DD155861A3

DD155861A3 - Verfahren zur herstellung von schaltstuecke

Info

Publication number: DD155861A3
Application number: DD21747579A
Authority: DD
Inventors: Hans Bohmeier; Walter Kunert; Manfred Raschke; Gerhard Moennig; Alfred Goetsch; Dieter Nuernberger
Original assignee: Hans Bohmeier; Walter Kunert; Manfred Raschke; Gerhard Moennig; Alfred Goetsch; Dieter Nuernberger
Priority date: 1979-12-08
Filing date: 1979-12-08
Publication date: 1982-07-14
Also published as: DE3040384A1; GB2066298A; JPS5767141A; GB2066298B

Abstract

Monotektisch in zwei Schmelzen L tief 1 und L tief 2 entmischte Cu-Cr-Legierungen werden verduest, so dass Pulver entstehen, die in der Zusammensetzung etwa den Schmelzen L tief 1 und L tief 2 entsprechen und sich bei der Abkuehlung und Erstarrung ausscheidende Cr- bzw. Cu-Gehalte in ausserordentlich feiner Verteilung enthalten. Der Herstellungsweg ueber den schmelzfluessigen Zustand ermoeglicht es, die Desoxydation und Entgasung der Cu-Cr-Legierungen unter reaktionskinetisch guenstigen Bedingungen durchzufuehren. Auch das Legieren mit weiteren Elementen ist dabei moeglich. Durch das Legieren von Cr mit Cu in einer Konzentration von <= 7 Masse-% wird eine Liquidustemperatur von 1470 Grad C erreicht. Damit kann das Vakuum-Induktionsschmelzen in bekannter Weise mit den technisch ueblichen Tiegelmaterialien angewendet werden,und das Verduesen wird ueberhaupt erst moeglich. Das Verduesen kann im Schutzgas-Gegenstrom oder unter Vakuum geschehen. Die Verarbeitung der Pulver zu Schaltstuecken erfolgt in bekannter Weise.

Description

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Verfahren zur Herstellung von »Schaltstücken

Anwendungsgebiet „der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung

von Schaltstücken für Vakuum-Bogenlöschkammern und

gekapselte Schaltgeräte aus Legierungen auf Cu-Cr-Basis,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Spezielle Anwendungsgebiete in der Technik fordern Legierungen mit Eigenschaften, die sich in ihrer Kombination eigentlich ausschließen· Beispielsweise ergeben sich solche Forderungen an Schalt^tückmaterialien für Vakuumschalter· Derartige Legierungen sollen eine hohe elektrische Leitfähigkeit neben niedriger Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Liquidustemperatür neben hohem Dampfdruck haben. Es ist aber bekannt, daß im allgemeinen bei einer hohen elektrischen Leitfähigkeit auch die Wärmeleitfähigkeit hoch und bei hoher Schmelztemperatur der

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der'Legierungskomponenten-.-deren Dampfdruck niedrig ist©

Eine Kompromißlösung läßt sich für bestimmte Anwendungsfälle finden, indem man Metalle mit im festen Zustand . möglichst geringer gegenseitiger Löslichkeit kombiniert. Diese Metalle liegen dann auch in der Legierung in nahezu reiner Form nebeneinander, mehr oder weniger fein verteilt vor und behalten somit auch ihre mitunter sehr voneinander abweichenden Eigenschaften weitgehend unbeeinflußt bei. Derartige Legierungen werden auch als Pseudölegierungen oder Verbundstoffe bezeichnet (Schreiner, H*g Systematik der Kontaktstoffe und Starkstromkontakte , Ζ_β Metallkunde 48 (1957) 4, S. 180 - 190| Schreiner, H* 5 Verbundwerkstoffe und ihre Anwendung für elektrische Kontakte, Z₀ Metallkunde 58 (1967) 9, S· 600 - 605)*

Im allgemeinen haben solche Legierungen ein monotektische s Zustandsdiagramm, sind also bereits im flüssigen Zustand nur begrenzt ineinander löslich, und es liegen für einen bestimmten Konzentrations- und Temperaturbereich zwei Schmelzen nebeneinander vor. Schmelz- und gießtechnisch lassen sich diese Legierungen kaum beherrschen,, Sie haben.trotz ihrer großen Bedeutung für bestimmte Anwendungsfälle kaum Eingang in die Praxis gefundene

Ein gewisser Ausweg wurde für solche Metalle gefunden, die sich pulvermetallurgisch verarbeiten lassen (z_e E· DD BS 74 881)· Aber auch die. pulvermetallurgische Technologie entspricht nicht in allen Fällen den gestellten Anforderungen« So wurden bereits 1957 Legierungen des .monotektischen Systems Cu-Cr bzw* Cr-Cu für Schaltstückmaterialien empfohlen (Schreiner, H₀s Systematik

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der Kontaktwerkstoffe und Starkstromkontakte, Z. Metallkunde 48 (1957) 4, S, 180 y- 190)« Diese, konnten· sich^ _Λ,„.:,., aber trotz der zu erwartenden günstigen Eigenschaften bis heute nicht durchsetzen.

