DE102004036113B4

DE102004036113B4 - Löschblech für eine Lichtbogen-Löschkammer

Info

Publication number: DE102004036113B4
Application number: DE102004036113A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Behrens; Thomas Honig
Original assignee: AMI Doduco GmbH
Current assignee: Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 2004-07-24
Filing date: 2004-07-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2024-07-25
Also published as: RU2007106424A; JP4959560B2; EP1782445A1; CN101023504A; JP2008507810A; DE102004036113A1; US20080135524A1; WO2006010572A1; BRPI0513769A

Abstract

Beschichtetes Löschblech aus einem ferromagnetischen Werkstoff zur Verwendung in einer Lichtbogen-Löschkammer, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschblech eine Schicht aus einem Verbundmaterial aus mindestens zwei Bestandteilen aufweist, von denen der erste Bestandteil elektrisch leitfähig ist, einen Schmelzpunkt hat, der nicht über dem Schmelzpunkt des ferromagnetischen Werkstoffes liegt, und einen Verdampfungspunkt hat, der nicht über dem Verdampfungspunkt des ferromagnetischen Werkstoffes liegt, und von denen der zweite Bestandteil einen Schmelzpunkt hat, welcher über dem Schmelzpunkt des ersten Bestandteils liegt, und einen Verdampfungspunkt hat, welcher über dem Verdampfungspunkt des ersten Bestandteils liegt.

Description

Die Erfindung betrifft beschichtete Löschbleche für Lichtbogen-Löschkammern in Schaltgeräten, insbesondere in Schutzschaltern. Derartige Löschbleche sind aus E. Vinaricky "Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen", Springer Verlag 2002, ISBN13-540-42431-8, Seiten 134-142 bekannt.

Seien Schließen und Öffnen von Stromkreisen unter elektrischer Last treten an den elektrischen Kontakten je nach Spannung und Stromstärke unterschiedliche elektrische Entladungserscheinungen auf. Bei ausreichend hoher Spannung und Stromstärke wird die Oberfläche der Kontakte bei jedem Schaltvorgang durch Lichtbögen beansprucht, die die Lebensdauer der Kontakte wesentlich beeinflussen. In Folge der Lichtbogeneinwirkung kommt es zu einem Verlust an Kontaktmaterial (Abbrand). Sei größeren Kontaktabständen, wie sie z.B. in Schutzschaltern vorliegen, geht das abgebrannte Kontaktmaterial überwiegend an die Umgebung verloren. Um den Materialabbrand gering zu halten, strebt man eine möglichst kurze Verweildauer des Lichtbogens auf den Kontaktoberflächen an. Beim Einschalten wird die Brenndauer des Lichtbogens vor allem durch die Prelldauer der Schaltkontakte und durch den Verlauf des Einschaltstromes bestimmt. Beim Ausschalten von Wechselströmen brennt der Lichtbogen unterhalb eines kritischen Stromes vom Augenblick der Kontakttrennung bis zum nächsten Stromnulldurchgang; dann findet eine Selbstlöschung des Lichtbogens statt.

Oberhalb des kritischen Stromes müssen besondere Maßnahmen zur Löschung des Lichtbogens ergriffen werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, den Lichtbogen zu kühlen oder zu unterteilen. Dazu sind Löschkammern in den Schaltgeräten bekannt. Eine Unterteilung von Lichtbögen in Teillichtbögen erfolgt in Löschkammern, welche eine Anordnung von Löschblechen enthalten, nach dem Deionisationsprinzip. In einer nach dem Deionisationsprinzip arbeitenden Löschkammer sind mehrere, typisch 1 mm dicke Metallbleche parallel zueinander oder fächerförmig angeordnet und gegeneinander isoliert. Als Material für die Löschbleche werden ferromagnetische Werkstoffe eingesetzt, da das Magnetfeld, welches den Lichtbogen begleitet, in der Nähe eines ferromagnetischen Werkstoffes bestrebt ist, durch die magnetisch besser leitenden Löschbleche zu verlaufen. Dadurch entsteht eine Saugwirkung in Richtung der Löschbleche. Diese Saugwirkung führt neben einem vom Lichtbogen selbst erzeugten magnetischen Blasfeld dazu, dass sich der Lichtbogen zu der Anordnung der Löschbleche bewegt und zwischen diesen aufgeteilt wird.

