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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen gesinterten, mehrschichtigen Kontaktwerkstoff der einen Verbundwerkstoff darstellt, mit einer obersten ersten Schicht und mindestens einer zweiten und einer dritten Schicht. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vakuum-Schaltröhre, eine Verwendung des Verbundwerkstoffes und ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes. Die Erfindung kann insbesondere für Vakuum-Schaltröhren der Mittelspannungstechnik verwendet werden.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Kupfer-Chrom-Kontakte für Vakuum-Schaltröhren der Mittelspannungstechnik müssen einer Vielzahl von Belastungen standhalten. Neben der mechanischen Stabilität muss der Kontaktwerkstoff das sichere elektrische Schalten einer solchen Röhre garantieren.
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Vakuum-Schaltröhren, wie beispielweise in den Offenlegungsschriften
EP 0 254 089 A1 und
EP 0 293 323 A1 beschrieben, werden für wiederholte Schaltvorgänge, Motoreinschaltstromunterbrechungen, als Schutz vor Störungen sowie vor Überstrom und Kurzschlüssen verwendet. Der entscheidende Vorteil der Vakuum-Schaltröhre sind ihre konstanten Eigenschaften über den gesamten Lebenszyklus. Grund dafür ist die hermetisch abgeschlossene Vakuum-Schaltstrecke, die jeglichen äußeren Einfluss ausschließt. Dank der kontrollierten Kontakterosion durch das Prinzip der diffusen Entladung haben Vakuum-Schaltröhren eine verlängerte Lebensdauer und ein wartungsfreier Betrieb ist möglich. Außerdem reduziert das feste Kontaktmaterial das Anhaften der Kontakte im Vakuum und führt zu einer hervorragenden Eignung von Vakuum-Schaltröhren für Hochspannungsanwendungen.
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Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffe zeigen in Vakuum-Schaltröhren hervorragende Eigenschaften hinsichtlich der Wiederverfestigung und beim kapazitiven Schalten. Diese hervorragenden Eigenschaften werden insbesondere einer feinen Verteilung von Chrom in der Kupfer-Matrix zugeschrieben. Tatsächlich ist davon auszugehen, dass das vom Lichtbogen umgeschmolzene Gefüge an der Kontaktoberfläche eine besonders feine Verteilung von Chrom im Kupfer aufweist und dadurch die hervorragenden Eigenschaften des Werkstoffs bestimmt.
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Bei gesinterten Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffen hängt die Verteilung des Chroms im Kupfer in erster Linie von den Partikelgrößen der Chrom- bzw. Kupferpartikel ab. Feine Chrompartikel und relativ dazu grobe Kupferpartikel führen zu einer Konzentration der Chrom-Partikel an den Kupfer-Partikelgrenzen und damit der Ausbildung einer Netzstruktur bzw. einer schwammartigen Struktur. Diese ist oft nicht hinreichend mechanisch stabil.
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Umgekehrt wurde bei feinen Kupfer-Partikeln und groben Chrom-Partikeln nicht die notwendige feine Verteilung des Chroms im Kupfer erreicht, so dass diese Werkstoffe den relevanten Schaltbelastungen, speziell im kapazitiven Schalten, nicht genügen.
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Um die geforderte Schaltleistung zu erreichen wird nach aktuellem Stand der Technik ein relativ hochpreisiger Werkstoff, der im Lichtbogenumschmelzverfahren hergestellt wird, eingesetzt. Durch Einstellung der Größe der Pulverpartikel kann über einen Spark-Plasma-Sinterprozess ebenfalls ein Werkstoff erzeugt werden, der tendenziell positive Ergebnisse bzgl. der Schalteigenschaften erreicht. Diese Einstellung des Gefüges dieser Werkstoffe erfordert jedoch den Einsatz feiner Kupfer- bzw. Chrompulver, welche relativ teuer sind.
