Brevet FR2307358A1 — publié le 19761105

L'invention concerne des contacts électri que s d'argent et d' oxyde d'étain avec une structure fibreuse de l'oxyde d'étain pour la mise en circuit de courants électriques élevés avec des intensités peu importantes des champs de soufflage magnétiques, en particulier pour appareils de couplage à intensité du courant nominal de 40-400 A et intensité du champ magnétique de 50 à 500 gauss. Actuellement, dans les appareils de couplage de l'industrie de l'énergie électrique, on utilise largement pour les courants de fermeture et de rupture d'environ 50-3000 A, comme matériau de contact, l'argent et l'oxyde de cadmium avec 10-20 % en poids de CdO. Des matériaux de contact dotés d'autres oxydes sont également connus depuis longtemps. Ainsi, par exemple, le brevet D;-PS 860 525 cite un matériau de contact fabriqué par frittage à partir d'argent et d'oxyde de plomb, le brevet US 2 539 298 nomme des contacts d'argent additionnés d'oxydes de plomb, thallium, cuivre, bérylium et thorium, et le brevet GB 661 447 ainsi que le brevet PT-PS 807 416 citent une addition d'oxyde d'étain.Dans ces matériaux composites, les oxydes métalliques diminuent la disposition des pièces de contact au soudage et notamment l'usure de matière due aux arcs électriques de fermeture et de rupture. Comme procédé de fabrication pour ces matériaux, entre essentiellement en ligne de compte l'oxydation interne sélective ou la métallurgie des poudres qui, dans les deux cas, donne lieu à une répartition isotrope de la 2ème phase. Mais, dans la pratique, en dehors de l'argent et de l'oxyde de cadmium, aucun des matériaux mentionnés n'a trouvé de large application. Selon l'état de la technique (par exemple, Yuan-Shou, R.H. Krock s l'A study on the erosion modes of AglOCd- contact material in Proceedings of the 7-th International Conference on Blectrical Contact Phenomena, 1974, pages 31-35), l'action des additions d'oxydes à l'argent, utilisées dans les concentrations habituelles, qui diminuent l'usure des contacts lors du couplage, repose sur le fait que dans l'intervalle des points de passage de l'arc électrique, c'est-8rdire dans l'intervalle de la densité énergétique la plus élevée, ces oxydes s'évaporent, sont sublimés ou dissociés.L'énergie nécessaire à cet effet est prélevée à l'arc électrique, ce qui provoque le refroidissement de ce dernier et réduit la perte due à l'évaporation de la matière de base, dans le cas présent, de l'argent. L'oxyde de cadmium se dis socie à la chaleur déjà à 9000C en prélevant à l'arc électrique une chaleur de dissociation d'environ 30 tcal/mole (à 900 C). La quantité de chaleur prélevée Jusqu'à 9000C par d'autres oxydes, tels que Cu20, MnO, Sb203, SnO2 et ZnO ne correspond qu'à leur ca pacité calorique et est ainsi inférieure d'environ une puissance de dix à celle de l'oxyde de cadmium. Le tableau 1 qui suit donne un aperçu com paratif de "l'action de refroidissement" présumée des additions d' oxydes, selon l'état actuel de la techniques Les valeurs (en Kcal/ cm3) sont normalisées sur celle relative à l'oxyde de cadmium. TAU I - Oxyde s Effet de refroidissement relatif : Kcal/cm3 Cd0 1 CuO s 0,17 MnO : 0,16 Sb2O3 : 0,14 PbO : 0,21 Sn02 s 0,14 Zno : 0,18 Selon les valeurs de ce tableau, il n'y aurait pas dans les contacts électriques d'additif extincteur plus efficace que le CdO. Cette présomption est confirmée par la large application de matériaux d'argent et d'oxyde de cadmium dans la tech nique de couplage électrique. Cependant, les matériaux d'argent et d'oxyde de cadmium connus actuellement présentent encore une perte par ueu- re sensible lors de la mise en circuit