DE102006021772B4

DE102006021772B4 - Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Chrom-Kontakten für Vakuumschalter und zugehörige Schaltkontakte

Info

Publication number: DE102006021772B4
Application number: DE102006021772A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Hartmann; Andreas Stelzer; Roman Dr. Renz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2026-05-11
Also published as: DE502007005146D1; DE102006021772A1; WO2007128819A2; CN101460640A; WO2007128819A3; EP2018445A2; EP2018445B1; ATE482295T1; CN101460640B

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Kontakten aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) als Schaltkontakte für Vakuumschalter, wobei aus einem CuCr-Schmelzwerkstoff durch schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur ein Band bzw. Blech mit vorgegebener Chrom-Konzentration im nichtthermodynamischen Gleichgewicht eingestellt wird,
mit folgenden Verfahrensschritten:
– Es wird ein Band bzw. ein dünnes Blech aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) als Ausgangsmaterial für die Schaltkontakte mittels Rascherstarrungstechnik mit definierter Abkühlrate erzeugt,
– durch die definiert eingestellte Abkühlrate wird ein vorgegebenes Chrom-Konzentrationsprofil senkrecht zur Band-/Blechoberfläche gezielt eingestellt und aufgrund des Dichteunterschiedes von Chrom und Kupfer wird gleichermaßen das Chrom an der Oberfläche des Bandes bzw. Bleches angereichert,
– aus dem Band bzw. Blech wird ein Teil vorgegebener Geometrie ausgestanzt und
– das Stanzteil wird auf einem Kontaktträger befestigt und bildet eine Kontaktauflage für den Schaltkontakt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kontakten aus Kupfer und Chrom als Schaltkontakte für Vakuumschalter. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die so hergestellten Schaltkontakte.
Vakuumschaltröhren für die Energieversorgung und -verteilung benötigen elektrische Schaltkontakte aus einem lichtbogenresistenten Werkstoff, welcher den hohen thermischen Belastungen von z. T. über 5 MW/cm² widersteht, keine gasförmigen oder sonstigen schädlichen Verunreinigungen freisetzt und insbesondere wirtschaftlich gefertigt werden kann.
Meist werden für Schaltkontakte in Vakuumschaltröhren kupferhaltige Werkstoffe, im überwiegenden Teil eine Mischung aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr), eingesetzt, wobei i. a. der Chromanteil zwischen 20%-m (Massenprozent) und 50% (Massenprozent) beträgt. Die speziellen, in der Vakuumschalttechnik eingesetzten Kontaktformen (Knopf- oder Scheibenkontakt, Spiralkontakt, Topfkontakt, oder Axialmagnetfeldkontakt) erfordern, dass der Kontaktbereich mechanisch bearbeitet werden muss, so dass Materialstärken von mind. 2 bis 3 mm benötigt werden.
Zur Herstellung von Werkstoffen aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) ist das Zustandsdiagramm heranzuziehen. Dies ist beispielsweise aus dem Handbuch von M. Hansen und K. Anderko „Constitution of Binary Alloys", McGraw-Rill Book Company, Inc. (1958), Seite 524 bekannt. Das Zustandsdiagramm Cu-Cr weist thermodynamische Besonderheiten, insbesondere ein Eutektikum und ein Monotektikum auf, auf die weiter unten noch eingegangen wird.
Da sich die beiden Metalle Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) in ihrer Dichte deutlich unterscheiden, ist die direkte Herstellung von homogenen Schmelzwerkstoffen nicht möglich, da sich die schwerere Komponente (Cu) absetzt. I. A. werden daher für die hochwertigsten Kontaktwerkstoffe sog. Umschmelzwerkstoffe eingesetzt.
Gemäß der EP 0 115 292 B1 können Umschmelzwerkstoffe dadurch hergestellt werden, dass ein grob vorgesinterter Zylinder aus CuCr mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens in Edelgasatmosphäre nochmals zu einem hochdichten, homogenen, feinkörnigen Werkstoff umgeschmolzen wird. Aus den daraus erhaltenen zylindrischen Rohlingen werden anschließend Scheiben gesägt, die im Folgenden nochmals spanend bearbeitet werden, um geeignete Endkonturen, Schlitze und/oder Oberflächen der Kontakte zu erhalten. Insbesondere die notwendige Beseitigung von Graten, welche beim spanenden Formen erzeugt werden, führt zu hohen Kosten solcherart hergestellter Kontakte.
Durch den hohen Chromanteil ist ein CuCr-Werkstoff nur für die einfachsten Kontaktformen für eine Konturgebung durch Stanzen geeignet. Bei spanender Bearbeitung des harten Materials ist ein hoher Werkzeugverschleiß mit entsprechend hohen Werkzeugkosten unvermeidbar.
