Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetalls
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetalls, bestehend aus einem Wolfram-Rohling, in welchen eine Kupferlegierung im Vakuum infiltriert ist, sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Verbundmetall und eine Verwendung desselben.
Bei der Vakuuminfiltrationstechnik zeigte sich, dass in einen gepressten, aus Wolfram und Indiumpulver bestehenden Körper Kupfer relativ leicht infiltriert, da das Indium die Wolframpartikel benetzt. Ein derart hergestelltes Verbundmetall weist in den Zwischenbereichen zwischen den Wolframpartikeln und der aus Kupfer und Indium bestehenden Grundmasse Indumseigerungen auf. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit der Kupfer-Indium Grundmasse erhöht. Durch die Verwendung der Vakuuminfiltrationstechnik wird der Wasserstoffgehalt im Verbundmetall, sowie der Gehalt an anderen Gasen gesenkt.
Obwohl es bekannt ist, Kupfer in einer Wasserstoffatmosphäre in einen gesinterten Wolframkörper zu infiltrieren ist es unmöglich, dies unter Vakuum bei einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit-Temperaturbehandlung zu erreichen. Im Zusammenhang mit der Erfindung zeigte sich, dass das Kupfer in einen Rohling aus einer Pulvermischung von Wolfram und Indium auch dann gut infiltriert, wenn die Infiltration unter Vakuum erfolgt.
Die Infiltration des Kupfers erfolgt unter der Kapillarwirkung des porösen Wolfram-Indium-Rohlings. Es wird vennutet, dass das Indium die Benetzungsfähigkeit der Kupfer-Indium-Legierung für Wolfram begünstigt.
Wolfram wird bevorzugt als elektrisches Kontaktmaterial verwendet, da es eine hohe Härte und einen guten Widerstand gegen Lichtbogenbildung, sowie einen guten Widerstand gegen ein Verschweissen unter der Wirkung eines Lichtbogens aufweist. Dagegen weist das reine Wolfram einen hohen elektrischen Widerstand auf, welche den Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit von Kontakten aus diesem Material beeinträchtigt.
Durch die Verwendung eines Verbundmetalls aus Wolfram und Kupfer für elektrische Schaltkontakte versucht man die Vorteile der beiden Metalle zu kombinieren. In einem derartigen Verbundmetall gewährleistet das Kupfer die gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit, wobei das Wolfram einem derartigen Kontakt eine gute Härte, einen guten Errosionswiderstand gegen Lichtbogen, sowie einen guten Widerstand gegen ein Verschweissen verleiht. Um diese erwähnten Vorzüge dienstbar machen zu können, sind jedoch Mittel und Wege zur Herstellung eines derartigen Verbundmetalls zu finden.
Kupfer und Wolfram sind ineinander unlöslich und bilden daher im metallurgischen Sinne keine Legierung, so dass lediglich die Möglichkeit besteht aus diesen beiden Metallen ein Verbundmetall zu bilden. Ein derartiges Verbundmetall kann dadurch hergestellt werden, dass Wolfram und Kupfer in Pulverform gemischt, in eine bestimmte Form gepresst und anschliessend in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert wird, wobei die Sintertemperatur über der Schmelztemperatur des Kupfers liegen muss, vorzugsweise zwischen 1250 und 13500C.
Der Wasserstoff wirkt dabei als Flussmittel derart, dass das flüssige Kupfer die Wolframpartikel benetzt und diese miteinander verbindet. Nach einem anderen Verfahren kann ein härterer Verbundmetallkörper dadurch erreicht werden, dass das Wolframpulver einer Vorsinterung zur Bildung eines fest zusammenhängenden Körpers unterworfen wird, der darnach in einem Temperaturbereich zwischen 12000 und 13000C in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und in Berührung mit geschmolzenem Kupfer gebracht wird. Dabei wird das Kupfer durch die Poren des Wolframrohlings absorbiert, wobei die Absorption auf die Kapillarwirkung der Poren zurückzuführen ist.
Das in den Wolframrohling infiltrierte Kupfer verleiht dem Verbundmetall Festigkeit und Zähigkeit und überdies eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Es muss indessen festgestellt werden, dass mittels bekannter metallurgischer Verfahren die Infiltration des Kupfers in einen Wolframrohling nicht möglich ist. Der Grund dafür, dass das Kupfer unter diesen bekannten Bedingungen nicht in einen Wolframrohling eindringt, ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass in einer Vakuumatmosphäre ungünstige Oberflächenenergien bei den Komponenten auftreten.
