Graff, Muriel (2001)
Einfluß oxidischer Zusätze auf die Phasenbildung und die Schalteigenschaften von Kontaktwerkstoffen auf Silber/Zinnoxid-Basis.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel dieser Arbeit ist es, quantitative Zusammenhänge zwischen den Schalteigenschaften (Abbrand beim Ausschalten und Kontaktwiderstand) und dem Schaltgefüge von Kontaktwerkstoffen auf Ag/SnO2-Basis zu ermitteln, zum besseren Verständnis der Wirkungsweise von oxidischen Zusätzen beizutragen und Grundlagen für die Weiterentwicklung dieser Werkstoffgruppe bereitzustellen. Dazu wurden Materialien mit systematisch variierten Anteilen an Bi2O3 und/oder WO3 pulvermetallurgisch hergestellt. Es hat sich gezeigt, daß beim Sintern der Materialien aus den Pulvermischungen bei Zugabe von Bi2O3 eine flüssige Phase entsteht und neue Phasen sich bilden. Das quasibinäre Phasendiagramm Ag/Bi2O3 wurde ermittelt, das eine eutektische Schmelze bei 730°C vorweist. Diese Schmelze bildet sich in den Bi2O3-haltigen Zusammensetzungen beim Erreichen der Sinterungstemperatur. Das Eutektikum und damit Bi2O3 wird durch Kapillarkräfte verteilt und reagiert bevorzugt mit WO3 zu Wismut Wolframat, aber auch mit SnO2 zu Wismut Stannat. Bei den Bi2O3-freien Zusammensetzungen tritt während der Herstellung keine Reaktion auf. Die Materialien wurden in einer Modelleinrichtung für Starkstromschütze geschaltet. Während des Schaltens schmilzt ein Teil der Kontaktfläche auf. Die Silberschmelze und die Oxide entmischen sich, da Ag das SnO2 wenig benetzt, die Oxide agglomerieren und es bilden sich Poren. Glühversuche zeigen, daß die Poren durch Einschließen des während der Erstarrung von Ag abgegebenen Sauerstoffs entstehen. Bei den vorgegebenen Herstellungsbedingungen ist es also nicht möglich, die Porenbildung während der Schaltung an Luft zu vermeiden. Der Abbrand beim Ausschalten steigt linear mit der Lichtbogenverweildauer, die von der Größe der Oxide an der Schaltfläche abhängt. Bei kleinen Oxidagglomeraten springen die Lichtbogenfußpunkte über die Oxide. Bei großen Oxidagglomeraten reicht die Krümmung der Lichtbogensäule zum Überwinden des Widerstands nicht aus. Die Fußpunkte müssen die Agglomerate umgehen und die Verweildauer vergrößert sich. Die kritische Agglomeratgröße, bei der sich der Mechanismus ändert, hängt vom Abdampfverhalten des Zusatzes ab. Wismut Wolframat- und Wolframoxid-haltige Zusammensetzungen führen zu großen Oxidagglomeraten an der Schaltfläche und dementsprechend zu einem hohen Abbrand. Wismut Stannat hat dagegen wenig Einfluß auf die Größe der Oxidagglomerate und auf den Abbrand beim Ausschalten. Der Kontaktwiderstand steigt mit wachsendem Anteil der Oxide an der Schaltfläche. Kleine Anteile an Zusätzen bewirken eine Erhöhung der Benetzung von Ag auf SnO2. Der Flächenanteil der Oxide an der Schaltfläche wird demnach geringer. Eine Berechnung des Widerstands der verbundenen Materialien (Kupfer, Lot, Kontaktwerkstoff) zeigt, daß dieser im Vergleich zum gemessenen Gesamtwiderstand ebenso vernachlässigbar ist wie der Beitrag der Einengungen der Stromlinien in den Silber-Bereichen an der Schaltfläche durch die Anwesenheit der Oxide. Bei großen Flächenanteilen an Oxiden ist die Kontaktfläche rauh. Dadurch gibt es wenige Berührungsflächen von Silber mit Silber an der Kontaktfläche und der Kontaktwiderstand steigt auf ein Vielfaches des berechneten Widerstands an.

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