Es ist bekannt, die Löschbleche aus Weicheisen herzustellen. Damit es an den Lichtbogenfußpunkten auf den Löschblechen nicht zu einer lokalen Überhitzung und damit zu einer Verschlechterung der Kühlung des Lichtbogens kommt, strebt man eine hohe Beweglichkeit der Lichtbogenfußpunkte auf den Löschblechen an. Zu diesem Zweck ist es bekannt, Löschbleche galvanisch zu versilbern oder zu verkupfern. Trotzdem kommt es immer wieder unter der Einwirkung des Lichtbogens zu lokalen Aufschmelzungen und zu einem Verspritzen des aufgeschmolzenen Materials des Löschbleches. Die Gefahr des Verspritzens ist deshalb gegeben, weil der Lichtbogen wie ein Blitz von Gasströmungen begleitet ist, die Schallgeschwindigkeit erreichen können und sich in einem Knall äußern. Die schnellen Gasströmungen können Tröpfchen des geschmolzenen Eisens mitreißen. Die Tröpfchen können einzelne Löschbleche kurzschließen, wodurch diese unwirksam werden. Sie können aber auch im Schaltgerät vagabundieren und sich z.B. auf den Kontaktoberflächen niederschlagen, wo sie ein Ansteigen des Kontaktwiderstandes bewirken.

Die DE 23 62 089 A1 offenbart ferromagnetische Löschbleche, bei denen die Wiederverfestigungsspannung durch Beschichtung des ferromagnetischen Kernwerkstoffes mit solchen Werkstoffen verbessert werden soll, deren Siede-, Sublimations- oder Zersetzungstemperatur um mindestens 10 % unter derjenigen des Kernblechwerkstoffes und/oder deren elektrische Leitfähigkeit um mindestens 10 % über der Leitfähigkeit des Kernblech-Werkstoffes liegen. Genannt sind auch Verbundwerkstoffe, nämlich Silber-Kadmiumoxid, Silber-Zinkoxid, Kupfer-Kadmiumoxid und Kupfer-Zinkoxid, auf welche das zutrifft.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Lichtbogen-Löschkammern zu verringern und die Lebensdauer und/oder das Kurzschlußausschaltvermögen von damit ausgestatteten Schaltgeräten zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gelöst mit Hilfe von Löschblechen mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Die Ansprüche 20 und 21 geben vorteilhafte Verfahren zum Herstellen erfindungsgemäßer Löschbleche an.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäße Löschbleche bestehen aus einem ferromagnetischen Grundwerkstoff und sind beschichtet. Sie sind aber nicht lediglich mit einem Metall wie Silber oder Kupfer beschichtet, dessen Schmelzpunkt nicht höher liegt als der des ferromagnetischen Werkstoffs und eine höhere elektrische Leitfähigkeit hat als dieser, vielmehr tragen sie eine Schicht aus einem Verbundmaterial, welches außer einem ersten Bestandteil, dessen Schmelzpunkt nicht höher liegt als der des ferromagnetischen Werkstoffs und eine bessere Leitfähigkeit hat als der ferromagnetische Werkstoff, auch wenigstens einen zweiten Bestandteil hat, welcher höher schmilzt als der ersten Bestandteil und auch einen höheren Verdampfungspunkt hat als der erste Bestandteil. Der höherschmelzende zweite Bestandteil, welcher unter Lichtbogeneinwirkung zunächst nicht mit aufschmilzt, soll verhindern, dass der unter Lichtbogeneinwirkung aufgeschmolzene, gut leitfähige erste Bestandteil verspritzt wird. Die Menge und der Schmelzpunkt des zweiten Bestandteils wird so gewählt, dass diese Wirkung erzielt wird.
Schaltgeräte, welche mit erfindungsgemäßen Löschblechen ausgerüstete Löschkammern haben, zeichnen sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Lebensdauer und/oder ein verbessertes Kurzschlußausschaltvermögen aus. Beim Kurzschlußausschaltvermögen kommt es darauf an, dass ein Schutzschalter beim wiederholten Einschalten in einem Stromkreis, in welchem ein Kurzschluß besteht, den Stromkreis vor Erreichen eines bestimmten Stromflusses wieder unterbricht, wofür die Größe I²t ein Maß ist (I = Stromstärke, t = Ausschaltzeit).
Der elektrisch gut leitfähige erste Bestandteil soll eine Wanderung des Lichtbogens auf den Löschblechen begünstigen. Er wird vorzugsweise so ausgewählt, dass unter der Lichtbogeneinwirkung auch sein Verdampfungspunkt erreicht wird, weil durch eine Verdampfung des ersten Bestandteiles dem Lichtbogen so viel Energie entzogen werden kann, dass er dadurch unterbrochen wird.
Als ferromagnetischer Grundwerkstoff kommt nicht nur Weicheisen in Frage, sondern jedes weichmagnetische Material, insbesondere Nickel und Kobalt sowie weichmagnetische Legierungen von Eisen, Nickel und Kolbalt.
Der zweite Bestandteil der Schicht wird vorzugsweise danach ausgesucht, dass er den ersten Bestandteil unter Lichtbogeneinwirkung am Löschblech gut binden kann. Dazu eignen sich besonders Materialien, deren Schmelzpunkt höher liegt als der des ferromagnetischen Werkstoffs und dessen Verdampfungspunkt ebenfalls höher liegt als der Verdampfungspunkt des ferromagnetischen Werkstoffs. Vorzugsweise ist der Schmelzpunkt des zweiten Bestandteils sogar höher als der Verdampfungspunkt des ersten Bestandteils. Besonders geeignet sind die refraktären Metalle Wolfram, Molybdän und Tantal sowie deren Karbide, Nitride und Silizide, welche einzeln oder in Kombination zur Anwendung kommen können.
Das Volumenverhältnis zwischen dem ersten Bestandteil und dem zweiten Bestandteil liegt zweckmäßigerweise zwischen 5 zu 95 und 85 zu 15, besser zwischen 30 zu 70 und 80 zu 20, noch besser zwischen 40 zu 60 und 70 zu 30. Vorzugsweise überwiegt der Anteil des ersten Bestandteils.
Die Verbundschicht ist zweckmäßigerweise zwischen 0,05 mm und 0,3 mm dick, vorzugsweise ungefähr 0,1 mm dick. Sie kann durch Aufwalzen eines Sandes aus dem Verbundmaterial auf ein ferromagnetisches Band aufgetragen werden, insbesondere durch Warmwalzplattieren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Bestandteile der Verbundschicht durch thermisches Spritzen (Flammspritzen) auf ein ferromagnetisches Blech aufzutragen, wobei die Beschichtung vorzugsweise durch Walzen verdichtet und egalisiert wird.
Um ein Löschblech mit einer erfindungsgemäßen Verbundschicht zu bilden, müssen nicht alle Bestandteile der Verbundschicht auf das Blech aus ferromagnetischem Werkstoff aufgebracht und mit ihm verbunden werden. Vielmehr besteht auch die Möglichkeit, einen der Bestandteile, insbesondere den zweiten Bestandteil, in Pulverform auf das Blech aufzubringen und in die Oberfläche des ferromagnetischen Blechs zu walzen, so dass das Material des ferromagnetischen Blechs in einer Oberflächenschicht, welcher durch die Eindringtiefe der eingewalzten Partikel gekennzeichnet ist, zu einem Bestandteil des Verbundmaterials wird. So kann zum Beispiel ein Wolframkarbid-Pulver auf ein Blech aus Weicheisen aufgebracht und eine Verbundschicht aus Eisen und Wolframkarbid dadurch gebildet werden, dass die Partikel des Wolframkarbid-Pulvers durch Kaltwalzen in die Oberfläche des Weicheisens gedrückt werden.
Vorzugsweise sieht man zwischen der Verbundschicht und dem ferromagnetischen Grundwerkstoff noch eine Zwischenschicht vor, welche die Haftung verbessert und eine Diffusion behindert. Dafür eignet sich insbesondere Nickel, welches noch den Vorteil hat, ferromagnetisch zu sein. Die Zwischenschicht wird vorzugsweise galvanisch aufgebracht, zweckmäßigerweise in einer Dicke zwischen 3 μm und 20 μm, insbesondere ca. 10 μm.
Ausführungsbeispiele:

1. Auf ein Blech aus Weicheisen mit einer Dicke von 1 mm wird durch thermisches Spritzen eine 0,25 mm dicke Verbundschicht aufgetragen, welche zu 70 Vol.-% aus Kupfer und zu 30 Vol.-% aus Wolfram besteht. Nach dem Aufspritzen wird die Schicht durch Kaltwalzen verdichtet. Das so hergestellte Löschblech kann durch Siegen und Stanzen geformt und in ein Niederspannungsschaltgerät eingebaut werden.
2. Auf ein ferromagnetisches Band aus einer Eisen-Kobalt-Legierung wird durch Kaltwalzplattieren ein Band plattiert, welche aus 55 Vol.-% Silber und 45 Vol.-% Molybdän besteht. Nach dem Kaltwalzvorgang beträgt die Dicke des Löschbleches 1 mm, wobei die Verbundschicht aus Silber-Molybdän 0,1 mm dick ist. Das so hergestellte Löschblech kann durch Stanzen und Biegen geformt und in ein Niederspannungsschaltgerät eingebaut werden.
3. Ein 1 mm dickes Blech aus Weicheisen wird zunächst galvanisch mit einer 10 μm dicken Nickelschicht versehen und anschließend eine 0,2 mm dicke Verbundschicht aufgeschmolzen, welche aus 40 Vol.-% Kupfer und 60 Vol.-% Wolframkarbid besteht. Das so entstandene Blech wird durch Biegen und Stanzen zu einem Löschblech verarbeitet und in ein Niederspannungsschaltgerät eingebaut.
4. Ein Band aus einer ferromagnetischen Eisen-Nickel-Legierung wird durch Warmwalzplattieren mit einem Band aus einem Verbundwerksstoff beschichtet, welcher zu 50 Vol.-% aus Silber und zu 50 Vol.-% aus Tantal besteht. Nach dem Warmwalzplattieren beträgt die Dicke des Bandes 1,2 mm, wobei die Dicke der Verbundschicht aus Silber und Tantal 0,15 mm beträgt. Aus dem Band werden durch Biegen und Stanzen Löschbleche gebildet und in ein Niederspannungsschaltgerät eingebaut.
5. Auf ein Blech aus Weicheisen mit einer Dicke von 1,2 mm wird ein Wolframkarbid-Pulver aufgebracht und durch Kaltwalzen in die Oberfläche des Weicheisens gedrückt. Dadurch entsteht eine Funktionsschicht aus Eisen und Wolframkarbid an der Oberfläche des Weicheisens. Das so hergestellte Blech kann durch Biegen und Stanzen zu einem Löschblech verarbeitet und in ein Niederspannungsschaltgerät eingebaut werden.