Da einerseits zwischen Kupfer und Wolfram keine Löslichkeit im metallurgischen Sinne besteht und andererseits das Kupfer nur eine geringe Benetzungsfähigkeit für die Wolframpartikel aufweist, stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe nach einem Agens zu suchen, welches die Oberflächenenergien zwischen Kupfer und Wolfram beeinflusst.
Es zeigte sich, dass durch die Verwendung von kleinen Zusätzen an Indium das flüssige Kupfer unter Vakuum gut in einen Rohling aus Wolfram und Indium infiltriert. wobei die Wolframpartikel von einer Grundmasse umhüllt werden, welche eine Kupfer-Indium Legierung darstellt. Man vermutet, dass das Indium entweder die Oberflächenenergien der Schmelze oder jene festen Partikel erhöht oder aber die Oberflächenenergie im Zwischenbereich zwischen Schmelze u. Feststoff senkt, wodurch die Infiltration in den Wolfram Indium-Rohling begünstigt wird. Auf diese Weise ist es möglich im Vakuum das Kupfer in einen Pulverrohling zu infiltrieren, und dessen Gasgehalt wesentlich zu senken. Ein derartiges Verbundmetall aus Wolfram, Kupfer und Indium muss, um als Kontaktmaterial in einer Vakuumatmosphäre verwendet werden können, einen geringen Gehalt aufweisen.
Es zeigte sich weiter, dass eine Kupfer-Indium Legierung in einen vorgesinterten oder grünen Wolframrohling nur unvollständig infiltriert. Es zeigte sich z.B., dass eine Kupferlegierung mit 5 Gew.-O Indium während einer Stunde bei 12500C nur 1 Millimeter unter die Oberfläche des Rohlings infiltrierte. Dieses Versuchser gebnis zeigt, dass die Verwendung einer Mischung von Wolfram und Indiumpulver für den Rohling, der einer Vakuuminfiltration durch Kupfer ausgesetzt wird, wenig erfolgreich scheint.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung eines Vakuuminfiltrationsverfahrens zur Herstellung eines als elektrisches Kontaktmaterial verwendbaren Verbundmetalls mit einem geringen Gasgehalt, sowie einem geringen Gehalt an solchen Elementen, die beim Betrieb des Schalters eine gasförmige Komponente entstehen lassen. Dieses Verfahren zur Infiltration soll in einem Rohling aus Wolfram und Indium unter Vakuum derart durchgeführt werden, dass sich ein als elektrisches Kontaktmaterialve rwendbares Wolfram-Kupfer-Indium Verbundmetall bildet.
Es wurde nun ein Verfahren gefunden zur Herstellung eines Verbundmetalls, bestehend aus einem Wolf mm-Rohling, in welchen eine Kupfer-Legierung im Vakuum infiltriert ist und welches Metall sich als elektrisches Kontaktmaterial für unter Vakuum arbeitende Schaltkontakte eignet. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man Wolframpulver zu dessen Benetzung mit Indium versieht und zu einem Rohling formt oder zuerst aus Wolframpulver einen Rohling erzeugt und dann mit Indium versieht und den Wolfram Indium-Rohling mit Kupfer in Berührung und mit dem Kupfer dann in eine Vakuumatmosphäre bringt und darin erhitzt, bis das Kupfer unter Bildung einer Kupfer Indium-Legierung vollständig in den Rohling infiltriert ist.
Das hergestellte Verbundmetall besitzt neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine gute Wärme leitfähigkeit in Verbindung mit einem guten Errosionswiderstand gegen Lichtbogen und einen guten Verformungswiderstand gegen Druck.
Die Zeichnung (Fig. 1) zeigt eine mikrophotographische Aufnahme (V = 500x) eines metallographischen Schliffs eines Wolfram-Kupfer-Indium-Verbundmetalls.
bei welchem das Kupfer vollständig in einen Wolfram Indium-Rohling infiltriert ist. Der Wolfram-Indium-Rohling weist vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew.-% auf. Die Infiltration erfolgte während einer Stunde bei 12500C in einem Vakuum 10- Torr.
