DE2218460A1

DE2218460A1 - Kontaktmatenal

Info

Publication number: DE2218460A1
Application number: DE19722218460
Authority: DE
Inventors: Toshito Kawasaki Tanaka Hiroaki Yokohama Shimosato Shoichi Kawasaki Kanagawa Hara (Japan) P
Original assignee: Fujitsu Ltd , Kawasaki, Kanagawa (Japan)
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1972-04-17
Publication date: 1972-10-26
Also published as: GB1386157A; CA961308A; DE2218460B2; DE2218460C3; JPS5138439B1; US3826886A

Description

DIF¹L-ING. REINHOLD KRAMER βοοο München όο

FLOSSMANNSTRASSF PATENTANWALT „ _ , _ _ TELEFON (0811) 883603/883601

2218Α60

72/8711

Fujitsu Limited Kawasaki-shi, Japan

Znntaktmaterial

Die Erfindung "betrifft ein Kontaktmaterial hoher Beständigkeit.

.elektromagnetische Eelais, die einen oder mehrere Kontakte enthalten, werden im allgemeinen für elektrische Maschinen und Geräte unter niedrigen bis hohen Spannungszuständen verwendet. Obwohl bisher bereits elektromagnetische Relais mit hoher Beständigkeit vorgeschlagen worden sind, haben diese wegen unerwünschter Eigenschaften bekannter Kontaktmaterialien nicht zufriedengestellt.

Im allgemeinen können die Kontaktausfälle in zwei Klassen eingeteilt werden:

1. Zunahme des Kontaktwiderstandes

2. Versagen beim öffnen.

Die genannten Kontaktausfälle rühren im wesentlichen von den folgenden Ursachen her, wobei Hochleistungszustände nicht in Betracht gezogen werden

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a) Bildung von Korrosionsprodukten wie Oxid- oder Sulfidschichten auf der Kontaktoberfläche, die eine geringe Leitfähigkeit besitzen,

b) Bildung einer schlecht leitenden organischen Polymerisatschicht auf der Kontaktoberfläche,

c) Materialwanderung von einer der Kontaktoberflächen zur anderen,

d) Erosion des Kontaktmaterials.

Ein ausgezeichneter Kontakt für elektrische Maschinen und Geräte unter niedrigen bis hohen Spannungszuständen setzt zunächst ein Kontaktmaterial voraus, das einen hohen Widerstand gegenüber Korrosion, gegenüber Materialwanderung und Erosion sowie ein geringes Bestreben zur Bildung eines organischen Polymerisats besitzt. Außerdem ist es erwünscht, daß das Kontaktmaterial eine große Härte und einen hohen Schmelzpunkt besitzt.

Bekannte Kontakte sind aus Gold, Silber, Platin, Palladium, Ehodium, Ruthenium, Molybdän, Wolfram und Legierungen aus einem oder mehreren dieser Metalle hergestellt. Es ist jedoch bekannt, daß Kontaktmaterial aus Gold, Silber oder Legierungen hiervon zwar eine große Beständigkeit gegenüber Korrosion und ein geringes Bestreben bzw. eine geringe Aktivität zur Bildung eines organischen Polymerisats besitzt, daß aber sein Widerstand gegenüber einer Materialwanderung und Erosion sehr gering ist. Außerdem ist bekannt, daß Kontaktmaterial aus einem Metall der Platingruppe wie Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium und Legierungen hiervon

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zwar einen hohen Widerstand gegenüber Materialwanderung und Erosion besitzt, gleichzeitig jedoch eine unerwünscht große Aktivität zur Bildung eines organischen Polymerisats. Ferner ist bekannt, daß ein Kontaktmaterial aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt wie Molybdän, Wolfram und Legierungen hiervon zwar einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber Materialwanderung, Erosion und zugleich eine geringe Neigung zur Bildung eines organischen Polymerisats besitzt, daß es jedoch einen unerwünscht geringen Widerstand gegenüber der Bildung von Korrosionsprodukten aufweist.

In allgemeinen besitzen intermetallische Verbindungen eine größere Härte und einen höheren Schmelzpunkt als einfache Metalle oder Legierungen, die keine intermetallischen Verbindungen sind, da die Metallatome in der intermetallischen Verbindung fest und stabil miteinander verbunden sind. Demgemäß haben Kontaktmaterialien, die im wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung bestehen, eine große Beständigkeit gegenüber Materialwanderung und Erosion. Außerdem weist Kontaktmaterial, das im wesentlichen aus intermetallischen Verbindungen besteht, wegen deren geringer chemischer Aktivität eine geringe Aktivität zur Bildung einer organischen Polymerisatschicht auf und ferner eine große Korrosionsbeständigkeit.