Claims

Beschichtetes Löschblech aus einem ferromagnetischen Werkstoff zur Verwendung in einer Lichtbogen-Löschkammer, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschblech eine Schicht aus einem Verbundmaterial aus mindestens zwei Bestandteilen aufweist, von denen der erste Bestandteil elektrisch leitfähig ist, einen Schmelzpunkt hat, der nicht über dem Schmelzpunkt des ferromagnetischen Werkstoffes liegt, und einen Verdampfungspunkt hat, der nicht über dem Verdampfungspunkt des ferromagnetischen Werkstoffes liegt, und von denen der zweite Bestandteil einen Schmelzpunkt hat, welcher über dem Schmelzpunkt des ersten Bestandteils liegt, und einen Verdampfungspunkt hat, welcher über dem Verdampfungspunkt des ersten Bestandteils liegt.
Löschblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des zweiten Bestandteils über dem Schmelzpunkt des ferromagnetischen Werkstoffs liegt und dass der Verdampfungspunkt des zweiten Bestandteils über dem Verdampfungspunkt des ferromagnetischen Werkstoffs liegt.
Löschblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des zweiten Bestandteils höher als der Verdampfungspunkt des ersten Bestandteils ist.
Löschblech nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis zwischen dem ersten Bestandteil und dem zweiten Bestandteil zwischen 5 zu 95 und 85 zu 15 liegt.
Löschblech nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis zwischen dem ersten Bestandteil und dem zweiten Bestandteil zwischen 30 zu 70 und 80 zu 20 liegt.
Löschblech nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis zwischen dem ersten Bestandteil und dem zweiten Bestanddteil zwischen 40 zu 60 und 70 zu 30 liegt.
Löschblech nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis des ersten Bestandteils zum zweiten Bestandteil größer als 1 ist.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht, welche den ersten und den zweiten Bestandteil enthält, 0,05 mm bis 0,3 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm beträgt.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem Verbundmaterial Partikel des ersten Bestandteils und/oder Partikel des zweiten Bestandteils bis zur Größe der Dicke der Schicht aus dem Verbundmaterial enthält.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es 0,5 mm bis 2 mm, insbesondere 0,3 mm bis 1,2 mm dick ist.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bestandteil aus Silber oder Kupfer oder deren Legierungen besteht.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bestandteil ein ferromagnetisches Material ist.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bestandteil aus Wolfram, Molybdän und/oder Tantal und/oder deren Karbiden, Nitriden und Siliziden besteht.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schicht, welche den ersten und dem zweiten Bestandteil enthält, und dem darunter liegenden ferromagnetischen Werkstoff wenigstens eine Zwischenschicht vorgesehen ist.
Löschblech nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht diffusionshemmend ausgewählt ist.
Löschblech nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ferromagnetisch ist, insbesondere aus Nickel besteht.
Löschblech nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht zwischen 3 μm und 20 μm dick ist, insbesondere 10 μm dick.
Löschblech nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht galvanisch aufgebracht ist.
Löschblech nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dem Verbundmaterial auf beiden Seiten des ferromagnetischen Werkstoffs vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Löschblechs nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht, welche den ersten und den zweiten Bestandteil enthält, durch Walzplattieren oder durch thermisches Spritzen aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines Löschblechs nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bestandteil und/oder der zweite Bestandteil in Pulverform auf das Blech aufgebracht und in den darunterliegenden ferromagnetischen Werkstoff eingewalzt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass nur der zweite Bestandteil der Schicht auf das ferromagnetische Blech aufgetragen und in dieses eingewalzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech kalt gewalzt wird.