Das vorliegende erfindungsgemässe Verfahren dient vorzugsweise der Herstellung von elektrischem Kontaktmaterial für elektrische Vakuumschalter. Das Kontaktmaterial weist einen Wolfram-Indium-Rohling auf, in welchen unter Vakuum Kupfer infiltriert wurde. Der Wolfram-Indium-Rohling besteht im allgemeinen aus 0,5 bis 5 Gew.-% Indium und den Rest aus Wolfram.
Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird zum Zwecke der Infiltration des Kupfers in einen Wolfram-Indium-Rohling praktisch wie folgt vorgesehen.
Wolfram- und Indiumpulver werden gemischt und in eine gewünschte Körperform gebracht. Der Wolfram-Indium Rohling wird mit Kupfer in Berührung gebracht und auf eine Temperatur erhitzt, welche über dem Schmelzpunkt des Indiums und jenem des Kupfers liegt, so dass das Indium als Agens wirkt, welches die Wolframpartikel benetzt. Der Wolfram-Indium-Rohling und das ihn berührende Kupfer werden in einer Vakuumatmosphäre solange erhitzt, bis das Kupfer unter der Kapillarwirkung der Poren vollständig in den Rohling infiltriert ist und die Wolframpartikel von einer Kupfer-Indium-Grundmasse umhüllt sind.
Das vorliegende Verfahren bedient sich somit eines Wolfram-Indium-Rohlings, in welchen zur Bildung eines als Kontaktmaterial verwendbaren Verbundmetalls Kupfer infiltriert wird. Die Partikelgrösse des Wolframs und lndiumpulvers beträgt im allgemeinen 1 bis 10 Mikron.
Im einzelnen wird mit Vorteil wie folgt vorgegangen.
Die Pulver werden untereinander gemischt und unter einem Druck zwischen 30 und 55 kg/mm zu einem Rohling von gewünschter Form gepresst. Der Wolfram Indium-Rohling kann bei 13500C während 10 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre vorgesintert werden. Die Oberflächen des vorgesinterten Wolfram-Indium-Rohlings werden mit Kupfer in Berührung gebracht. Der Wolfram-Indium-Rohling weist in der Regel 0,5 bis 5 Gew.- O Indium auf und den Rest Wolfram. Das Indium begünstigt dabei die Benetzungsfähigkeit der entstehenden Kupfer-Indiumlegierung für die Wolframpartikel. Der Wolfram-Indium-Rohling und das ihn berührende Kupfer werden während 20 bis 60 Minuten in einer Vakuumatmosphäre von ca. 10-5Torr auf 1250 bis 14500C erhitzt.
Dabei infiltriert das Kupfer vollständig in den Wol fram-Indium-Rohline wobei sich ein Wolfram-Kupfer Indium-Verbundmetall bildet, welches in einer Vakuumatmosphäre als elektrisches Kontaktmaterial verwendbar ist. In diesem Verbundmetall sind die Wolframpartikel in eine Grundmasse, welche eine Kupfer-Indium-Legierung darstellt, eingebettet.
Übersteigt der Indiumgehalt im Wolfram-Indium Rohling 5 Gew.-%, so beeinträchtigt er die elektrische Leitfähigkeit des Verbundmetalls. Dieser optimale Indiumgehalt kann jedoch bedenkenlos geändert werden, wenn in erster Linie andere Eigenschaften des erzeugten Verbundmetalls beeinflusst werden sollen. Es zeigte sich dagegen, dass bei Indiumgehalten unter 0,5 Gew.-% die Infiltration des Kupfers in den Rohling erheblich nachlässt. Eine vollständige Infiltration kann in diesem Falle nur noch durch eine entsprechende, wenn auch unwirtschaftliche, Verlängerung der Zeit-Temperaturzyklen erreicht werden. Im Zusammenhang mit der Erfindung zeigte sich für ein System Wolfram-Kupfer, dass das Kupfer in ein Skelett aus Wolframpartikeln, denen geringe Mengen Indiumpartikel beigemengt sind relativ leicht in eine Vakuumatmosphäre infiltriert, so dass sich ein dichtes Verbundmetall bildet.
Der geringe Indiumgehalt reicht offensichtlich aus, um entweder die Oberflächenenergien oder Schmelze oder der festen Partikel zu vergrössern oder um die Oberflächenenergie im Zwischenbereich Schmelze - Feststoff zu senken.