Internet aiii «eh.· Verbindungen sind aomit al· Kontaktaaterial

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besser geeignet als die üblichen einfachen Metalle oder Legierungen. Enthält die intermetallische Verbindung jedoch kein Edelmetall wie z.B. Gold, Silber oder ein'Metall aus der Platingruppe, dann haben intermetallische Verbindungen wie Wolframkarbid (WG) oder Nickelzinn (NiSn) ein unerwünscht großes Bestreben, in der Atmosphäre auf der Oberfläche einen stabilen Oxidfilm zu bilden. Somit sind Kontakte, die aus intermetallischen Verbindungen hergestellt sind, welche kein Edelmetall enthalten, häufig Kontaktfehlern ausgesetzt und können nicht unter nittleren bzw. niedrigen Spannungszuständen benutzt werden. Ein ideales Kontaktmaterial, das allen obenerwähnten Erfordernissen genügt, ist somit bisher noch nicht gefunden worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktmaterial herzustellen, das allen obenerwähnten Erfordernissen genügt, das heißt, das einen hohen Korrosionswiderstand, eine große Beständigkeit gegen Materialwanderung und eine geringe Erosion sowie eine geringe Aktivität für die Bildung einer organischen Polymerisatschicht und somit eine ausgezeichnete Gesamtbeständigkeit besitzt.

Diese Erfordernisse werden erfüllt durch ein Kontaktmaterial, das aus einer Legierung, bestehend aus 4-5 bis 85 Atomprozenten Palladium und 55 his 15 Atomprozenten Aluminium zusammengesetzt ist.

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Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Zustandsdiagramm des Palladium-Aluminium-Systems,

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D Photograph!en, die den Widerstand von Palladium-Metall, einer Palladium-Silber-Legierung und von PdoAl- sowie von PdAl-Verbindungen gegenüber Materialwanderung und Erosion darstellen.,

i'ig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der kumulativen Fehlerquote bzw. der Fehlerhäufigkeit und der Anzahl von Schaltvorgängen für Pd-Metall und PdgAl- sowie PdAl-Verbindungen darstellt, ferner

Fig. 4- eine Schaltung zum Prüfen der Eigenschaften des Kontaktmaterials.

Palladium-Aluminium-Legierungen werden durch ein Lichtbogen-Schmelzverfahren hergestellt, bei dem eine vorgegebene Menge an Palladium (Reinheit: 99_>98% oder höher) in einem elektrischen Ofen unter Verwendung einer sich nicht verbrauchenden Wolframanode in Argonatmosphäre mit einer abgeglichenen Menge an Aluminium (Reinheit: 99»999% oder höher) in geschmolzenem Zustand gemischt wird.

Wie Fig. 1 zeigt, enthält eine Palladium-Aluminium-Legierung drei intermetallische Verbindungen PdgAl,, PdAl und Pd2Al, deren .eigenschaften in der folgenden Tabelle 1 angegeben sind.

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Tabelle 1

Material Posten	Pd	Pd₂Al	PdAl	Pd₂Al₃	Al
Schmelz temperatur (-C)	1558	1430	1645	940	660
Grlüh- temperatur ( C)	—	1200	1300	800	—
Härte vor dem Glühen	—	549 Hv	560 Hv	672 Hv	—
Härte nach dem Glühen	40	594 Hv	495 Hv	668 Hv	I.7-23
fciöntgenstrahl Mikroanalyse	Keine Seigerung	Keine Seigerur	Keine LgSeiger,	Keine Seiger.	Keine ßeiger.

Bemerkung: Hv = Vickers Härte

Wie Tabelle 1 deutlich erkennen läßt, haben die Verbindungen Pd₂Al und PdAl die extrem große Härte von etwa 500 bis 600 Hv₀ Die Verbindung PdpAl^ hat ein sehr poröses Gefüge, das für die Verwendung als Kontaktmaterial nicht geeignet ist.

Die Erfinder haben festgestellt, daß eine Legierung aus 45 bis 85 Atomprozenten Palladium und 3¹? "bis 15 Atomprozenten Aluminium, die wenigstens eine der Verbindungen Pd₂Al und PdAl enthält,

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eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, eine große Härte ■und einen hohen Schmelzpunkt sowie eine geringe chemische .Aktivität zur Bildung eines organischen Polymerisats besitzt und somit als Kontaktmaterial hoher Beständigkeit gegenüber Materialwanderung und Erosion geeignet ist«

Ein aus dem erfindungsgemäßen Material hergestellter Kontakt

kann zum Beispiel selbst nach 10' Schaltvorgängen bei einer Kontaktkraft von 4- g und einer Schaltfrequenz von 1,5 Hertz unter einer Kontaktbelastung von 20 mV - 6 mA in Luft einer relativen i'euchte von 80 bis 90% sicher einen niedrigen Kontaktwiderstand aufrechterhalten.

