DE2218460B2

DE2218460B2 - Elektrisches Kontaktmaterial

Info

Publication number: DE2218460B2
Application number: DE2218460A
Authority: DE
Inventors: Toshito Kawasaki Hara; Shoichi Kawasaki Shimosato; Hiroaki Yokohama Tanaka
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1972-04-17
Publication date: 1974-03-21
Also published as: GB1386157A; CA961308A; DE2218460C3; JPS5138439B1; DE2218460A1; US3826886A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktmaterial hoher Beständigkeit.

Elektromagnetische Relais, die einen oder mehrere Kontakte enthalten, werden im allgemeinen für elektrische Maschinen und Geräte unter niedriger bis hoher Spannung 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 Kontaktausfäll·.: rühren im wesentlichen von den folgenden Ursachen her, wobei Hochleistungszustände nicht in Betracht gezogen werden:

a) Bildung von Korrosionsprodukten, wie Oxidoder Sulfidschichten, die eine geringe Leitfähigkeit besitzen, auf der Kontaktoberfläche;

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 niedriger bis hoher Spannung setzt zunächst ein Kontaktmaterial voraus, das einen hohen Widerstand gegenüber Korrosion, gegenüber Materialwanderung und Erosion sowie ein geringes Bestreben zur Bildung eines organischen Polymerisates besitzt. Außerdem ist es erwünscht, daß das Kontaktmaterial eine große Härte und einen hohen Schmelzpunkt besitzt.

Bekannte Kontakte sind aus Gold, Silber, Platin, Palladium, Rhodium, 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 Metal! der Platingruppe, wie Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium und Legierungen hiervon zwar einen hohen Widerstand gegenüber Materialwanderung und Erosion, gleichzeitig jedoch eine unerwünschte große Aktivität zur Bildung eines organischen Polymerisats besitzt. Ferner ist bekannt, daß ein Kontaktmaterial aus einem Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Molybdän, Wolfram und

ίο Legierungen hiervon zwar einen ausgezeichneten Widerstand gegenüber Materialwanderung, Erosion und zugleich eine geringe Neigung zur Bildung eines organischen Polymerisat? besitzt, daß es jedoch einen unerwünscht geringen Widerstand gegenüber der

is Bildung von Korrosionsprodukten aufweist.

Im allgemeinen besitzen intermetallische Verbindungen eine größere Härte und einen höheren Schmelzpunkt als reine Metalle oder Legierungen, da die Metallatome in der intermetallischen Verbindung fest und stabil miteinander verbunden sind. Demgemäß haben Kontaktmaterialien, die aus einer intermetallischen Verbindung bestehen, eine große Beständigkeit gegenüber Materialwanderungen und Erosion. Außerdem weist ein solches Kontaktmaterial, eine geringe Aktivität zur Bildung einer organischen Polymerisatschicht, jedoch eine große Korrosionsbeständigkeit auf.

Intermetallische Verbindungen sind somit als Kontaktmaterial besser geeignet als die üblichen reinen Metalle odei Legierungen. Enthält die intermetallische Verbindung jedoch kein Edelmetall, wie Gold, Silber oder ein Metall der Platingruppe, dann haben intermetallische Verbindungen, wie Wolframkarbid (WC) 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 ohne Edelmetall hergestellt sind, häufig Kontaktfehlern ausgesetzt und können nicht unter mittlerer bzw. niedriger Spannung benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktmaterial herzustellen, das allen obenerwähnten Erfordernissen genügt, d. h., 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 KontaHmaterial, das aus einer Legierung aus 45 bis 66,7 Atomprozent Palladium und 55 bis 33,3 Atomprozent Aluminium besteht.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von drei Figuren näher erläuted. Es zeigt

F i g. 1 ein Zustandsdiagramm des Palladium-Aluminium-Systems,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der kumulativen Fehlerquote bzw. der Fehlerhäufigkeit und der Anzahl von Schaltvorgängen für Pd-Metall und Pd₂Al- sowie PdAl-Verbindungen darstellt, ferner F i g. 3 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 abgegliche-

nen Menge an Aluminium (Reinheit: 99,999% oder hoher) in geschmolzenem Zustand gemischt wird.
Wie Γ i g. 1 zeigt, enthält eine Palladium-Aluminium-Legbrung drei intermetallische Verbindungsn Pd₂Al₉, PdAl und Pd₅AI₁ deren Eigenschaften in der folgenden Tabelle angegeben sind.

	Pd	Pd₂Al	Material	Pd₂AI₃ I	AI
	1558	1430	PdAI	940	660
Schmelztemperatur (⁰C) ....	—	1200	1645	800	—
Glühtemperatur (^CC)	—	549HV	1300	672 HV	—
Härte vor dem Glühen	40	594HV	560 HV	668HV	17 bis 23
Härte nach dem Glühen ....	Keine	Keine	495 HV	Keine	Keine
Röntgenstrahl Mikroanalyse	Seigerung	Seigerung	Keine	Seigerung	Seigerung
		Seigerung

Bemerkung: HV = Vickers-Härte

Wie die Tabelle deutlich erkennen läßt, haben die Verbindungen Pd₂Al und PdAl die extrem große Härte von etwa 500 bis 600 HV. Die Verbindung Pd₂Al₃ hat ein sehr poröses Gefüge, .as für die Verwendung als Kontaktmaterial nicht geeignet ist.

Die Erfinder haben festgestellt, daß eine Legierung aus 45 bis 66,7 Atomprozent Palladium und 55 bis 33,3 Atomprozent Aluminium, die wenigstens eine der Verbindungen Pd₂Al und PdAl enthält, 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 z. B. selbst nach 10⁷ Schaltvorgängen bei einer Kontaktkraft von 4 g und einer Schaltfrequenz von 1,5 Hertz unter einer Kontaktbeiastung von 20 mV und 6 mA in Luft einer relativen Feuchte von 80 bis 90% sicher einen niedrigen Kontaktwiderstand aufrechterhalten.

