DE102021210839A1

DE102021210839A1 - Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper einer Vakuumschaltröhre, Kontaktkörper für eine Vakuumschaltröhre und Vakuumschaltröhre mit einem solchen Kontaktkörper

Info

Publication number: DE102021210839A1
Application number: DE102021210839.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brauner; Hermann Bödinger; Karsten Freundt; Frank Graskowski; Daniel Kupka; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-03-30
Also published as: CN118043927A; WO2023052034A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) einer Vakuumschaltröhre (10), wobei der Kontaktkörper (100) ausgestaltet ist in der Vakuumschaltröhre (10) Schalthandlungen für Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen vorzunehmen und der Kontaktkörper (100) aus einem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper (200) gebildet wird, wobei der Kontaktkörper (100) und der endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper (200) eine radiale Ausdehnung (201) und eine axiale Ausdehnung (202) aufweisen, wobei der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper (200) mittels eines SPS-Verfahrens - Spark Plasma Sintering Verfahren - finalisiert wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper für eine Vakuumschaltröhre, einen Kontaktkörper für eine Vakuumschaltröhre und eine Vakuumschaltröhre mit einem solchen Kontaktkörper.
Im Stand der Technik sind verschiedene Herstellungsverfahren für Kontaktkörper bekannt. Insbesondere das Herausarbeiten aus einem Vollmaterial oder das Zusammensetzen aus gegossenen oder aus Vollmaterial herausgearbeiteten Einzelteilen sind teuer und aufwendig.
Auch ist es bekannt Kontakte durch kostenintensive Lichtbogen-Umschmelzprozesse herzustellen.
Weiter sind Verfahren bekannt, bei denen Pulver oder Pulvermischungen als Ausgangsmaterialien verwendet werden. So beschreibt die EP0731478A2 die Möglichkeit des Sinterns von Kontaktmaterialien.
Kontakte, die durch druckloses Sintern erzeugt werden, weisen in Bezug auf die Mikrostruktur des zum Beispiel so erzeugten CuCr-Kompositmaterials Schwächen auf, welche zu geringeren mechanischen Zerreißfestigkeiten und zu dielektrischen Versagern, insbesondere bei aufgerissenen Kontaktverschweißungen, führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bestehenden Nachteile im Stand der Technik zu beheben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche 1, 14 und 15, sowie den von diesen abhängigen Ansprüchen.
Eine erste Ausführung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper einer Vakuumschaltröhre, wobei der Kontaktkörper ausgestaltet ist, in der Vakuumschaltröhre Schalthandlungen für Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen vorzunehmen, und der Kontaktkörper aus einem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper gebildet wird, wobei der Kontaktkörper und der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper eine radiale Ausdehnung und eine axiale Ausdehnung aufweisen, wobei der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper mittels eines SPS-Verfahrens - Spark Plasma Sintering Verfahren - finalisiert wird, wobei bei dem Finalisieren mittels SPS eine Nachverdichtung des vorprozessierten Kontaktkörpers in axialer Richtung in einer Matrize aus einem oder mehreren Materialien aus den Materialklassen von