Falls in der Legierung Palladium mit einem größeren Anteil als 85 Atomprozenten enthalten ist, besitzt die Legierung eine unerwünscht hohe Aktivität zur Bildung eines organischen Polymerisats auf der Oberfläche der Legierung«» Ist der Anteil an Palladium, in der Legierung geringer als 45 Atomprozente, dann weist die erhaltene Legierung eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf, ferner einen geringen Widerstand gegenüber Materialwanderung und gegenüber Erosion.

In den Fig. 2A bis 2D ist der Widerstand gegenüber einer Materialwanderung und gegenüber Erosion eines knopfförmigen Kontaktes dargestellt, der aus einfachem Palladium, aus einer Metallegierung,

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"bestehend aus 60 Atomteilen Palladium und 40 Atomteilen Silber, ferner aus intermetallischen Verbindungen, bestehend aus PdpAl bzw. PdAl, hergestellt ist.

Das knopfförmige Material diente als Kathode und der Pd-Draht als Anode.

Nachdem die knopfförmigen Kathoden in Luft unter einer Kontaktbelastung von 30 V - 3 Δ bei einer Kontaktkraft von 4- g und einer Antriebsfrequenz von 10 Hertz etwa ΙΟ·⁷ mal in Berührung gebracht worden waren, wurde das Aussehen der Kathoden und der Anoden beobachtet, um die Beständigkeit des Materials gegenüber einer Materialwanderung und gegenüber Erosion abschätzen zu können.

Die Pig. 2A und 2B zeigen, daß die untere Pd-Metallkathode bzw. Pd-Ag Legierungskathode merklich erodiert und zur oberen Pd-Metallanode gewandert ist und dort einen Vorsprung bildet. Im Vergleich hierzu lassen die Pig. 2C und 2D eine deutlich geringere Erosion und Materialwanderung der unteren aus einer Pd2Al- bzw. einer PdAl-Verbindung bestehenden Kathode erkennen.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der kumulativen Ausfallrate und der Anzahl von Arbeitsvorgängen von PdoAl- bzw. PdAl-Verbindungen in gesättigtem Xyloldampf im Vergleich zu Pd-Metallo

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Die hier benutzte Bezeichnung "Fehlerhäufigkeit" bedeutet das Verhältnis in Prozent der kumulativen Anzahl von Fehlern, bei denen ein Fehlerpegel von 2 Jl überschritten wird, bezogen auf die kumulative Anzahl der Messungen. Die Messung wurde bei einer Kontaktkraft von 4 g und einer Kontaktbelastung von 20 mV - 6 ml mit einer Antriebsfrequenz von 1,5 Hertz durchgeführt. I¹Ur jedes Material wurden 5 ^is 8 Proben gemessen.

Wie i'ig. 3 zeigt, steigt bei der Messung mit einem einfachen Palladium-Metallkontakt die Anzahl der Kontaktfehler an, nachdem die Kontaktzahl, das heißt, die Anzahl der Schaltvorgänge 3 x 10^ überschritten hat, während bei der Messung mit Kontakten aus PdpAl- und PdAl-Verbindungen selbst nach Überschreiten der Kontakt zahl von 10 noch keine Kontaktfehler beobachtet werden. Aus i'ig. 3 ist klar ersichtlich, daß Pd^Al- und PdAl-Verbindungen keine Aktivität zur Bildung von aus dem Xyloldampf abgeleiteten organischen Polymerisaten besitzen.

