CONTACT MATERIAL FROM A COPPER ALLOY, AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Abstract: 1. A contact material consisting of a low-alloyed copper alloy for low-voltage and wiring switchgear, characterised in that the material alloyed with the copper is at least one element from the group antimony, gallium and germanium, the antimony content being between 0,01 and 7 atom%, the gallium content between 0,5 and 20 atom%, and the germanium content between 0,5 and 10 atom%.

Description: Kontaktwerkstoff aus einer Kupferlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff aus einer niedriglegierten Kupferlegierung, insbesondere für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Kontaktwerkstoffes. Werkstoffe rur elektrische Kontakte müssen zur Verhinderung starker Erwärmung elektrisch und thermisch gut leiten. Ihre mechanischen Eigenschaften wie z.B. Härte, Festigkeit, elastisches Verhalten sind dem äe- weiligen Anwendungszweck optimal anzupassen. Ausserdem sollte ihre Anfälligkeit gegenüber korrosiven Medien gering sein. Im allgemeinen lassen sich nur auf ver hältnismässig edlen Werkstoffen Anlauf- und Zunderschichten und damit hohe Kontaktwiderstände vermeiden. Darüber hinaus dürfen Kontaktwerkstoffe beim Schalten weder kleben noch verschweissen, und ihr Abbrand sowie ihre Materialwanderung sollten gering sein. Diese und noch weitere, an gute Kontaktwerkstoffe zu stellende Anforderungen werden von Silber, seinen Legierungen sowie von Verbundwerkstoffen auf Silberbasis dank hervorragender physikalischer und chemischer Eigenschaften in einem Masse erfüllt, dass diese Materialien in der Niederspannungstechnik eine breite Anwendung gefunden haben. Silber ist jedoch ein verhältnismässig teures Material, so dass man bestrebt ist, es durch andere, kostengünstigere Materialien zu er setzen.Hierbei bieten sich Kupfer und seine Legierungen an (vgl. z.B. A.Keil: "Werkstoffe für elektrische Kontakte", Springer-Verlag, Berlin 1960, insbesondere Seiten 122 bis 143, oder D.Stöckel u.a.: Werkstoffe für elektrische Kontakte", Kontakt & BR< Studium Bd. 43, Expert Verlag, 7031 Grafenau 1/Württ., 1980). Die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit des Kupfers, verbunden mit günstigen mechanischen Eigenschaften, tragbaren Kosten und im allgemeinen guter Beschaffungsrnöglichkeit werden von keinem anderen Kontaktmaterial erreicht. Wegen seines im Vergleich zum Silber unedleren Charakters, insbesondere seiner Oxidationsfreudigkeit, kann jedoch dieser Werkstoff in reiner Form vielfach nicht zur Fertigung von Kontaktstücken, insbesondere für Niederspannungsschaltgeräte und Installationsschaltgeräte wie z.B. für Schütze, Hilfsschütze ,Leistungsschalter oder Schutzschalter herangezogen werden. Zwar lassen sich durch Zulegierung bestimmter Elemente die Werkstoffeigenschaften dieser Materialien wie z.B. das Oxidationsverhalten verbessern. Jedoch haben Kontakte aus Kupferlegierungen mit bekannten Legierungspartnern aus kostengünstigen Materialien bereits nach wenigen Schaltungen im allgemeinen einen verhältnismässig hohen Kontaktwiderstand, so dass sie für Niederspannungsschaltgeräte oder Installationsschaltgeräte meistens nicht geeignet sind. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Kontaktwerkstoff aus einer kostengünstigen Kupferlegierung anzugeben, der einerseits im Vergleich- zum reinen Kupfer wesentlich niedrigere Zunderraten zeigt und andererseits gleichzeitig zumindest annähernd ähnliche Kontakteigenscjhaften hat wie die bekannten, für Kontakte von Niederspannungs- und Installationsschaltgeräten verwendeten Silberlegierungen. Insbesondere soll ein ver hältnismässig niedriger Kontaktwiderstand gewähr leistet sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Legierungspartner des Kupfers mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium ist, wobei der Antimon-Gehalt zwischen 0,01 und 7 Atom- bzw. der Gallium-Gehalt zwischen 0,5 und 20 Atom-# bzw. der Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen. Die genannten Legierungspartner besitzen eine endliche Löslichkeit in festem Kupfer. Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass durch das Zulegieren der genannten Stoffe zu dem Kupfer einerseits die Korrosionsbeständigkeit des Kontaktwerkstoffs erhöht wird und andererseits Kontakte mit diesen Legierungsmaterialien in Schaltversuchen einen tolerierbaren Kontaktwiderstand zeigen. Da diese Kontaktwerkstoffe im allgemeinen kostengünstiger als die bekannten Silber-Legierungen sind, können sie somit vorteilhaft als Ersatz für die bekannten Kontaktwerkstoffe auf Silberlegierungsbasis dienen. Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung des Kontaktwerkstoffs nach der Erfindung kann die Kupferlegierung noch mindestens einen weiteren Legierungspartner enthalten. Dieser kann ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium, Silizium, sein, wobei der Cadmium-Gehalt zwischen 0,1 und 2 Atom-%, der Chrom-Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 Atom-%,-der Kobalt-Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-%, der Palladium-Gehalt zwischen 0,1 und 3 Atom-% und der Silizium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen. Der Anteil des weiteren Legierungspartners soll dabei höchstens gleich dem Anteil an Antimon oder Gallium oder Germanium sein. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Tabelle und die Diagramme der Zeichnung Bezug genommen, aus denen Eigenschaften von Kontaktwerkstoffen nach der Erfindung zu entnehmen sind. Dabei zeigt das Diagramm der Fig. 1 Häufigkeitskurven der Kontakt spannungen einiger binärer Legierungen nach der Erfindung. In dem Diagramm der Fig. 2 sind Kontaktspannungen für spezielle Kupfer-Germanium Legierungen und in dem Diagramm der Fig. 3 sind Häufigkeitskurven der Kontaktspannungen einiger ternärer Legierungen nach der Erfindung wiedergegeben. In der nachfolgenden Tabelle sind Angaben über das Zunder- bzw. Korrosionsverhalten einiger binärer Kupferlegierungen nach der Erfindung im Vergleich zu reinem Kupfer zu entnehmen. Die genannten Legierungen können unter Verwendung chemisch reiner Ausgangsmaterialien unter Argon in einem Graphittiegel erschmolzen und bei Temperaturen zwischen 6000C und 9500C zur Vermeidung von Seigerungen getempert wer- den. Die homogenen Körper aus diesen Legierungen lassen sich nach gebräuchlichen Umformverfahren wie Walzen, Hämmern oder Drahtziehen zu Blechen, Drähten und Kontaktstücken verarbeiten. Entsprechende ¯Bleche dienten zur Prüfung der Korrosionsbeständigkeit. Die in der Tabelle in Mikrogramm pro Quadratzentimeter gemessene Gewichtszunahme 25 m der einzelnen Materialien ist nach Oxidation an Luft nach einer 24stündigen -Wärmebehandlung bei 2500C zu erhalten. Tabelle EMI5.1 <tb> <SEP> t <SEP> m <SEP> [ ug <SEP> / <SEP> <SEP> cm27 <SEP> <tb> Cu <SEP> l <SEP> <SEP> 160 <SEP> - <SEP> 175 <tb> CuSb <SEP> 1,75 <SEP> 45 <tb> CuGa <SEP> 1,75 <SEP> 32 <tb> CuGe <SEP> 0,2 <SEP> 36 <tb> CuGe <SEP> 6,0 <SEP> 20 <tb> In der Tabelle sind die Anteile der jeweiligen Legierungszusätze zu dem Kupfer in Atom-% vermerkt. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, haben die Legierungen nach der Erfindung eine wesentlich geringere Zunderneigung als reines Kupfer. Is Anhand der Kurven in dem Diagramm der Fig. 1 können Aussagen über den Kontaktwiderstand von Kontakt stücken aus Werkstoffen gemäss#der Erfindung gemacht werden. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Kontaktspannung Uk in Millivolt angegeben, während auf der Ordinate die kumulative Häufigkeit W der an einem Schützkontakt gemessenen Kontaktspannung gemäss der sogenannten Weibull-Statistik aufgetragen ist. Dem Ausführungsbeispiel der Figur ist ein Schütz mit Kontakten zugrundegelegt, die unter einer mittleren Belastung von 45 A bei 110 V Wechselspannung unter ohmscher Last etwa 2000 mal geschaltet wurden. In dem mit I bezeichneten Bereich des Diagramms liegen die Häufigkeitskurven von Kontakt spannungen an Kontakten aus Kupferlegierungen nach der Erfindung, wobei der Legierungsanteil an Antimon bzw. Gallium bzw. Germanium Jeweils etwa zwischen 1,75 und 7 Atom-% beträgt. Zum Vergleich ist in der# Figur eine mit II bezeichnete Kurve eingetragen, welche die Häufigkeit der Kontakt spannungen an reinen Kupferkontakten angibt. Die mit III bezeichnete Häufigkeitskurve ergibt sich für Kontakte aus einem gebräuchlichen Kontaktmaterial auf Silberbasis, hier für Silber Cadmiumoxid mit einem Cadmiumoxidgehalt von 15 Volumen-%. Dem Diagramm der Fig. 1 ist zu entnehmen, dass die Kontaktspannungen der Werkstoffe und damit auch die am Kontakt anfallenden Ubertemperaturen Kontaktspannungen bzw. Kontakterwärmungen bisher gebräuchlicher Materialien zumindest weitgehend entsprechen- Mit den genannten, verhältnismässig kostengünstigen Werkstoffen können somit teurere Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis ersetzt werden. In Fig. 2 sind in einem Diagramm Kontaktspannungen angegeben, die an Kontakten aus binären Kupfer Germanium-Legierungen mit unterschiedlicher Germanium Konzentration zu messen sind. Dabei sind auf der Abszisse die Germanium-Konzentration in Atom-% und auf der Ordinate die Kontaktspannung Uk in mV für eine Häufigkeit von 50 96 aufgetragen. Dem Ausführungs beispiel der Figur sind#Kontaktspannungen'an Kontakten bei 45 A und 110 V Wechselspannung unter ohmscher Belastung xach 2000 Schaltungen der Kontakte zugrundegelegt. Wie aus dem Diagramm dieser Figur abzulesen ist, sind insbesondere bei Germanium-Konzentrationen zwischen-3 und 7 Atom-96, vorzugsweise bei etwa 5 Atom-%, die Kontaktspa m ungen und somit die Kontaktwiderstände besonders niedrig. Diese Tatsache ist insofern über- raschend, da der spezifische elektrische Widerstand der Legierungen bei einem Germanium-Gehalt von etwa 5 Atom-% kein Minimum zeigt, sondern einen Wert von etwa 18 1u ±1' cm annimmt. Dieser Widerstand ist grösser als der einer Legierung mit einem unter5 Atom-% liegenden Germaniumanteil. Hieraus lässt sich ersehen, dass ein niedriger Kontaktwiderstand auch mit Materialien mit verhältnismässig hohem spezifischen elektrischen Widerstand erreicht wird, wenn nur der Fremdschichtwiderstand niedrig ist (vgl. z.B. die genannten Bücher von A.Keil und D.Stöckel). Bei den Ausführungsbeispielen in der Tabelle und den beiden Figuren wurde von Kontaktwerkstoffen ausgegangen, die aus einer binären Kupferlegierung bestehen. Gegebenenfalls können diesen Legierungen noch weitere Elemente hinzugefügt sein, so dass dann beispielsweise ternäre oder quaternäre Legierungen gebildet sind. Hiermit lässt sich z B. das Korrosionsverhalten oder der Kontaktwiderstand gegenüber den binären Legierungen noch weiter verbessern. Als solche zusätzlichen Legierungsbestandteile sind insbesondere die folgenden Materialien geeignet: Cadmium mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 2 Atom-% oder Chrom mit einem Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 Atom-% oder Kobalt mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-96 oder Palladium mit einem Gehalt zwischen 0,1 und 3-Atom-% oder Silizium mit einem Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-#. Selbstverständlich kann als dritter Legierungsbestandteil auch ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium innerhalb der im Zusammenhangmit den binären Legierungen genannte Grenzen der Legierungsanteile ausgewählt werden. Der in Atom-% angegebene Anteil der zusätzlichen, dritten und/oder-vierten Legierungsbestandteile ist dabei i.a. kleiner oder höchstens gleich dem zweiten Legierungsbestandteil an Antimon oder Gallium oder Germanium. Einige Ausführungsbeispiele solcher ternärer, Germanium enthaltender Legierungen sind den in dem Diagramm der Fig. 3 wiedergegebenen Kurven zugrundegelegt, wobei Messbedingungen wie bei den Ausführungsbeispielen gemass dem Diagramm der Fig. 1 gewählt sind. In dem Diagramm der Fig. 3 ist auf der Abszisse die Kontaktspannung Uk in