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Alternativ gibt es die Möglichkeit mit additiven Fertigungsverfahren mehrschichtigen Kontakte herzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Lösung für einen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und verbesserten Schalteigenschaften anzugeben, der insbesondere in Vakuum-Schaltröhren der Mittelspannungstechnik zum Einsatz kommen kann.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen gesinterten, mehrschichtigen Verbundwerkstoff, in dessen oberste Schicht ultrafeine Chrom-Partikel eingebracht werden und welche angeschmolzen wird, gelöst.
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Die Erfindung beansprucht einen gesinterten, mehrschichtigen Verbundwerkstoff, der eine oberste erste Schicht und mindestens eine zweite und eine dritte Schicht aufweist. Der Verbundwerkstoff ist durch in die erste Schicht vor dem Sinterprozess eingebrachte erste Partikel einer Partikelgröße kleiner 1 µm gekennzeichnet. Zusätzlich ist der Verbundwerkstoff durch eine Veränderung des Gefüges der ersten Schicht durch Anschmelzen (auch als Aufschmelzen bezeichenbar) nach dem Sinterprozess gekennzeichnet. Die Gefügeänderung führt zu eingestellten Gefügeeigenschaften, was mit einer Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und bessere Schalteigenschaften einhergeht. Die Partikelgröße der ersten Partikel von kleiner 1 µm hat den Vorteil, dass die Partikel auf Grund des geringen Volumens relativ zur Oberfläche sehr schnell aufschmelzen.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die erste Schicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes zwischen 100 µm und 1 mm dick sein. Dies hat den Vorteil, dass die erste Schicht relativ dünn ist und der Bedarf an den ersten Partikeln gering ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung können die ersten Partikel des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes aus Chrom sein und einen Anteil zwischen 10 und 70 Gewichtsprozent an der ersten Schicht aufweisen. Dies hat gemeinsam mit der vorherigen weiteren Ausgestaltung den Vorteil, dass an der Kontaktoberfläche eine sehr feine Verteilung des Chroms in der Kupfermatrix im relevanten Schaltbereich erzeugt wird. Da sich die ersten Partikel nur in der obersten Schicht befinden ist die mechanische Stabilität des Kontaktes gewährleistet.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen zumindest die erste Schicht und die darunterliegende zweite Schicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes Kupferpartikel und Chrompartikel in einem vordefinierten Verhältnis auf.
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In einer weiteren Ausführung weist die zweite Schicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes Chrompartikel einer Partikelgröße zwischen 30 µm und 50 µm zu 20 bis 70 Gewichtsprozent auf und ist 0,5 mm bis 5 mm dick. Die Chrompartikel sind innerhalb der Schicht homogen verteilt. Dieses Gefüge ermöglicht die geforderten Schalteigenschaften und stellt sicher, dass während des Schaltvorgangs nur Kupfer und Chrom der geforderten Qualität an der Kontaktoberfläche verbleibt. dient sie dazu Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der ersten und der dritten Schicht auszugleichen.
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In einer weiteren Ausführung ist die dritte Schicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes als Trägerschicht aus einem zu den anderen Schichten unterschiedlichen Material (z.B. einem Vollmaterial, z.B. Stahl, Kupfer...), chemisch ähnlichen Material oder chemisch gleichen Material (z.B. Kupfer und Chrom mit gleichem oder abweichenden Chromgehalt) ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Trägerschicht mechanische Stabilität bietet. Als Grundlage für Trägerschicht kann dabei ein Vollmaterial oder eine Pulvermischung, welche während des Prozesses mitgesintert wird dienen. Die Dicke der Trägerschicht variiert je nach Geometrie des Kontaktes.
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In einer weiteren Ausführung ist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff mittels Spark-Plasma-Sinterprozess hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass ein kompakter und mechanisch stabiler Körper entsteht.
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In einer weiteren Ausführung erfolgt das Anschmelzen (auch als Aufschmelzen bezeichenbar) der ersten Schicht des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes mittels Induktionsspule, Lasers oder Elektronenstrahls. Die Verwendung einer Induktionsspule hat den Vorteil, dass über die Wahl der Frequenz die Eindringtiefe eingestellt werden kann. Die Verwendung eines Lasers, insbesondere eines grünen Lasers hat den Vorteil einer stark einkoppelbaren Wellenlänge. Die feinen Chrompartikel schmelzen, auf Grund des zur Oberfläche geringen Volumens, relativ schnell auf. Dadurch wird eine geringere Tiefe des aufgeschmolzenen Materials erreicht. Zudem wird die feine Verteilung des Chroms an der Oberfläche erreicht.