Im folgenden wird die Anwendung dieser Erfindung anhand von fünf konkreten Beispielen erläuterte

Beispiel 1

ils wurde aus 50 Atomteilen Palladium (Eeinheit: höher als 99»98%) und 50 Atomteilen Aluminium (Eeinheit: größer als 99»999%) durch Lichtbogen-Schmelzen in einem wassergekühlten Kupferherd unter

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- ίο -

Verwendung einer sich nicht verbrauchenden Wolfram-Anode in Argonatmosphäre während 30 bis 60 Sekunden eine intermetallische PdAl-Verbindung hergestellt. Die erhaltene Verbindung wurde wiederholt in dem wassergekühlten Herd an wechselnden Oberflächenlichtbogen behandelt, um das innere Gefüge zu homogenisieren. Die homogenisierte Verbindung wurde 5 bis 6 Stunden lang bei 1300⁰G geglüht. Die geglühte Verbindung wurde bei 500 bis 700⁰C zu einem knopfförmigen Kontaktstreifen verformt. Der erhaltene Kontaktstreifen hatte eine Härte von 495

Die beiden PdAl-Kontaktstreif en wurden in der in l?ig. 4- dargestellten Schaltung als einander gegenüberliegende Anode und Kathode eines elektromagnetischen fielais verwendet. Der Schaltvorgang wurde in Luft einer relativen Feuchte von 80 bis 90 % durchgeführt.

Selbst nach 1,5 χ ΙΟ-⁷ Schaltvorgängen zeigte der PdAl-Kontakt keinen Kontaktfehler. *

Im Vergleich hierzu zeigte ein einfacher Silber-Metallkontakt bei 6 χ 10 Schaltvorgängen bereits eine kumulative Fehlerquote bzw. eine Fehlerhäufigkeit von etwa 25 %·

Beispiel 2

Aus 66, 7 Atomteilen reinen Palladiums und 3317 Atomteilen reinen

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Aluminiums wurde nach demselben Verfahren, wie es in Beispiel 1 "beschrieben ist, eine intermetallische PdpAl-Verbindung hergestellt. Die Glühtemperatur betrug jedoch 1200 C.

Es wurde bei rlργ PdpAl-Verbindung dieselbe Prüfung wie bei Beispiel 1 in Luft angewandt, die auf 1000 Teile 100 Teile HpS-Gas, ferner eine relative Feuchte von 80 bis 90 % hatte_o

Bei 1,3 x ΙΟ*³ Schaltvorgängen zeigte der PdpAl-Eontakt eine Fehlerhäufigkeit von etwa 54%, während ein einfacher Palladium-Fietallkontakt eine Fehlerhäufigkeit von etwa 64% aufwies.

Beispiel 3

Aus 45 Atomteilen reinen Palladiums und 55 Atomteilen reinen Aluminiums wurde nach dem gleichen Verfahren wie bei Beispiel 1 eine Legierung hergestellt. Es wurden bei dieser 45 Pd - 55 Al-Legierung die gleichen Prüfungen wie bei Beispiel 1 durchgeführt.

4.
Selbst nach 1,4 χ 10 Schaltvorgängen zeigte der Eontakt aus der 45 Pd - 55 Al-Legierung keinen Fehler. Im Vergleich hierzu wies

ein Eontakt aus einer 40 Pd - 60 Al-Legierung bei 1,4 χ 10 Schaltvorgängen eine Fehlerhäufigkeit von 60 % auf.

Beispiel 4

Aus 60 Atomteilen reinen Palladiums und 40 Atomteilen reinen

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Aluminiums wurde auf die gleiche Weise wie bei Bespiel 1 eine Legierung hergestellt. Die erhaltene 60 Pd - 40 Al-Legierung wurde in Luft einer relativen Feuch'te von 80 bis 90 % den gleichen Prüfungen wie bei Beispiel 1 unterworfen. Selbst nach

Zl

1,4 χ 10 Schaltvorgängen wurden keine Kontaktfehler festgestellt.

Beispiel 5

Es wurde das Verfahren nach Beispiel 1 unter Verwendung von 85 Atomteilen reinen Palladiums und 15 Atomteilen reinen Aluminiums wiederholt. Die Glühtemperatur betrug jedoch 1100⁰C. Sodann wurden bei der 85 Pd - 15 Al-Legierung in Luft, die gesättigten Xyloldampf enthielt, die gleichen Prüfungen wie bei Beispiel 1 durchgeführt. Selbst nach 1,0 χ 10 Schaltvorgängen zeigte die 85 Pd - 15 Al-Legierung keine Kontaktfehler. Im Vergleich hierzu

zeigte ein Kontakt aus einer 90 Pd - 10 Al-Legierung bei 1,0 χ Schaltvorgangen eine kumulative Fehlerquote von 25%.

3 Ansprüche

4 Figuren

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Claims

72/8711 Patentansprüche

1. Eontaktmaterial, das aus einer Legierung, bestehend aus 4-5 "bis 85 Atomprozenten Palladium und 55 "bis 15 Atomprozenten Aluminium zusammengesetzt ist.

2. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung im wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung der IPormel PdgAl besteht.

3. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung im wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung der Formel PdAl besteht.

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