des contacts, en particu lier dans le cas d'intensités nominales du courant élevées et d' intensités du champ magnétique relativement faibles. La durée de vie de ces pièces de contact est ainsi fortement limitée. C'est pourquoi, dans le passé, on s'eet beau coup occupé de diminuer ces pertes dues à l'usure. Ainsi, par exemdans le brevet DT-OS 1 640 007 est décrit un procédé visant à améliorer les conditions de l'usure et partant les pertes dues à l'usure par l'utilisation d'un matériau bon conducteur d'électrici tés tel que l'argent ou le cuivre qui est enrobé en formant de multiples lignes de courant dans un autre matériau dont la tempé rature d'ébullition ou de sublimation est inférieure d'su moins 10 % à la température d'ébullition ou de sublimation du matériau bon conducteur. Cependant, ces matériaux non plus n'ont donné de résultats entièrement satisfaisants s'agissant du comportement à l'usure. On connut également des contacts électri ques ayant une bonne conductibilité, qui sont fabriqués sur la presse à filer à partir d'argent et d'oxydes métalliques, ces oxydes métalliques étant dotés d'une structure rappelant celle des fibres de bois. De préférence, on utilise à cette fin l'argent et l'oxyde de cadmium et on donne au semi-produit la forme d'un rivet plaqué, de sorte que l'éventuelle structure de fibre de bois est fortement perturbée dans la zone de la tête du rivet et s'adapte, lors de la formation à l'écoulement du matériau. Aucune donnée n'est fournie concernant le comportement à l'usure. Le but de la présente invention était donc de trouver des contacts électriques constitués d'une combinaison de matériaux présentant une usure nettement plus faible que les contacts actuellement connus d'argent et d'oxyde de cadmium ou d'- autres oxydes métalliques, en particulier, pour appareils de couplage à intensité du courant nominal de 40 à 400 ampères et une intensité du champ de soufflage magnétique d'environ 50 à 500 vUI38. A cet effet, l'invention concerne un contact électrlque, en particulier pour appareils de couplage d'intensité du courant nominale de 40 à 400 ampères et d'intensité du champ de soufflage magnétique de 50 à 500 gauss, qui est constitué au moins dans la couche de contact d'un matériau composite formé d'argent et d'oxyde d'étain inclus sous forme de fibres, caractérisé en ce que les inclusions fibreuses d'oxyde d'étain dans la couche de contact sont disposées parallèlement à elles-mêmes et perpendiculairement au plan de couplage. Pour le technicien, il était surprenant que les contacts électriques selon l'invention, constitués de cette combinaison de matériaux et ayant cette structure, présentent des caractéristiques d'usure si favorables alors que, selon l'état de la technique actuel, on considérait qu'il n'y avait pas de meilleur matériau pour les contacts électriques que l'argent et l'oxyde de cadmium. Les avantages des contacts électriques selon peuvent être démontrés par les essais de couplage suivants (tableau 2). Des tubes d'argent (12/10 mm de diamètre) ont été remplis respectivement avec des poudres finement divisées (grosseur des particules In203 XnO, Sb203, SnO2 et ZnO et étirés en des fils de 0,5 mm de diamètre. Dans la phase suivante, plusieurs de ces fils ont été réunis en faisceaux et à nouveau étirés ensemble en un fil de 0,5 mm d'épaisseur. Ceci a été repété plusieurs fois jusqu'on ait obtenu une matière où la phase oxydée se présentait sous une forme fibreuse (les fibres avaient un diamètre de 5 Mm), la teneur de chaque oxyde étant uniformément de 15%. Des contacts cylindriques de 8 mm de diamètre et de 5 mm d'épaisseur, avec les oxydes fibreux disposés