Ein auf diese Weise hergestelltes Verbundmetall weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Verformungswiderstand gegen eine Druckbeanspruchung auf.
Zur Herstellung des Wolfram-Indium-Rohlings wird das gemischte Pulver in eine entsprechende Form gebracht. Die Partikelgrösse des Wolframs und des Indiums werden je nach der angestrebten Dichte des Verbundmetalls gewählt. Vorzugsweise weist das Wolfram- und Indiumpulver eine Teilchengrösse von 1 bis 10 Mikron auf. Dabei ist ohne weiteres möglich entsprechende Pulver mit einer gröberen oder feineren Körnung zu verwenden.
Das Wolfram und Indiumpulver wird in der erwähnten Form oder in einer Matrize unter einem Druck von 31 bis 55 kg/mm2 zu einem Rohling gepresst. Für den Fall, dass der Rohling eine erhöhte Festigkeit oder das Verbundmetall einen höheren Wolfram-Indiumgehalt aufweisen soll, wird der Rohling von der Infiltration in einer Wasserstoffatmosphäre während 10 Minuten bei 1 2500C vorgesintert.
Fig. 1 zeigt den metallographischen Schliff einer derart vorgesinterten Probe. Nach einer derartigen Vorbehandlung weist der Rohling eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Festigkeit auf. Während der Vorsinterung tritt ein geringes Kornwachstum ein, wobei die Zunahme der Festigkeit des Rohlings vermutlich auf eine Reduktion der Oberflächenoxydfilme auf den Wolframpartikel zurückzuführen ist, wobei das reduzierte Metall als Bindemittel zwischen den einzelnen Partikeln wirkt.
Es muss festgestellt werden, dass eine Vorsinterung keine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens darstellt.
Der vor- oder nicht vorgesinterte Wolfram-Indium Rohling weist ca. 0,5 bis 5 Gew.-% Indium auf und wird unter Vakuum von 10-5 Torr oder weniger mit Kupfer in Berührung gebracht. Der Wolfram-Indium-Rohling und das ihn berührende Kupfer werden auf eine Temperatur zwischen 1200 und 14500C erhitzt. Der Temperaturbereich liegt zwischen dem Schmelzpunkt (10830C) andererseits.
Die chemische Untersuchung eines derart hergestellten Verbundmetalls zeigt, dass durch die Vakuuminfiltrationstechnik der Wasserstoffgehalt im Verbundmetall, sowie der Gehalt an anderen Gasen erheblich gesenkt wird.
Fig. 1 zeigt das metallographische Schliffbild eines Wolfram-Kupfer-Indium-Verbundmetalls 10, welches aus einem gesinterten Wolframrohling 11 besteht, in welchen ein vollständig zusammenhängendes Netzwerk einer Kupfer-Indium-Grundmasse 12 infiltriert ist. Die Metalloberflächen der Kupfer-Indium-Grundmasse sind materialschlüssig mit den Wolframpartikeln verbunden.
Der Wolfram-Indium-Rohling wies vor der Vakuuminfiltration ca. 0,5 Gew.-% Indium auf. Während der Vakuuminfiltration wurde der poröse Wolfram-Indium Rohling und das ihn berührende Kupfer während 60 Minuten einer Temperatur von 12500C in einer Vakuumatmosphäre von 10- Torr oder weniger ausgesetzt.
Die nachfolgend beschriebenen Beispiele 1 bis 4 beziehen sich auf die Herstellung eines Wolfram-Kupfer Indium-Verbundmetalls mittels der Vakuuminfiltrationstechnik, wobei man das Kupfer in einen Wolfram Indium-Rohling infiltrieren lässt.
Beispiel 1
Herstellung eines gesinterten Wolfram-Indium-Rohlings, in welchen Kupfer im Vakuum vollständig infiltrierte, wobei der Rohling ca. 5 Gew.-% Indium und den Rest Wolfram aufweist.
Der grüne Rohling wurde während 10 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre bei ca. 12500C zur Bildung eines Skeletts vorgesintert. Die Vorsinterung des Rohlings dient der Erhöhung seiner Festigkeit, wobei die Metallteile sich gegenseitig besser verbinden. Der vorgesinterte Rohling wird mit Kupfer in Berührung gebracht.
