigkeit: 7,4 x 10 ^" " m/sek.

- PrüfSpannung: 220 V

- Einschalt- und Ausschaltstrom: 1000 A - Schaltzahl 1000.

Die Schweißkraftwerte werden in ihrer Summenhäufigkeit darge¬ stellt, wobei die Ordinate nach der Weibull-Funktion und die Abszisse logarithmisch geteilt ist. Da bei AgFeRe-Kontakt- Werkstoffen bei den ersten Schaltvorgängen die mechanische Bearbeitung Ursache hoher Schweißkraft sein kann, wird zum Vergleich mit konventionell hergestellten AgFeRe-Werkstoffen der 99,8 %-Wert herangezogen.

Es ergibt sich:

Erfindungsgemäßes Verfahren, Ag (FeRe 95/5) 8, 8-Werkstoff:

Schweißkraft: 237 N (99,8 %)

Konventionelles Verfahren, Ag (FeRe 95/5) 8,8-Werkstoff mit groben Gefüge:

Schweißkraft: 530 N (99,8 %) . Dieses Ergebnis bedeutet ein um 55 % verbessertes Schweißver¬ halten des erfindungsgemäß hergestellen AgFeRe-Kontaktwerk- stoffes gegenüber einem konventionell hergestellten.