Neue Impulse bekamen diese Entwicklungsarbeiten durch die Einführung des Vakuumschalters im technischen Maßstab«

Gegenwärtig ist man bestrebt, diese Legierungen auf pulvermetallurgischem Wege durch Sintern von Cr- und Cu-Pulver bzw. durch Tränken eines Cr-Skelettkörpers herzustellen (DE-OS 2522832), Den Auforderungen an Schaltstückmaterialien für Vakuumschalter kann damit aber noch nicht zufriedenstellend entsprochen werden«

Die Erprobung und Untersuchung derartiger Schaltstückmaterialien wies einen außerordentlich starken Einfluß der Herstellungstechnologie nach, so ^ttdaß selbst bei nominell gleichem Basiswerkstoff unterschiedliche Hersteller durch unterschiedliche Pertigungstechnologie und Variation der Konzentrationsverhältnisse grundlegend andere Kontakteigenschaften erzielen" (Hässler, H·; Kippenberg, H; Schreiner, H. s Kontaktwerkstoffe für Vakuum-Mittelspannungs-Leistungsschalter, Elektrotechnik 63. (1981) 8, S. 26 - 28)·

Der unbefriedigende technische Stand bei der Verarbeitung von Legierungen mit monotektisehern Zustandsdiagramm kommt auch darin zum Ausdruck, daß man den hohen technischen und ökonomischen Aufwand nicht scheut und die Untersuchungen im schwerelosen Raum, d. h· unter kosmischen Bedingungen weiterführt (z. B. Sahm, P. R.: Werkstofftechnologie unter Weltraumbedingungen^ Metall (1977) 7, S. 739 - 746).

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Dabei liegt u. a» die Absicht zugrunde, den pulver- : ,metallurgischen. Weg zu umgehen und das Problem der schmelzmetallurgischen Herstellung zu lösen_e Man erwartet, ^Mdaß sich durch Erstarren von Legierungen aus im flüssigen Zustand nicht mischbaren Komponenten, aus Legierungen also? deren Zweistoffsystem eine Mischungslücke aufweist, bei Schwerelosigkeit ein besonderer Gefügeaufbau erzielt, der zu verbesserten Eigenschaften führt, ... Solche Legierungen weisen, wie aus der Literatur bekannt ist, außergewöhnliche Eigenschaften auf, und es erscheint deshalb möglich, völlig neue Legierungen mit bisher unbekannten Eigenschaften zu entwickeln⁸* (Herz, Doj Simhan, K.j ¥/inter, Η«ι Erstarrungsverhalten von Legierungen im schwerelösen Zustand, Forschungsbericht W 75 - .23, Weltraumforschung Frankfurt/Main 1975)« Allein aus ökonomischen Gründen ist aber in der nächsten Zeit nicht damit zu rechnen, daß metallurgische Prozesse im technischen Maßstab unter kosmischen Bedingungen realisiert werden, so daß dieser Weg zur schmelztechnischen Herstellung homogener monotektischer Legierungen zumindest vorläufig ausscheidet.

Eine weitere Möglichkeit, die Homogenität monotektischer Legierungen zu verbessern, besteht in der Anwendung sehr hoher Abk'ühlungsgeschwindigkeiten. Allerdings muß die Temperatur der Schmelze oberhalb der Mischungslücke liegen, und von dieser Temperatur muß mit einer Geschwindigkeit von ICp.bis 10⁴ K/s abgekühlt werden (Predel, B.; Arpshofen, I»s Zur Entwicklung metallischer Schmelzen unter besonderer Berücksichtigung des Gravitationsflusses, Metall 34 (1980) 5, S. 412 - 420).