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Die Erfindung beansprucht außerdem die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs als elektrischer Kontakt in einer Vakuum-Schaltröhre.
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Die Erfindung beansprucht außerdem eine Vakuum-Schaltröhre mit einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff als elektrisches Kontaktmaterial.
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Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes, wobei die erste Schicht nach dem Sinterprozess angeschmolzen bzw. aufgeschmolzen wird. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Erstarren veränderte Gefügeeigenschaften und verbesserte Schalteigenschaften vorliegen.
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Die Erfindung bietet den generellen Vorteil, dass mehrschichtige Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffe hergestellt werden können, die mit üblichen Sinterverfahren nicht in der geforderten Qualität hergestellt werden. Der Einsatz von Spark-Plasma-Sintern ermöglicht die Herstellung hochdichter Kontaktwerkstoffe auf pulvermetallurgischem Weg und damit die wirtschaftliche Herstellung mehrschichtiger Kontakte. Hier eröffnet sich, das Potential zur Senkung der Kosten bei der Herstellung von Kontaktmaterialien mit ähnlich guten Eigenschaften wie die des teuren, lichtbogenumgeschmolzenen Referenzmaterials.
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Die Einstellung des Gefüges in der relevanten Kontaktzone und die Gewährleistung der mechanischen Stabilität durch eine Trägerschicht ermöglichen die Reduzierung der Kosten durch Verminderung des Einsatzes teurer Pulver.
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Zusätzlich wird durch den Einsatz ultrafeiner Chrom-Partikel in der Deckschicht der relevanten Kontaktzone eine noch feinere und damit vorteilhafte Verteilung des Chroms in diesem Bereich erreicht. Außerdem werden durch die große Oberfläche der ultrafeinen Chrom-Partikel die Oberflächenumschmelzprozesse effizienter, was zu einer zusätzlichen Kostensenkung führt.
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Figurenliste
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Die Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
- 1 eine Abfolge des Herstellungsprozesses,
- 2 eine Oberflächenbehandlung und
- 3 eine Ansicht einer Vakuum-Schaltröhre.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Abfolge des Herstellungsprozesses eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs. 1A zeigt beispielshaft einen pulverförmigen Werkstoff 8 bestehend aus drei Schichten: Einer ersten Schicht vor Oberflächenbehandlung 2, einer zweiten Schicht 3 und einer dritten Schicht 4.
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Im Beispiel ist die erste Schicht vor der Oberflächenbehandlung 2 100 µm und 1 mm dick und besteht aus Chrom- und Kupferpartikeln, wobei die Chrompartikel eine Partikelgröße unter 1 µm aufweisen und einen Anteil zwischen 10 und 70 Gewichtsprozent ausmachen. Die zweite Schicht 3 besteht ebenfalls aus Chrom- und Kupferpartikeln, wobei die Chrompartikel eine Partikelgröße zwischen 30 µm und 50 µm aufweisen und einen Anteil zwischen 20 und 70 Gewichtsprozent ausmachen. Die Dicke der zweiten Schicht 3 beträgt 0,5 mm bis 5 mm. Die dritte Schicht 4 bildet eine Trägerschicht und ist im Vergleich zur zweiten Schicht 3 aus einem alternativen Material (z.B. einem Vollmaterial, z.B. Stahl, Kupfer...), einem chemisch ähnlichen oder chemisch gleichen Material (z.B. Kuper-Chrom mit gleichem oder abweichenden Chromgehalt) hergestellt. Die Dicke der Trägerschicht bzw. der dritten Schicht 4 ergibt sich aus den Anforderungen der Anwendung und der Geometrie des Kontaktes.