par rapport au plan de couplage de la manière esquissée à la figure 1, étaient couplés dans les conditions d'essai suivantes t Tension U = 220 Y, 50 Hz Courant I = 100-2200 A Facteur de puissance cos f = 0,35 + 0,05 moment de rupture = 0 (0,1 ms après le passage par zéro du courant naturel) nombre des couplages N = 200 fréquence des couplages h = 12 coupl/min vitesse de séparation V = 0,4 m/s distance de séparation a = 0,4 mm force du contact (avant la sépa ration) = 5 kp disposition des contacts perpendiculaire, avec l'anode au-dessus. Le champ de soufflage magnétique se forme dans llappareil de couplage essentiellement par auto-excitation et est déterminé par le courant de coupure et par la construction de l'appareil. La perte de poids des contacts (l'usure) a été déterminée chaque fois après 200 couplages. Les valeurs de l'usure données dans le tableau 2 représentent la moyenne des plusieurs couplages, elles pe- viennent de la somme des pertes de poids anodiques et cathodiques. La figure la représente une structure fibreuse des inclusions d'oxydes disposées perpendiculairement au plan de couplage, tandis que dans les figures lb et 1c, les fibres d' oxydes sont disposées parallèlement au plan de couplage. TABLEAU 2 : courant :champ de : usure (mg) matériau : d'essai : soufflage : avec une dispoeition des contacts : : (A) s (G) : a) : b) : c) Ag/SnO2 : 700 t 100 : il : 23 : 22 : 1000 : 100 : 38 : 79 : 74 : 1400 : 100 : 68 : 130 t 125 : 1800 : 100 : 118 : 215 : 206 : : : : : : 700 : 1000 : 35 : 70 : 67 t 1000 : 1000 : 74 : 140 s 131 : 1400 : 1000 : 143 : 272 : 250 : 1800 : 1000 s 221 s 412 : 404 Ag/CdO : 700 : 100 s 20 : 34 : 30 : 1000 : 100 : 75 : 82 : 82 t 1400 t 100 : 146 t 172 : 178 t 1800 t 100 t 233 : 235 : 240 : : : : : 700 : 1000 : 56 : 76 t 70 t 1000 : 1000 : 130 : 151 : 160 s 1400 : 1000 : 234 : 263 t 254 s 1800 s 1000 t 373 : 402 t 398 Ag/Cu2O : 700 : 100 : 24 s 32 : 28 : 1000 : 100 : 113 : 117 t 115 t 1400 : 100 : 293 : 409 : 385 s 1800 s 100 s 508 t 653 : 575 : : : : : t 700 s 1000 : 169 : 230 : 217 : 1000 : 1000 s 495 s 560 : 432 s 1400 : 1000 : 1008 : 1092 : 1112 s 1800 s 1000 : 1865 : 2090 s 2132 Ag/In2O3 : 700 : 100 : 27 : 34 : 33 s 1000 : 100 : 91 : 74 : 82 s 1400 : 100 : 190 : 156 : 163 s 1800 s 100 : 405 : 316 : 375 : : : : : : 700 : 1000 : 18 : 27 : 30 s 1000 : 1000 : 77 : 103 : 97 :courant : champ de : usure (mg) matériau :d'essai :soufflage :avec une disposition des contacts : : (A) : (G) : a) : b) t c) : 1400 : 1000 : 261 : 429 : 434 ~ : 1800 t 1000 t 522 : 603 : 575 Ag/MnO : 700 : 100 : 43 : 52 : 50 : 1000 : 100 : 190 : 195 : 198 : 1400 : 100 t 482 : 531 : 544 : 1800 : 100 s 812 2 844 : 860 : : : : : 700 : 1000 : 112 : 132 : 127 : 1000 : 1000 : 325 t 350 : 317 : 1400 : 1000 : 1056 : 1144 : 1093 : 1800 : 1000 s 1865 t 2412 : 2301 Ag/Sb2O3 : 700 t 100 : 26 : 31 : 27 s 1000 : 100 : 114 t 130 : 137 t 1400 s 100 s 248 s 253 : 270 t 1800 s 100 t 412 : 450 s 453 : : : : : t 700 s 1000 s 114 s 135 : 120 s 1000 t 1000 s 377 : 406 t 393 s 1400 s 1000 s 752 s 903 t 885 s 1800 t : 1000 s 1850 : 1970 s 1907 Ag/ZnO : 700 t 100 : 42 : 25 : 27 (Nr. 7) : 1000 : 100 : 221 : 84 : 79 t 1400 s 100 t 569 : 125 s 134 : 1800 : 100 : 853 : 317 : 324 : : : : : 700 s 1000 : 112 : 48 s 40 s 1000 : 1000 t 341 s 112 s 120 : 1400 : 1000 t 893 t 312 : 319 t 1800 s 1000 s 1604 : 804 t 776 DU tableau 2, resulte ce qui suit : Chez tous ces matériaux fibreux fabriqués synthétiquement et ayant la même structure, on constate une influence de l'orientation des fibres sur l'importance de l'usure de la matière. Les matériaux dotés de CdO, Cu2O, In2O3, MnO, Sb2O3 et SnO2, dont les fibres sont disposées perpendiculairement