Andere Herstellverfahren für Kupfer-Chrom-Schaltkontakte, wie z. B. die Herstellung von dicht gesinterten Rohlingen in endkonturnaher Form, erfordern i. A. ebenfalls noch eine spannende Nachbearbeitung mit den oben beschriebenen Nachteilen. Zudem ist bei Sinterwerkstoffen aus fertigungstechnischen Gründen die Korngrößenverteilung zu erheblich größeren Korngrößen verschoben, was ungünstigere Schalt- und Abbrandeigenschaften im Vergleich zu Umschmelzwerkstoffen zur Folge hat.
Spezifische sintermetallurgisch hergestellte Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffe sind in der DE 38 29 250 A1 und der DE 38 42 919 A1 beschrieben.
Für hohe Ansprüche an die Qualität von CuCr-Schaltontakten werden daher weitere Prozessschritte zur Kornverfeinerung im oberflächennahen Bereich in Betracht gezogen. Beispielsweise bietet sich ein Umschmelzen durch Einsatz von Laser oder Lichtbögen an.
Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für Kupfer-Chrom-Kontakte anzugeben. Daneben sollen geeignete Schaltkontakte, die mit dem neuen Verfahren hergestellt sind, geschaffen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Herstellungsverfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaltkontakte mit spezifischer Kontaktauflage sind Gegenstand der Ansprüche 4 bis 6.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verarbeitung einer Schmelze aus CuCr durch Rascherstarrung zu dünnen, typischerweise 1 bis 2 mm dicken Bändern bzw. Blechen, wobei sich durch die Abkühlrate der Schmelze ein Cr-Konzentrationsprofil senkrecht zur Blechoberfläche gezielt einstellen lässt. Dabei wird Gebrauch von der Technologie der Herstellung amorpher Metalle, bei der durch schnelle Erstarrung das Metall in ein thermodynamisches Nichtgleichgewicht überführt wird. Solche amorphe Metalle werden auch als Metallgläser bezeichnet.
Die Technologie der Rascherstarrung von Metallen ist vom Stand der Technik hinreichend bekannt, wozu unter anderem auf die DE 694 18 938 T2 , die DE 35 28 891 C2 , die DE 36 17 608 C2 , die EP 0 440 275 B1 und die US 4 221 257 A verwiesen wird. Mit solchen Methoden werden so genannte amorphe Metalle mit feinsten Ausscheidungen von hochschmelzenden Komponenten hergestellt, wobei solche Komponenten beispielsweise Chrom sein können. Nicht bekannt für die Rascherstar rungstechnik ist allerdings das spezifische System Kupfer-Chrom mit Kupfer als Matrix und Chrom als hochschmelzender Komponente.
Bei der Erfindung reichert sich vorteilhafterweise aufgrund des Dichteunterschiedes von Kupfer und Chrom das Chrom (Cr) auf natürliche Weise an der Oberfläche des Bandes oder Bleches an und das entstehende Dichteprofil wird beim Erstarren „eingefroren".
Durch Ausstanzen mit entsprechend geformtem Stanzwerkzeugen erhält man die gewünschte Kontaktform. Eine Nachbearbeitung der Schaltkontakte ist vorteilhafter Weise nur im Bereich der Verbindungsstellen zu den Kontaktträgern, d. h im Lotbereich, notwendig, um die hier notwendigen Toleranzen und Oberflächenqualitäten zu erzeugen.
Die so hergestellten, kostengünstigen Stanzkontakte können als Kontaktauflagen mit kontakttragenden Strukturen verbunden werden, z. B. durch Hartlötung, um die benötigte mechanische Festigkeit zu erzielen.
Alternativ können auch dickere Bleche von mehreren mm Dicke mit der beschriebenen Methode hergestellt werden, bei denen nur in einigen 1/10 mm in Oberflächennähe Cr feinstdispers vorhanden ist. Durch die größere Materialstärke, die durch den kostengünstigen Rohstoff Kupfer direkt erzeugt werden kann, kann dabei in nur einem einzelnen Arbeitsschritt ein auch mechanisch belastbares Kontaktstück erzeugt werden, wobei wegen der günstigen Werkstoffeigenschaften von Kupfer ebenfalls Stanztechnik zur Formgebung eingesetzt werden kann. Dies führt zu besonders kostengünstigen Kontaktscheiben für Vakuumschaltkontakte.