mV angegeben, während auf der Ordinate die kumulative Häufigkeit der zu messenden Kontaktspannungen aufgetragen ist. Als Kontaktmaterialien sind drei spezielle CuGe3 xXx-Legierungen mit x Atom-% als Ausführungsbeispiele ausgewählt, nämlich: CuGe2,5CoO,5 (Kurve a), CuGe2,5SbO,5 (Kurve b) und CuGe2,9CrO,1 (Kurve c). Ausserdem sind zum Vergleich das binäre CuGe3,0 (Kurve d) und ferner ein bekanntes Kontaktmaterial auf Silberbasis, nämlich AgCdO (Kurve e) aufgeführt. Aus dem Verlauf der Kurven a bis c in dem Diagramm ist ersichtlich, dass auch ternäre Kupferlegierungen Kontaktwiderstände aufweisen, die ohne weiteres in der Grössenordnung von Kontaktmaterialien auf Silberbasis liegen. Einen besonders geringen Kontaktwiderstand haben die Legierungen mit Kobalt als drittem Partner (Kurve a). Auch die genannten Zusätze zu den binären Kupfer Antimon- oder Kupfer-Gallium-Legierungen ergeben ähnliche Kontaktspannungsverhältnisse Bei den genannten Ausführungsbeispielen von binären oder ternären Kupferlegierungen als Kontaktwerkstoffen gemäss der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass diese Legierungen auf schmelzmetallurgischem Weg hergestellt sind. Es ist jedoch ebenso möglich, diese Legierungen pulvermetallurgisch herzustellen. Danach ird-ein Gemisch aus Pulvernder entsprechenden Ëlemerce in dem gewünschten Konzentrati onsverhältni 5 durch Anwendung von Druck und durch eine Wärmebehandlung, leispiels- weise durch Strangpressen, verdichtet und so homogenisiert, dass durch Reststoffdiffusion die genannten Legierungen gebildet werden. 10 Patentansprüche 3 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Kontaktwerkstoff aus einer niedriglegierten Kupferlegierung, insbesondere für Niederspannungs- und Installationsschaltgeräte, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Legierungspartner des Kupfers mindestens ein Element aus der Gruppe Antimon, Gallium, Germanium ist, wobei der Antimon-Gehalt zwischen 0,01 und 7 Atom-% bzw. der Gallium-Gehalt zwischen 0,5 und 20 Atom-% bzw. der Germanium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen. 2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kupferlegierung mindestens einen weiteren Legierungspartner enthält, und zwar ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cadmium, Chrom, Kobalt, Palladium, Silizium, wobei der Cadmium-Gehalt zwischen 0,1 und 2 Atom-% bzw. der Chrom-Gehalt zwischen 0,01 und 0,8 Atom-% bzw. der Kobalt-Gehalt zwischen 0,1 und 1,8 Atom-% bzw. der Palladium-Gehalt zwischen 0,1 und 3 Atom- bzw. der Silizium-Gehalt zwischen 0,5 und 10 Atom-% liegen und wobei der Anteil des weiteren Legierungspartners höchstens gleich dem Anteil an Antimon oder Gallium oder Germanium ist. 3. Kontaktwerkstoff aus einer Kupfer-Germanium-Legie rung nach Anspruch 1 oder 2, g e-k e n n z e i c h n e t durch einen Germanium-Gehalt der Legierung zwischen 3 und 7 Atom-%. 4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Germanium-Gehalt der Legierung von etwa 5 Atom-%. 5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Anteil des Germaniums teilweise durch Kobalt ersetzt ist. 6. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Legierung erschmolzen wird. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erschmelzung unter Schutzgasatmosphäre vorgenommen wird. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erschmolzene Legierung einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erschmolzene Legierung bei Temperaturen zwischen 6000C und 9500C thermisch nachbehandelt wird. 10. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Kupfer und der mindestens eine Legierungspartner in Pulverform zusammengepresst werden und dass in einer thermischen Behandlung die Legierung durch Feststoffdiffusjon gebildet wird.

Inventors: RAUTER, GUNTHER, DIPL.-ING., SCHULTZ, LUDWIG, DR., WILHELM, MANFRED, DR., Rauter, Günther, Dipl.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1982
Main classification: H01H1
IPC codes: C22C9, H01H1