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Die zweite Schicht 3 und die dritte Schicht 4 sind in weiterverarbeiteter Form auch in 1B bis 1E zu finden. Die erste Schicht 2 ist in weiterverarbeiteter Form auch in 1B bis 1D und als erste Schicht nach Oberflächenbehandlung 6 mit veränderten Gefügeeigenschaften in 1E zu finden.
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Im folgenden Verfahrensschritt der Herstellung in 1B wird der pulverförmige Werkstoff 8 gepresst und ein gepresster Werkstoff 9 hergestellt.
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Im folgenden Verfahrensschritt der Herstellung in 1C wird der gepresste Werkstoff 9 gesintert und ein gesinterter Verbundwerkstoff 10 hergestellt.
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Im folgenden Verfahrensschritt der Herstellung in 1D wird der gesinterter Verbundwerkstoff 10 mit einer Anschmelzvorrichtung 1 angeschmolzen und ein angeschmolzener Verbundwerkstoff 5 hergestellt.
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Im folgenden Verfahrensschritt der Herstellung in 1E erstarrt der angeschmolzene Verbundwerkstoff 5 und ein oberflächenbehandelter Verbundwerkstoff 7 entsteht. Der oberflächenbehandelte Verbundwerkstoff 7 trägt eine oberste erste Schicht nach Oberflächenbehandlung 6.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Anschmelzung und der Gefügeänderung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes. 2A zeigt eine schematische Darstellung eines angeschmolzenen Verbundwerkstoffes 5 mit einer ersten Schicht vor Oberflächenbehandlung 2 mit einer Anschmelzvorrichtung 1. 2B zeigt einen oberflächenbehandelten Verbundwerkstoff 7 mit einer erstarrten ersten Schicht nach Oberflächenbehandlung 6.
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Der in 2A beispielshaft dargestellte angeschmolzene Werkstoff 5 besteht aus drei Schichten: Einer ersten Schicht vor Oberflächenbehandlung 2, einer zweiten Schicht 3 und einer dritten Schicht 4. In vorherigen Schritten der Herstellung wurde ein geschichtetes Pulvergemisch gepresst und gesintert.
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Im Beispiel ist die erste Schicht vor Oberflächenbehandlung 2 100 µm und 1 mm dick und besteht aus Chrom- und Kupferpartikein, wobei die Chrompartikel eine Partikelgröße unter 1 µm aufweisen und einen Anteil zwischen 10 und 70 Gewichtsprozent ausmachen. Die zweite Schicht 3 besteht ebenfalls aus Chrom- und Kupferpartikeln, wobei die Chrompartikel eine Partikelgröße zwischen 30 µm und 50 µm aufweisen und einen Anteil zwischen 20 und 70 Gewichtsprozent ausmachen. Die Dicke der zweiten Schicht 3 beträgt 0,5 mm bis 5 mm. Die dritte Schicht 4 bildet eine Trägerschicht und ist im Vergleich zur zweiten Schicht 3 aus einem alternativen Material (z.B. einem Vollmaterial, z.B. Stahl, Kupfer...), einem chemisch ähnlichen oder chemisch gleichen Material (z.B. Kuper-Chrom mit gleichem oder abweichenden Chromgehalt) hergestellt. Die Dicke der Trägerschicht bzw. der dritten Schicht 4 ergibt sich aus den Anforderungen der Anwendung und der Geometrie des Kontaktes.
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Die zweite Schicht 3 und die dritte Schicht 4 sind in weiterverarbeiteter Form auch in 2B zu finden. Die erste Schicht 2 ist in weiterverarbeiteter Form als erste Schicht nach Oberflächenbehandlung 6 mit veränderten Gefügeeigenschaften in 2B zu finden.
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3 zeigt eine Ansicht einer Vakuum-Schaltröhre 11. Im Inneren der Vakuum-Schaltröhre 11 befindet sich ein von einem Gehäuse 13 umgebenes Vakuum 14. In diesem Vakuum 14 liegen zwei Schaltkontakte 15, die je einen Kontaktwerkstoff oder Kontaktmaterial als elektrischen Kontakt 12 tragen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0254089 A1 [0003]
- EP 0293323 A1 [0003]