Die wesentlichen Vorteile des beschriebenen Verfahrens liegen zum einen in der Materialeinsparung durch den Wegfall spanender Bearbeitung (Sägen, Drehen, Fräsen) sowie durch gezielte Einstellung der aus elektrotechnischen Gründen notwendigen Materialstärke. Zum anderen erzielt man eine größere Wirtschaftlichkeit durch einen deutlich verringerten Chrom-Bedarf, da die teure Komponente Chrom nur noch im Kontaktoberflächenbereich eingesetzt wird. Weiterhin folgen aus dem Stanzprozess kürzere Fertigungszeiten und geringere Betriebskosten, da das Stanzen anstelle von Drehen, Fräsen leichter automatisierbar ist.
Als entscheidenden Vorteil der Erfindung auf der elektrotechnischen Seite erhält man ein erheblich verbessertes Schaltverhalten zum einen durch die natürliche Einstellung einer feinkörnigen Struktur nahe der Oberfläche, zum anderen aber auch durch die verbesserte Wärmeleitung durch den positiven Cu-Gradienten zur Kontaktunterseite hin.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei wird insbesondere auf die Zeichnung gemäß Anlage verwiesen.
Es zeigen
1 das Zustandsdiagramm von Chrom (Cr)-Kupfer (Cu) und
2 ein Gefügebild eines Kupfer-Chrom-Werkstoffes mit 20% Chromanteil (CuCr20),
3 eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Werksstoffbändern nach Art der Herstellung von amorphen Metallen und
4 ein Gefügebild im Schnitt durch ein mit einer Einrichtung gemäß 3 hergestelltes Cu-Cr-Band.
In 1 ist das Zustandsdiagramm Chrom-Kupfer in der Weise dargestellt, dass 100% Chromgehalt an der linken Seite und 100% Kupfergehalt auf der rechten Seite aufgetragen sind. Das Chrom hat bekanntermaßen einen vergleichsweise hohen Schmelzpunkt und zwar 1550°C. Kupfer hat demgegenüber einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt, und zwar 1083°C. Bei einer Temperatur von 1075° wird bei einem Kupfergehalt von 98,2 ein Eutektikum gebildet. Unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer existiert ein schmaler Löslichkeitsbereich für Chrom. Ansonsten sind im festen Zustand unterhalb von 700°C Kupfer und Chrom nicht ineinander löslich.
Das Zustandsdiagramm Chrom-Kupfer weist weiterhin die Besonderheit einer Mischungslücke im flüssigen Zustand auf, wobei ein Monotektikum gebildet wird: Oberhalb der monotektischen Temperatur von 1470°C liegen im Bereich zwischen etwa 6 Kupfer und 58% Kupfer bis zu einer Temperatur von ca. 2000°C zwei unterschiedliche CuCr-Schmelzen vor, die nicht miteinander mischbar sind.
Für die praktische Herstellung von im festen Zustand homogenen Kupfer-Chrom-Werkstoffen bedeutet letzteres, dass zu nächst eine homogene Schmelze von mehr als 2000°C hergestellt werden muss, die dann schnell abgekühlt wird, um den homogenen Zustand zu erhalten („einzufrieren"). Dies kann beispielsweise durch Lichtbogen-Umschmelzen gemäß der EP 0 115 292 B1 erreicht werden.
Ein Gefüge eines Kupfer-Chrom-Werkstoffes, das mit dem Lichtbogen-Umschmelzverfahren erzeugt wurde, ist in 2 dargestellt. Im Einzelnen bedeutet in 2 das Bezugzeichen 21 eine Kupfer-Matrix, in der Chromteilchen 22 ausgeschieden sind. Insgesamt ergibt sich bei dem vorgegebenen Chromanteil eine weitestgehend isotrope Größen- und Konzentrationsverteilung der Chromteilchen 22 in der Kupfermatrix 21.
In der 3 ist eine Anordnung dargestellt, wie sie üblicherweise zur Herstellung von amorphen Metallfilmen (unterkühlte Gläser") bekannt ist. Im Einzelnen bedeuten in 2 das Bezugzeichen 31 ein um eine senkrecht zur Papierebene stehende Achse I drehbares Kupferrad, 32 eine Wanne mit einem Kühlungsbad für das Kupferrad 31 und 33 einen Vorratsbehälter für eine CuCr-Schmelze. Die elektrische Heizeinrichtung und andere regelungstechnische Mittel sind in 3 nicht dargestellt.
Durch Aufsprühen der homogenen Schmelze mit Temperaturen > 2000°C aus dem Vorratsbehälter 33 auf das sich drehende Rad 31 wird auf dessen Oberfläche CuCr-Material gleicher Zusammensetzung abgeschieden, wobei durch Kühlung und Erstarrung der Schmelze mit definierter Abkühlrate dT/dt sich spezifische Parameter vorgeben lassen. In Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit des Kupferrades 31 entsteht somit ein dünnes Band 50 bzw. ein Blech vorgegebener Dicke mit einer der Schmelze entsprechenden Kupfer- und Chromkonzentration. Die Breite des Bandes 50 ist durch die Querausdehnung der Kupferwalze 31 vorgegeben. Bei entsprechender Dimensionierung lassen sich auch Bleche größerer Breite erzeugen.