au plan de couplage, présentent une usure légèrement plus faible que celle des fibres disposées parallèlement au plan de couplage. Ce n'est que pour ZnO que la situation est inverse.Mais alors que ce phénomène est à peine perceptible pour Cu2O, In203, XnO et Sb2O3 et même CdO, les valeurs de l'usure pour SnO2 dont les fibres sont disposées perpendiculairement au plan de couplage, ne sont que moitié aussi élevées que lorsque les fibres sont disposées parallèlement au plan de couplage. En outre, les valeurs de l'usure des contacts selon l'invention: sont nettement inférieures à celles des contacts constitués d'argent et d'oxyde de cadmium. Pour mieux faire comprendre le procédé selon l'invenhtion, les valeurs de l'usure de Ag/SnO2 et Ag/CdO (renfermant respectivement 15 % en volume 10,5 % en poids) sont représentées sur les figures IIa et IIb en fonction de l'intensité du courant d'essai pour le dispositions des contacts selon les figures Ia et lb. L'utilisation de Ag/SnO2 ayant une structure selon Ia au lieu de Âg/Cd0 est particulièrement avantageuse, lorsque l'in- tensité du courant d'essai augmente, pour des champs magnétiques faibles; c'est-à-dire pour des appareils de couplage avec un faible auto-soufflage magnétique de l'arc électrique.On a examiné l'usure de rupture dans un intervalle d'intensité du courant d'environ 7001800 A. Cet intervalle d'intensité du courant correspond à la mar che en AC4 (démarrage des moteurs à cage d'écureuil, contacts à is- pulsion, freins à contre-courant, moteurs réversibles) avec des courants de iermeture et de rupture 6 fois plus élevés que le courant noiinal et un intervalle d'intensité du courant d'environ 100-300 A. Ainsi, dans les appareils de couplage servant pour cet intervalle d'intensité, il est particulièrement avantageux d'utiliser à la place de Ag/CdO des contacts de Ag/SnO2 ayant la structure et la disposition particulièresci-dessus. Ces propriétés particulièrement avantageu- ses des contacts électriques selon l'invention, s'agissant du comportement à l'usure, paraissaient très surprenantes pour les techniciens, étant donné que selon les connaissances théoriques et selon les essais pratiques actuels, l'argent et l'oxyde de cadmium étaient considérés comme le meilleur matériau pour contacts électriques, indépendamment de la structure fibreuse et d'une dispcsition fibreuse particulière. L'invention sera mieux comprise en regard de la description et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention. EXEMPLE 1 Des poudres finement divisées (grosseur des particules ( 60 m) de Sn02 et Ag ont été mélangées ensemble en différentes proportions (voir tableau 3), ont été compactées sous forme d'ébauches de 25 mm de diamètre, frittées et pressées à chaud sur une presse à filer pour obtenir des barres de 8 mm d'épaisseur. Les inclusions de Sn02 étaient orientées en aggrégats fibreux, ce qui n'est pas le cas lorsqu'on presse des mélanges de Ag/CdO, comme cela résulte des figures III et Iv, où la figure III représente un matériau de Ag/CdO et la figure IV un matériau de Ag/SnO2 tous les deux étant pressés sur une presse à filer et représentés dans un agrandissement de 400:1. TABLEAU 3 Teneur de SnO2 :Température de chauffages Pression de filage+ en Poids : OC t k /mm2 10 : 800 s 64 12 s 840 : 65 14 s 870 2 70 18 : 900 t 74 24 g : 920 s 80 +rapport de pression Fo/Fl = 10/1. Des contacts électriques de 8 mm de diame- tre, où les inclusions fibreuses de SnO2 étaient également orientées perpendiculairement à la surface de couplage, étaient examinés pour déterminer l'usure à la rupture du courant dans les conditions d'essai qui précèdent, mais dans un