Falls in der Legierung Palladium mit mehr als 66,7 Atomprozent 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 Atomprozent, dann weist die Legierung eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf, ferner einen geringen Widerstand gegenüber Materialwanderung und gegenüber Erosion.

F i g. 2 zeigt die Beziehung zwischen der kumulativen Ausfallrate und der Anzahl von Arbeilsgängen von Pd₂Al- bzw. PdAl-Verbindungen in gesättigtem Xyloldampf im Vergleich zu Pd-Metall. Die hier benutzte Bezeichnung »Fehlerhäufigkeit« bedeutet das Verhältnis in Prozent der kumulativen Anzahl von Fehlern, bei denen ein Fehlerpegel von 2 Ω überschritten wird, bezogen auf die kumulative Anzahl der Messungen. Die Messung wurde bei einer Kontaktkraft von 4 g und einer Kontaktbelastung von 20 mV und 6 mA mit einer Antriebsfrequenz von 1,5 Hertz durchgeführt. Für jedes Material wurden fünf bis acht Proben gemessen.

Wie F i g 2 zeigt, steigt bei der Messung mit einem einfachen Paüadium-Metallkontakt die Anzahl der Kontaktfehler ar, nachdem die Kontaklzahl, d. h., die Anzahl der Schaltvorgänge 3 · 10³ überschritten hat, während bH der Messung mit Kontakten aus PdoAl- und PdAI-Verbindungen selbst nach Überschreiten der Kontaktzahl von 10" noch keine Kontaktfehler beobachtet we: den. Aus F i g. 2 ist klar ersichtlich, daß Pd₂Al- und PdAI-Verbindungen keine Aktivität zur Bildung von aus dem Xyloldampf abgeleiteten organischen Polymerisaten besitzen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von vier as Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Es wurde aus 50 Atomptozem Palladium (Reinheit größer als 99,98%) und 50 Atomprozent Aluminium (Reinheit größer als 99.999%) durch Lichtbogen-Schmelzen in einem wassergekühlten Kupferherd unter Verwendung einer sich nicht verbrauchenden Wolfram-Anode in Argonatmosphäre während 30 bis 60 Sekunden die intermetallische Verbindung PdAl hergestellt. Die Verbindung wurde wiederholt in dem wassergekühlten Herd an wechselnden Oberflächenlichtbogen behandelt, um das Gefüge zu homogenisieren. Die homogenisierte Verbindung wurde 5 bis 6 Stunden lang bei 1300° C geglüht. Die geglühte Verbindung wurde bei 500 bis 700⁰C zu einem knopfförmigen Kontaktstreifen verformt. Der Kontaktstreifen halte eine Härte von 495 HV.

Die beiden PdAl-K^r-ntaktstreifen wurden in der in F i g. 3 dargestellten Schaltung als einander gegenüberliegende Anode und Kathode eines elektromagnetischen Relais verwendet. Der Schaltvorgang wurde in Luft einer relativen Feuchte von 80 bis 90% durchgeführt.

Selbst nach 1,5 · 10⁵ Schaltvorgängen zeigte der PdAl-Kontakt keinen Kontaktfehler.

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

Beispiel 2

Aus 66,7 Atomprozent reinen Palladiums und 33,3//omprozent reinen Aluminiums wurde nach

demselben Verfahren, wie es in; Beispiel 1 beschrieben ist, die intermetallische Verbindung Pd₂Al hergestellt.

Die Glühtemperatur betrug 1200⁰C.

Es wurde bei der Verbindung Pd₂Al dieselbe Prüfung wie bei Beispiel 1 in Luft angewandt, die ;>uf 1000 Teile 100 Teile H₂S-GaS und eine relative Feuchte von 80 bis 90% hatte.

Bei 1,3 · 10⁵ Schaltvorgängen zeigte der Pd₂Ai-KOn-

takt eine Fehlerhäufigkeit von etwa 54%, svährend ein einfacher Palladium-Metallkontakt eine Fehlerhäufigkeit von etwa 64'% aufwies.

Beispiel 3

Aus 45 Atomprozent reinen Palladiums und 55 Atomprozent reinen Aluminiums wurde nach dem gleichen Verfahren wie bei Beispiel I eine Legierung hergestellt. Es wurden bei dieser 45 Pd-55 Al-Legierung die gleichen Prüfungen wie bei Beispiel 1 durchgeführt. Selbst nach 1,4 · 10* Schaltvorgängen zeigte der Kontakt keinen Fehler. Im Vergleich hierzu wies ein Kontakt aus einer 40 Pd-60 Al-Legierung bei 1,4 · LO¹ Schaltvorgängen eine Fehlerhäufigkeit von 60% auf.

Beispiel 4

Aus 60 Atomprozent reinen Palladiums und 40 Atomprozent reinen Aluminiums wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 eine Legierung hergestellt. Die erhaltene 60 Pd-40 Al-Legierung wurde in Luft einer relativen Feuchte von 80 bis 90% den ίο gleichen Prüfungen wie bei Beispiel 1 unterworfen. Selbst nach 1,4 · 10' Schaltvorgängen wurden keine Kontaktfehler festgestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisches Kontaktmaterial, das aus einer Legierung aus 45 bis 66,7 Atomprozent Palladium und 33,3 bis 55 Atomprozent Aluminium besteht.

2. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus einer intermetallischen Verbindung der Formel Pd₂Al besteht.

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