SINTERED CONTACT MATERIAL FOR LOW-TENSION ENERGY SWITCHGEAR

Abstract: AgSnO2-based contact materials with Bi2O3 and CuO as further metal oxide additives have already been proposed. In these, the volume fraction of metal oxide should be between 10% and 25% with an SnO2 volume fraction of >/=70% of the total oxide quantity. It is proposed to select the SnO2 mass fraction specifically in the range from 4% to 8%. The Bi2O3 mass fraction is here between 0.5% and 4%, and the CuO mass fraction is between 0.3% and 1%, the remainder being silver in each case. Contact pieces having surprisingly good electrical properties can be manufactured from such materials.

Description: Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energie technik Die Erfindung bezieht sich auf einen Sinterkontaktwerkstoff für Niederspannungsschaltgeräte der Energietechnik aus AgSnO2 mit Bi203 und CuO als weitere Metalloxidzusätze, wobei der Volumenanteil an Summenme taAloxid zwischen 10 % und 25 % mit einem SnO2-Volumenanteil 70 % der Gesamtoxidmenge beträgt. Ein solcher Werkstoff ist unter anderem Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung P 33 04 637.9. Für Niederspannungsschaltgeräte der Energie technik, z.B. in Schützen oder Selbstschaltern, haben sich Kontaktwerkstoffe auf der Basis von Silber-Metalloxiden (AgMeO) als besonders vorteilhaft erwiesen. In der Vergangenheit wurde als Wirkkomponente insbesondere Cadmiumoxid verwendet, wobei speziell diese Kontaktwerkstoffe die gewünschten elektrisch-technologischen Eigenschaften erfüllen und sich im praktischen Langzeiteinsatz von Schaltgeräten bewährt haben. Da aber Cadmium bekanntermassen zu den toxischen Schwermetallen zählt und beim Abbrand der Kontaktstücke CdO auch an die nähere Umgebung abgegeben wird, sind seit einiger Zeit Bestrebungen im Gange, das CdO möglichst vollständig durch andere Metalloxide zu ersetzen. Diese Werkstoffe sollen aber einen ebenso kleinen Abbrand im Lichtbogen, sowie geringe Schweisskraft und insbesondere geringe Erwärmung bei Dauerstromführung wie die bewährten AgCdO-Werkstoffe für Kontaktstücke aufweisen. Es wurde bisher versucht, das Cadmium durch Zinn oder Zink zu ersetzen. Die bekannten Vorschläge mit AgSnO2 und AgZnO-Kontaktwerkstoffen konnten jedoch rns- gesamt nicht die hochwertigen Eigenschaften von AgCdO-Kontaktstflcken erreichen. Insbesondere bei Kon taktstücken aus AgSnO2 als Alternativwerkstoff zu AgCdO hat sich gezeigt, dass dieser aufgrund seiner höheren thermischen Stabilität nach Lichtbogeneinwirkung durch Bildung von Oxiddeckschichten einen gegenüber AgCdO-er höhten Ubergangswiderstand aufweist. Dadurch treten im stromführenden Zustand des Schaltgerätes unzulässig hohe Ubertemperaturen an den Schaltgliedern auf, die zu Schäden am Schaltgerät führen können. Andererseits weisen aber AqSnO2-Kontaktstücke gegenüber AgCdO einen geringeren Abbrand auf, was zu einer erhöhten Kontaktlebensdauer führt. Daher kann vorteilhaft die Grösse der benötigten Kontaktstücke im Vergleich zu AgCdO verringert werden, wodurch eine nicht unerhebliche Silbereinsparung erzielt wird. Mit der älteren Patentanmeldung P 33 04 637.9 wurde bereits ein neuer Sinterkontaktwerktoff für obigen Zweck auf der Basis AgSnO2 offenbart, bei dem als weitere Metalloxide Bi203 und CuO sowie wahlweise CdO vorgesehen sind und der Volumenanteil an Summenmetalloxidzwi- schen 10% und 25 % mit einem SnO2-Volumenanteilz 70 8 der Gesaintoxidmenge beträgt. Dabei wird der Kontaktwerkstoff pulvermetallurgisch aus einem inneroxidierten Legierungspulver (sogenanntes IOLP) hergestellt. Für die cadmiumfreie Alternative ist speziell der Werkstoff folgender Zusammensetzung in Massenanteilen von 87,95 % Ag, 9,97 % So2, 0,98 % Bi203 und 1,10 % CuO als besonders vorteilhaft angegeben. Erprobungen haben nun ergeben, dass der angegebene Werkstoff noch nicht voll den Bedürfnissen der Praxis genügt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen weiteren Werkstoff der Konstitution AgSnO2Bi203cuo für obengenannte Anwendung anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der SnO2-Massenanteil speziell im Bereich von 4 % bis 8 % liegt. Dabei liegt der Bi2O3-Massenanteil vorzugsweise zwischen 0,5 % und 4 % , während der CuO-Massenanteil zwischen 0,3 % und 1 % liegt; als Rest ist jeweils Silber vorhanden. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Massenanteile in % von SnO2 zu CuO zwischen 8:1 und 12:1. Die vergleichsweise günstigen Eigenschaften von Werkstoffen der Konstitution AgSnO2Bi 203 CuO sind bereits seit einiger Zeit erkannt: Neben der älteren Patentanmeldung P 33 04 637.9 werden solche Werkstoffe auch in der DE-OS 27 54 335 angegeben. Bei den dort beschriebenen Werkstoffen wird jedoch immer ein vergleichsweise geringer SnO2-Massenanteil gewählt, der meist unter 4 % liegt. Lediglich bei einem, der DE-OS 27.54 335 entnehmbaren Werkstoff (Beispiel 18) liegt der Sn-Anteil höher; jedoch beträgt in diesem Fall der SnO2-Volumenanteil an den Summenoxiden weniger als 70 %, so dass ein anderes Eigenschaftsspektrum zu erwarten ist. Daneben sind in der GB-A-20 55 398 Werkstoffe auf Silbermetalloxidbasis beschrieben, zu deren Herstellung aus Legierungen Bleche erzeugt werden, welche anschliessend inneroxidiert werden. Hier handelt es sich also nicht mit pulvermetallurgische Verfahren hergestellte Werk stoffe, insbesondere nicht um die innere Oxidation von Legierungspulvern mit anschliessender Verdichtung und Sinterung. Bei der GB-A-20 55 398 ist für die Ausgangslegierung unter anderem eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 90,8 % Ag, 8,5 % Sn, 0,2 % Bi und 0,5 % Cu angegeben. Ansonsten werden beim Stand der Technik zu dem angegebenen Vierstoffsystem immer noch weitere Komponenten, beispielsweise Kobalt, Eisen oder Nickel, hinzulegiert. Vorliegender Erfindung lag nun die überraschende Erkenntnis zugrunde,dass der SnO2-Anteil erniedrigt und damit der Bi203-Anteil erhöht werden kann, um günstigere Temperatureigenschaften als beim Stand der Technik zu erhalten. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier labormässig realisierter Sinterkontaktwerkstoffe. Bei deren Herstellung werden im allgemeinen nur die Massenanteile in % (Massengehalt) angegeben. Ausgehend von einem konstanten Volumenanteil an Silber, bietet sich für die Optimierung des Eigenschaftsspektrums die Variation der Wirkkomponenten bei vorgegebenem Volumenanteil der Summenme vlloxide anwnioser beträgt bei der Erfindung zwischen 10 % und 25 %, wobei der Volumenanteil von SnO270 % ist. Da die Dichte der Oxide unterschiedlich ist, hat es sich in der Praxis bewährt, einerseits die Volumenanteile der Summenmetalloxide und andererseits speziell die Massenanteile in % der einzelnen Komponenten wie bei den nachfolgenden Beispielen anzugeben. Beispiel 1: Aus 93,60 % Feinsilberkörnern, 5,20 % Zinnkörnern, 0,6 % metallischem Wismut als Bruchstücke und 0,6 % Kupfer in Stangenform wird eine Legierung aus AgSnBiCu der angegebenen Zusammensetzung bei 1353 K erschmolzen. Durch Zerstäuben der Schmelze in Wasser mit einer Druckverdüsungsanlage wird daraus ein gleich zusammengesetztes Legierungspulver erhalten. Nach dem Trocknen wird der Pulveranteil auf L 200 ssm abgesiebt. Dieser Anteil wird in sauerstoffhaltiger Atmosphäre zwischen 723 K und 872 K inneroxidiert, wonach ein Verbundpulver aus AgSnO2B2O3CuC der Zusammensetzung in Massenanteilen von 92,10 i Ag, 6,50 % SnO2, 0,66 % Bi203 und 0,74 % CuO erhalten wird. Ein solches Verbundpulver ist quantitativ vollständig inneroxidiert und wird als sogenanntes IOLP bezeichnet. Aus dem Verbundpulver werden durch Pressen in einer Matrize mit 600 MPa Kontaktstücke hergestellt. Für eine sichere Verbindungstechnik durch Hartlöten ist es dabei vorteilhaft, beim Pressen des Verbundpulvers eine zweite Schicht aus Reinsilber gemeinsam mit der Kontaktschicht zu einem Zweischichten-Kontaktstück zu verpressen. Die Sinterung der Kontaktstücke erfolgt bei 1173 K während einer Stunde an Luft. Durch-Warmpressen