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Derartige Abkühlungsgeschwindigkeiten lassen sich nur für sehr kleine Volumeneinheiten realisieren· Die geringen durchsetzbaren Metallmengen schließen ebenfalls eine technische Nutzung in der nächsten Zeit aus. Die Homogenität von Legierungen, deren Komponenten im festen Zustand keine oder eine geringe gegenseitige Löslichkeit haben, kann durch Verdüsen der allerdings homogenen Schmelze erreicht, werden (Schreiner, H,s Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte, Springer-Verlag 1964)· Die Meinung der Fachwelt spiegelt sich in folgender Darlegung wieder? "Die Verdüsungsverfahren lassen sich auf reine Metalle und Legierungen anwenden· Bei den letzteren können auch Systeme, die im flüssigen Zustand löslich, im festen Zustand jedoch unlöslich sind, gepulvert werden" (Schreiner, H·: Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte, Springer-Verlag 1964)· Obwohl das Schmelzen von Metallen und Legierungen seit mehr als 20 Jahren bekannt ist (Naeser, G.; Steffe, H.; Scholz, W,: Grundlagen der Roheisenzunderverfahren zur Herstellung von Eisenpulver, Stahl und Eisen 68 (1948), S. 346 - 353; Eisenkolb, P·: Probleme der Gewinnung von Metallpulver zur Herstellung von Maschinen- und Geräteteilen, Heue Hütte 4 (1959) 9, S. 534 - 540), wurde das Verdüsen monotektischer Legierungen unter den Bedingungen der Entmischung im flüssigen Zustand nie in Betracht gezogen·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, aus im geschmolzenen Zustand monotektisch zu zwei Schmelzen L„ und L-entmischten Cu-Cr-Legierungen, die also im schraelzflüssigen Zustand in vorteilhafter V/eise desoxydiert, entgast

und legiert werden können, ein homogenes, für die Schaltstückherstellung von Bogenlöschkammern geeignetes Ausgangsmaterial herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Werkstoffen für Schaltstücke von Vakuumschaltern und Bogenlöschkammern bereitzustellen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß monotektisch in zwei Schmelzen L₁ und Lp, entmischte Cu-Cr-Legierungen verdüst werden, so daß Pulver entstehen, bei denen die Pulverpartikel in der Zusammensetzung den Schmelzen L₁ bzw· L₂ entsprechen und sich bei der Abkühlung und Erstarrung ausscheidende Cr- bzw« Cu-Gehalte in außerordentlich feiner Verteilung enthalten» Die Verteilung von Cu bzw« Cr kann folglich noch wesentlich feiner sein als bei den üblichen pulvermetallurgisch hergestellten Materialien, bei denen man beispielsweise von reinem Cr-PuIver und reinem Cu ausgeht« Die sehr feine Verteilung der Legierungselemente wirkt sich vorteilhaft auf das Schaltverhalten ause Das Bogenlaufverhalten wird verbessert und damit der Schaltstückabbrand gesenkt»

Der Herstellungsweg über den schmelzflüssigen Zustand ermöglicht es, die Desoxydation und Entgasung der Cu-Cr-Legierungen unter günstigen reaktionskinetischen Bedingungen durchzuführen· Auch das Legieren mit weiteren Elementen ist dabei möglich«

Das Verdüsen kann im Schutzgas-Gegenstrom oder unter Vakuum geschehene Die Verarbeitung der Pulver zu Schaltstücken erfolgt in bekannter Weise.

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,Durph.. das Legieren von Cr- mit Cn in einer Konzentration^ ^ von £ 7 Masse-/£ wird eine Liquidustemperatur von 1470 ⁰C erreicht» Damit kann das Vakuum-Induktionsschmelzen in bekannter Weise mit den technisch üblichen Tiegelmaterialien angewendet werden, und das Verdüsen wird überhaupt erst möglich· Die schmelzmetallurgische Behandlung von unlegiertem Cr würde dagegen außerordentlich große Schwierigkeiten wegen des hohen Schmelzpunktes, des hohen Dampfdruckes und der großen Reaktivität bereiten.

Die im Gußmaterial aus Cu-Cr-Legierungen auftretenden groben Entmischungen werden aber vermieden, indem das Gemenge aus den Schmelzen L. und L₂ gemeinsam verdüst wird.

Die Einstellung der gewünschten Zusammensetzung der Schaltstücke ist mit hoher Reproduzierbarkeit möglich, da die Zusammensetzung von L. und L₂ gemäß dem Zustandsdiagramm vorgegeben ist, und durch die Variation der Cr- bzw. Cu-Konzentration die Anteile von L₁ und L₂ gezielt verändert werden können.

Claims

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Verfahren zur Herstellung von Schaltstücken auf der Basis von Cu-Cr im Bereich von 38 bis 93 Masse-% Cr auf pulverme t allurgi schein Wege, daß die oberhalb 1470 ⁰C vorhandenen ineinander nicht löslichen Schmelzen des monotektischen Legierungssystenis

nach einer Desoxydation, Entgasung und gegebenenfalls dem Zusatz weiterer Legierungselemente verdüst werden und dadurch ein Gemenge von Legierungspulvern hoher und niedriger Cr~Konzentration mit außerordentlich feiner Verteilung der Legierungaelemente in den Pulverpartikeln erzeugt wird, das zu homogenen.Sinterkörpern in an sich bekannter Weise verarbeitet wird·