Aus dem so hergestellten Band 50 bzw. Blech lassen sich nahezu beliebige Kontaktformen ausstanzen, welche mittels bekannter Mittel auf vorgegebene Kontaktträger aufgebracht sind, beispielsweise durch Hartlöten.
Durch die spezifischen Randbedingungen der Abkühlung der Schmelze auf dem Kupferrad 31 lässt sich erreichen, dass im CuCr-Band 50 senkrecht zur Bandrichtung eine anisotrope Chrom-Konzentrationsverteilung vorliegt.
Der besondere Vorteil des angegebenen Herstellungsverfahrens besteht darin, dass beim Abkühlvorgang eine Segregation der Bestandteile nach ihrem spezifischen Gewicht der Komponenten vorgeben lässt. Dies bedeutet, dass die leichteren Bestandteile, im vorliegenden Fall die Chrompartikel bzw. Tröpfchen, an die Oberfläche diffundieren.
Ein Gefügebild eines solchen bandförmigen Kontaktmaterials ist in 4 dargestellt. Dabei erfolgt der Schliff in senkrechter Richtung zum Band 50 aus 3.
Im Einzelnen ist in 4 mit 51 die Kupfermatrix bezeichnet und mit 52 die darin vorhandenen Chromteilchen. Man erkennt eine nunmehr anisotrope Konzentrationsverteilung des Chromanteils senkrecht zur Oberfläche des Bandes 50. An der Oberfläche des Bandes 50 ergibt sich eine hohe Chrom-Konzentration und eine feindisperse Verteilung der Chrom-Teilchen. An der Unterseite des Bandes 50 liegt dagegen eine niedrige Chrom-Konzentration vor.
Letzteres erleichtert insbesondere die Verbindung der Kontaktauflage an den in den Figuren nicht dargestellten Kontaktträgern, welche üblicherweise aus Kupfer bestehen. Für die bestimmungsgemäße Verwendung von Kupfer-Chrom-Kontakten bei Vakuumschaltern ist dabei der Chromanteil von besonderer Bedeutung. Dieser ist nunmehr an der Oberfläche der Kontaktauflagen konzentriert.
Insgesamt ergeben sich somit beachtliche Vorteile für die Abbrandfestigkeit und andere Schalteigenschaften der Schaltkontakte von Vakuumschaltern.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kontakten aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) als Schaltkontakte für Vakuumschalter, wobei aus einem CuCr-Schmelzwerkstoff durch schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur ein Band bzw. Blech mit vorgegebener Chrom-Konzentration im nichtthermodynamischen Gleichgewicht eingestellt wird, mit folgenden Verfahrensschritten: – Es wird ein Band bzw. ein dünnes Blech aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) als Ausgangsmaterial für die Schaltkontakte mittels Rascherstarrungstechnik mit definierter Abkühlrate erzeugt, – durch die definiert eingestellte Abkühlrate wird ein vorgegebenes Chrom-Konzentrationsprofil senkrecht zur Band-/Blechoberfläche gezielt eingestellt und aufgrund des Dichteunterschiedes von Chrom und Kupfer wird gleichermaßen das Chrom an der Oberfläche des Bandes bzw. Bleches angereichert, – aus dem Band bzw. Blech wird ein Teil vorgegebener Geometrie ausgestanzt und – das Stanzteil wird auf einem Kontaktträger befestigt und bildet eine Kontaktauflage für den Schaltkontakt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Band bzw. Blech eine Stärke von 1 bis 2 mm hat.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Bandes bzw. Bleches flüssiges Kupfer-Chrom vorgegebener Konzentration mit hoher Temperatur auf eine drehende Walze gespritzt oder gegossen wird, wobei der Walze Kühlmittel zugeordnet sind, so dass die flüssige Metalllegierung rasch abgekühlt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Stanzteils auf dem Kontaktträger durch Hartlöten erfolgt.
Schaltkontakt aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) für Vakuumschalter, wobei in einer Kontaktauflage der Chromgehalt vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktauflage chromreiche Teilchen zur Oberfläche hin ausgerichtet sind.
Schaltkontakt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktauflage das Chrom in Oberflächennähe des Bleches feinstdispers ausgeschieden ist.
Schaltkontakt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfer-Chrom-Bereich in der Kontaktauflage wenige 1/10 mm Stärke hat.