Der gesinterte Wolframrohling und das ihn berührende Kupfer werden in eine Vakuumatmosphäre von 10Torr oder weniger gebracht und darin während ca. 1 Stunde auf 12500C erhitzt. Es wurde weiter ein Wolfram-Kupfer-Indium-Verbundmetall hergestellt und während 20 Minuten bei sonst gleichem Verfahren auf 14500C erhitzt. In jedem Fall wurde ein Wolfram Indium-Körper erzielt in dem im Vakuum das Kupfer vollständig infiltrierte. Das derart hergestellte Verbundmetall ist in der Zeichnung dargestellt.
Beispiel 2
Herstellung eines grünen Wolfram-Indium-Rohlings, in welchen Vakuum Kupfer infiltriert wurde, wobei der Rohling ca. 5 Gew.-% Indium und den Rest Wolfram enthält.
Das pulverförmige Wolfram und Indium weisen eine Partikelgrösse von 1 bis 10 Mikron auf und wurden nach deren Mischung mit geeigneten Mitteln, wie z.B. einer automatischen Presse bei einem Druck von 31 kg/mm2 zu einem grünen Rohling genresst, der für die Weiterverarbeitung eine ausreichende Festigkeit besass. Der grüne Rohling wies einen Indium-Gehalt von SGew.-% auf, wobei der Rest Wolfram ist. Der grüne Rohling wurde mit Kupfer in Berührung gebracht. Darnach wurde der grüne Wolfram-Indium-Rohling und das ihn berührende Kupfer in einer Vakuumatmosphäre von 10-5 Torr oder weniger während einer Stunde auf 1250cm erhitzt.
Weiter wurde ein Wolfram-Kupfer-Indium-Verbundmetall hergestellt, welches bei sonst gleichem Vorgehen wie im Beispiel 2 während 20 Minuten auf 14500C erhitzt wurde. In jedem Fall wurde ein Wolfram-Indium Rohling erzielt, in dem das Kupfer vollständig infiltrierte.
Beispiel 3
Herstellung eines gesinterten Wolfram-Indium-Rohlings, in welchen im Vakuum Kupfer vollständig infiltrierte, wobei der Indiumgehalt des Wolframrohlings 0,5 Gew.-O/, beträgt.
Das pulverförmige Wolfram und Indium wiesen eine Korngrösse 1 bis 10 Mikron auf und wurden nach deren Mischung mit geeigneten Pressorganen, wie z.B. eine automatische Presse, bei ca. 31 kg/mm2 Belastung zu einem Rohling gepresst, der für die weitere Verarbeitung eine ausreichende Festigkeit besass. Der grüne Rohling wurde während ca. 10 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre bei ca. 1 2500C vorgesintert. Der gesinterte Wolfram-Indium-Rohling wies einen Gehalt von 0,5 Gew.-% Indium und den Rest Wolfram auf. Der gesinterte Rohling wurde mit Kupfer in Berührung gebracht und in einem Vakuum von lO-STorr oder weniger während 20 Minuten auf 14500C erhitzt. Eine unter sonst gleichen Bedingungen hergestellte Probe wurde während 1 Stunde auf 12500C erhitzt.
In beiden Fällen wurde ein Wolfram Rohling erzielt, in welchen das Kupfer vollständig infiltriert ist.
Beispiel 4
Herstellung eines Wolfram-Indium-Rohlings in welchen im Vakuum Kupfer vollständig infiltrierte, wobei der Wolfram-Indium-Rohling 0,5 Gew.-% Indium und den Rest Wolfram aufwies.
Der grüne Rohling wurde in gleicher Weise wie im Beispiel 3 mittels Wolfram- und Indiumpulver hergestellt, wobei der Rohling ca. 0,5 Gew.-% Indium enthielt.
Die einzelnen Proben wurden ohne Vorsinterung während 1 Stunde auf 12500C und während 20 Minuten auf 14500C erhitzt. In jedem Fall wurde ein Wolframkörper erzielt, in welchen das Kupfer vollständig infiltrierte.
Der Wolfram-Rohling kann mit Indium mittels Elektro- oder Dampfphasenplattierung umhüllt werden. Dabei findet eine Vakuuminfiltration solange statt, als an den Grenzflächen des Rohlings Indium vorhanden ist.
Die aufplattierte Indiummenge beträgt 0,5 bis 5 Gew.-c der Wolframmenge.