intervalle d'intensité du courant plus large, de 220 A à 2200 A. Les figures V et VI indiquent en représentation bilogarithmique les valeurs de l'usure des matériaux pressés sur une presse à filer contenant 10-24% en poids de SnO2. Pour la comparaison, sont indiquées les données correspondantes pour Ag/ CdO contenant 12 % de CdO. La figure V concerne un champ de soufflage magnétique de 100 gauss. Dans ces conditions, pour des intensités du courant supérieures à 250 A, c'est-à-dire, pour des intensites du courant nominal supérieures à 40A, les matériaux pressés de Ag/SnO2 sont nettement préférables à ceux de Ag/Cd0. Pour des intensités du champ élevées (1000 gauss), la même chose est valable pour des intensités du courant supérieures à environ 600 A, à-dire, pour des intensités du courant nominal supérieures à envi ron 400 A, comme cela résulte de la figure VI. EXEMPLE 2 Des poudres finement divisées (grosseur des particules Ag et 10,5 % de Sn02 ( =A 15 % en volume de SnO2) ont été mélangées ensemble, compactées et pressées sur une presse à filer avec un rapport de pression de 30:1 pour obtenir des profilés de 17 x 17 mm de section. Sur ces barres, on a scié des contacts de 3 mm d'épaisseur que l'on a utilisés pour garnir des contacteurs de courant alternatif tripolaires. Dans ce cas, également, les contacts ont été soudés sur les appareils, de telle sorte que les fibres de SnO2 étaient disposées perpendiculairement au plan de couplage.Les contacts étaient couplés dans les conditions in- diquées dans le tableau 4 Jusqu'à la chute, provoquée par l'usure de la matière, du premier des 12 contacte (double rupture des con- tacts à pont fixes et mobiles, triphasés). Les nombres des couplage ges ainsi atteints sont indiqués dans le tableau 4, comparativement à Ag/CdO de même composition et préparation. TABLEAU 4 Caractéristioues des appareils et conditions des essais courant nominal s 250 A durée de vie nominale des contacts s 50.000 couplages tension s 380 T; 50 Hz courant de fermeture s 1000 A, intensité du champ de soufflage environ 250 G courant de rupture s 1000 A cos t : 0,4 fréquence des couplages s 250/h durée de fermeture t 80 ms Résultats s matériau des contacte 2 Sombre des couplages atteint Ag/SnO2 10,5 % X 148.000 s 170.500 s t 163.000 Ag/CdO 10,5 % s 53.000 s 67.500 s 63.000 Les résultats exposés dans les exemples étayent nettement le progrès technique réalisé par Ag/SnO2, compa rativement à Ag/CdO, utilisé exclusivement juequ'à présent à cette fin. Les contacts électriques selon l'inven- tion présentent un comportement à l'usure particulièrement avantageux lorsque le diamètre des fibres d'oxyde d'étain est égal de 1 à 15 . La teneur en oxyde d'étain se situe, de préférence, dans l'intervalle de 12 à 18 % en poids, Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentée, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Contact électrique, en particulier pour appareils de couplage d 'intensité du courant nominale de 40 à 400 ampères et d'intensité du champ de soufflage magnétique de 50 à 500 gauss, qui est constitué au moins dans la couche de contact d'un matériau composite formé d'argent et d'oxyde d'étain inclus sous forme de fibres, caractérisé en ce que les inclusions fibreuses d'oxyde d'étain dans la couche de contact sort disposées parallèlement à elles-mêmes et perpendiculairement au plan de couplage. 2.- Contact électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur des fibres d'oxyde d'étain incluses dans les contacts est égale de 1 - 15 m. 3.- Contact électrique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la teneur en oxyde d'étain est égale de 12 à 18 % en poids.