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Einfluß oxidischer Zusätze auf die Phasenbildung und die Schalteigenschaften von Kontaktwerkstoffen auf Silber/Zinnoxid-Basis

Graff, Muriel :
Einfluß oxidischer Zusätze auf die Phasenbildung und die Schalteigenschaften von Kontaktwerkstoffen auf Silber/Zinnoxid-Basis.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluß oxidischer Zusätze auf die Phasenbildung und die Schalteigenschaften von Kontaktwerkstoffen auf Silber/Zinnoxid-Basis
Language: German
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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of the present work is to quantify the relations between the switching properties (erosion at break and contact resistance) and the microstructure of contact materials on the basis of Ag and SnO2, to improve the understanding of the influence of oxide additives and to provide a basic knowledge for the further development of this category of contact materials. For this purpose materials with systematically varied amounts of Bi2O3 and/or WO3 have been manufactured on the powder metallurgical way. One result of this work is that, during the sintering of the powder mixtures, a liquid phase can appear and new phases can form when Bi2O3 is added. The quasibinary phase diagram Ag/Bi2O3 has been measured, which shows that a eutectic melt appears at 730°C. This melt forms in the materials containing Bi2O3 by reaching the sintering temperature. The eutectic and therefore Bi2O3 is distributed through capillary forces and reacts preferentially with WO3 to bismuth tungstate, possibly also with SnO2 to bismuth stannate. Bi2O3-free materials show no reaction during manufacturing. The materials have been tested in a model switch at high currents. During switching, a part of the contact surface melts. The silver melt and the oxides demix because Ag poorly wets SnO2, the oxides agglomerate and pores are formed. Annealing experiments show that pores appear through enclosing the oxygen, which is released by Ag during solidification. Therefore it is not possible to prevent the formation of pores during switching of these materials in air. The erosion at break increases linearly with the arc duration. The arc duration depends on the size of the oxides on the contact surface. The electric arc jumps over small oxide agglomerates. For large oxide agglomerates, the curvature of the arc column is not sufficient to overcome the obstacle: The arc roots have to move around the agglomerates and the arc duration increases. The critical size of agglomerates, at which the mechanism of arc motion changes, depends on the vapour pressure of the additives. Materials containing bismuth tungstate and tungstate oxide lead to large oxide agglomerates and therefore to a high erosion at break. Bismuth stannate has only a low influence on the size of the oxide agglomerates and on the amount of erosion at break. The contact resistance increases with increasing amount of oxides at the contact surface. Small amounts of additives lead to an increase of the wetting of Ag on SnO2. The area fraction of oxides at the contact surface is therefore smaller. A calculation of the resistance of the connected materials (copper, brazing and contact material) shows, that this is negligible in comparison to the measured overall resistance as well as the contribution of the constriction resistance in the silver zones at the contact surface due to the presence of oxides. High area fractions of oxides lead to rough contact surfaces. Thus there are fewer contact areas between silver zones of both electrodes at the contact surface and the contact resistance increases to a multiple of the calculated resistance.English
Uncontrolled Keywords: tin oxide, bismuth oxide, tungsten oxide, phase formation, erosion at break
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
tin oxide, bismuth oxide, tungsten oxide, phase formation, erosion at breakEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000153
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1533
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Exner, Prof. Dr. H.E. and Breme, Prof. Dr. J. and Ortner, Prof. Dr. H.
Advisors: Exner, Prof. Dr. H.E.
Refereed: 1 February 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/153
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