bei 923 K mit 900 MPa werden die Kontaktstücke verdichtet. Eine weitere Verdichtung und Verfestigung wird durch eine zweite Sinterung bei 1173 K während einer Stunde an Luft und eine darauf folgende Kaltverdichtung mit 800 MPa erreicht. Metallographische Schliffbilder zeigen, dass das Gefüge des so erzeugten Kontaktwerkstoffes fein und gleichmässig mit einer mittleren Oxidteilchengrösse von 1,5 rm ist. Beispiel 2: Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden Verfahrensschritte wie bei Beispiel 1 gewählt; es wurde jedoch von Ausgangsmaterialien folgender Zusammensetzung in Massenanteilen ausgegangen: 93,96% Feinsilberkörner, -4,00 % Zinnkörner, 1,64 % metallisches Wismut und 0,40 % Kupfer, woraus eine Legierung erschmolzen wird. Daraus wird in oben beschriebener Weise entsprechendes Legierungspulver erzeugt Nach innerer Oxidation des Legierungspulvers wird anIOLP aus AgSnO2Bi 203 CuO der Zusammensetzung in Massenanteilen von 92,70 % Ag, 5,01 % SnO2, 1,80 % Bi2O3 und 0,49 % CuO erhalten. Dieses IOLP ist Ausgangsmaterial für den Werkstoff und die daraus zu fertigenden Kontaktstücke. Das Gefüge dieses Werkstoffes entspricht bis auf eine stärkere Qikdrnung im wesentlichen dem Werkstoff nach Beispiel 1. Von den erfindungsgemäss hergestellten Kontaktwerkstoffen wurde in einem Prüfschalter die Schweisskraft ermittelt. Die erhaltenen Messwerte entsprechen im wesentlichen denen des aus inneroxidierten Legierungspulver hergestellten AgCdo12Bi2O31,0-Kontaktwerkstoffes. Darüber hinaus wurden in Motorschützen Lebensdauer- und Er wärmungsprüfungen durchgeführt. Wesentliche Kenngrössen sind dabei die AC4-Lebensdauerschaltzahlen der Kon taktstücke und die Ubertemperatur der Strombahnen. Im Vergleich zum AgCdO12Bi2031,0-Werkstoffe liegen die Lebensdauerschaltzahlen etwa um den Faktor 1,8 höher, wobei sich bei den Ubertemperaturen lediglich bis zu 10 DC höhere Werte ergaben. Die Prüfdaten der neuen Werkstoffe sind in der Tabelle im Vergleich zum bekannten Werkstoff wiedergegeben. Bei Werkstoffen nach der Erfindung wird also, ausgehend vom vorgegebenen Volumenanteil der Summenmetalloxide, der Zinngehalt auf einen geeigneten Bereich erniedrigt und damit zumindest der relative Bi2O3-Anteil erhöht, was zu unerwartet guten Ergebnissen führt. Tabelle Beispiel-Nr. Werkstoff AC4-Lebensdauer- Ubertempe schaltzahl ratur in C Vergleichs- AgCdO12Bi2O31,0 IOLP etwa 50.000 70 - 80 werkstoff 1 AgSnO26,5Bi2O30,66CuO0,74 IOLP etwa 90.000 80 - 90 2 AgSnO25,01Bi2O31,80CuO0,49 IOLP etwa 80.000 75 - 85

Claims: Low voltage switchgear contact material comprising AgSnO₂, Bi₂O₃ and CuO,wherein the SnO₂ proportion by mass is in the range of from 4 to 8% , the Bi₂O₃ proportion by mass is between 0.5 and 4% , and the CuO proportion by mass is between 0.3 and 1% , with the proviso that the contact material is a sintered material derived from an internally oxidised alloy powder, the proportion by volume in total metal oxide being between 10 and 25% with an SnO₂ proportion by volume of ≧ 70% of the total oxide quantity, and that the ratio of proportions by mass in percent of SnO₂ to CuO is between 8 : 1 and 12 : 1. Low voltage switchgear contact material according to claim 1, characterised in that the ratio of proportions by mass in % of SnO₂ to CuO is approximately 9 : 1. Low voltage switchgear contact material according to claim 2, characterised in that in proportions by mass it contains 6.5 % SnO₂, 0.66 % Bi₂O₃, 0.74 % CuO and the rest silver. Low voltage switchgear contact material according to claim 1, characterised in that the ratio of proportions by mass in % of Sno₂ to CuO is approximately 10 : 1. Low voltage switchgear contact material according to claim 4, characterised in that in proportions by mass it contains 5.01 % SnO₂, 1.80 % Bi₂O₃, 0.49 % CuO and the rest silver.

Inventors: HAUFE, WOLFGANG, MUELLER, MANFRED, ROTHKEGEL, BERNHARD, Müller, Manfred 
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: H01H1
IPC codes: C22C32, H01H1, C22C5, H01H11