- Graphit,
- TZM, oder
- Stahl

Unter dem Finalisieren ist im Sinne dieser Offenbarung eine Nachbearbeitung mittels eines SPS-Verfahrens zu verstehen, bei dem insbesondere eine Nachverdichtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers in axialer Richtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers erfolgt. Durch das Finalisieren wird also der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper in den Kontaktkörper überführt.
Unter TZM ist eine mischkristallgehärtete und Partikelverstärkte Molybdänbasis-Legierung zu verstehen. TZM weist auch bei Temperaturen über 1400°C, insbesondere auch bei Temperaturen oberhalb von 2000°C gute Festigkeitseigenschaften auf, was vorteilhaft für das SPS-Verfahren ist.
Unter dem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper ist insbesondere ein vorgefertigter Rohling eines Kontaktkörpers zu verstehen, der bereits die Kontur des fertigen Kontaktkörpers, also des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers nach der Nachbearbeitung mittels eines SPS-Verfahrens, aufweist. Die Innenkontur der Matrize bildet also zumindest die Umfangskontur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers nach, so dass in radialer Richtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers keine Formänderung oder nur eine minimale Formänderung erfolgt- also weitestgehend eine Formänderung unterbunden wird. Unter einer minimalen Formänderung ist dabei eine Längenänderung von unter 5%, bevorzugt unter 2%, besonders bevorzugt unter 1%, in einer radialen Richtung zu verstehen.
Bei dem Kontaktkörper kann es sich bevorzugt um eine Kontaktscheibe, einen Kontaktträger oder einen vollständigen Kontakt handeln. Unter dem Nachverdichten in axialer Richtung ist die Erhöhung der Dichte des Kontaktkörpers von beispielsweise 95% auf 98% der Dichte des Kontaktkörpers im Verhältnis zur theoretischen Dichte eines Vollkörpers, also eines Körpers aus Vollmaterial, also eines nicht porösen Körpers, der nicht durch Sintern, sondern durch beispielsweise Gießen oder Umformen hergestellt wurde, zu verstehen. Derart nachverdichtete endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper sind insbesondere günstig zu fertigen, weisen einen geringen oder keinen Bedarf an Nacharbeiten auf, zeigen weniger Verschleiß und sind weniger fehleranfällig, bei einer gleichzeitigen hohen Freiheit in der Formgebung und Materialzusammensetzung und den damit verbundenen mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften.
Insbesondere wird bevorzugt, dass der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper durch Sintern, insbesondere durch ein druckloses Sintern erzeugt worden ist. Unter drucklosem Sintern sind sowohl Sinterprozesse zu verstehen, die ohne eine zusätzliche Druckausübung auf den Sinterkörper, hier den Kontaktkörper, auskommen oder aber die Druckausübung auf den Sinterkörper kleiner 5 MPa, insbesondere kleiner 2 MPa beträgt.
Bevorzugt wird, dass der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörpers durch ein druckloses Sintern erzeugt worden ist und eine oder mehrere Ausnehmungen aufweist, die Ausnehmungen in der radialen Ausdehnung des endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörpers vollständig mit jeweils einem oder mehreren Platzhalterelementen ausgefüllt werden und in axialer Richtung mit dem einem oder den mehreren Platzhalterelementen nicht vollständig aufgefüllt werden.
Insbesondere wird bevorzugt, dass die fehlende Ausfüllung möglichst weit von der Lichtbogenlauffläche, also insbesondere der Lichtbogenlauffläche der Kontaktscheibe, entfernt ist. Mit anderen Worten die fehlende Ausfüllung ist an der der Lichtbogenlauffläche gegenüberliegenden Seite angeordnet. Alternativ kann die fehlende Ausfüllung auch auf der Seite der Lichtbogenlauffläche und der der Lichtbogenlauffläche gegenüberliegenden Seite angeordnet sein. Weiter alternativ kann die fehlende Ausfüllung auf der Seite der Lichtbogenlauffläche angeordnet sein.
Insbesondere wird bevorzugt, dass die eine oder mehreren Ausnehmungen eines oder mehrere von:

- Schlitzungen,
- Vertiefungen, und
- Durchgangsöffnungen

Auch wird bevorzugt, dass das eine oder die mehreren Platzhalterelemente mit Metall oder mit Metalllegierungen gebildet werden.
Weiter wird bevorzugt, dass das Metall oder die Metalllegierungen der Platzhalterelemente aus oder mit hochfesten Stählen oder Refraktärmetallen, insbesondere Molybdän, TZM und/oder Wolfram, oder den Oxiden, Carbiden oder Nitriden von Refraktärmetallen gebildet werden. Unter Refraktärmetallen sind insbesondere die hochschmelzenden, unedlen Metalle der 4. Nebengruppe (Titan, Zirconium und Hafnium), der 5. Nebengruppe (Vanadium, Niob und Tantal) und der 6. Nebengruppe (Chrom, Molybdän und Wolfram) zu verstehen. Der Vorteil der Refraktärmetalle ist insbesondere in ihrem hohen Schmelzpunkt, der hohen Leitfähigkeiten für Wärme und elektrischen Strom und niedriger Wärmeausdehnungskoeffizienten zu sehen. Dadurch wird die Gefahr einer stofflichen Verbindung des Kontaktkörpers mit der Matrize oder dem Kontaktkörper stark reduziert oder beseitigt und eine hohe Wiederverwendbarkeit erreicht. Zusätzlich, und optional, verhindert eine Verwendung von Trennmitteln aus Graphit, Bornitrid und/oder Titandiborid, ein Versintern der Platzhalterelemente mit dem Kontaktkörper und/oder der Matrize. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Beschichtung der Platzhalterelemente mit Graphit, Bornitrid und/oder Titandiborid um das Versintern der Platzhalterelemente mit dem Kontaktkörper und/oder der Matrize zu verhindern.
Bevorzugt wird auch, dass das eine oder die mehreren Platzhalterelemente aus vorgeformten Körpern bestehen, die in die eine oder mehreren Ausnehmungen vor dem SPS-Prozess eingebracht werden. Solche vorgeformten Körper bilden die Innenkontur einer zu füllenden Ausnehmung allein oder in ihrer Mehrheit nach und ermöglichen so ein wenig arbeitsintensives und fehlerunanfälliges Verfahren.
Besonders bevorzugt wird, dass das eine oder die mehreren Platzhalterelemente aus Pulver oder Pulvern bestehen, die vor dem SPS-Prozess in die eine oder mehreren Ausnehmungen eingebracht werden. So lassen sich verschiedenste Geometrien auffüllen, ohne dass für jede Geometrie eine eigene Form der Platzhalterelemente gefertigt werden muss. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Beschichtung der die Platzhalterelemente bildenden Pulver mit Graphit, Bornitrid und/oder Titandiborid um das Versintern der Platzhalterelemente mit dem Kontaktkörper und/oder der Matrize zu verhindern.
Insbesondere wird bevorzugt, dass das Pulver oder die Pulver nach dem Einbringen und vor dem SPS-Prozess nachverdichtet werden. Durch das Nachverdichten wird eine hohe Packungsdichte und damit geringe Kompressibilität des oder der aus Pulver gebildeten Platzhalterelemente zu erreicht.
Besonders bevorzugt wird auch, dass das Einbringen des oder der Pulver und das Nachverdichten des oder der eingebrachten Pulver mehrfach wiederholt durchgeführt wird. So wird die Packungsdichte weiter erhöht und eine geringe Kompressibilität des oder der aus Pulver gebildeten Platzhalterelemente erreicht.
Bevorzugt wird auch, dass die maximale Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers beim SPS-Prozess 99%, bevorzugt 80%, besonders bevorzugt 60%, der Schmelztemperatur des Materials des endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörpers nicht überschreitet. Unter der Schmelztemperatur des Materials ist bei Legierungen oder Materialgemischen die Schmelztemperatur des Materials mit dem niedrigsten Schmelzpunkt zu verstehen.
Auch wird bevorzugt, dass die maximale Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers beim SPS-Prozess für 30s bis 15min, bevorzugt für 1min bis 5min, gehalten wird.
Weiter wird bevorzugt, dass die Aufheizgeschwindigkeit und/oder die Abkühlgeschwindigkeit auf oder von der maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers beim SPS-Prozess von 50K/min bis 500K/min, bevorzugt 150K/min ± 10K/min, beträgt.
Bevorzugt wird auch, dass zumindest während des Haltens, oder zumindest teilweise während des Haltens, einer maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers beim SPS-Prozess ein uniaxialer mechanischer Druck entlang der axialen Richtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers von 5 MPa bis 60 MPa, bevorzugt 20 MPa ± 5 MPa, auf den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper wirkt.
Auch wird bevorzugt, dass zumindest während des Haltens, oder zumindest teilweise während des Haltens einer maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers beim SPS-Prozess eine Stromdichte von 0,5 A/mm² bis 5,0 A/mm², bevorzugt 1,0 A/mm² bis 3,0 A/mm², in dem endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörpers bewirkt wird. Die vorstehenden Parameter, Prozessparameter, ermöglichen einen besonders effizienten SPS Prozess, bei gleichzeig optimalen Prozessergebnissen.
Eine zweite Ausführung bezieht sich auf einen Kontaktkörper für eine Vakuumschaltröhre, wobei der Kontaktkörper nach einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungen hergestellt ist.
So hergestellte Kontaktkörper weisen verschiedene vorteilhafte Eigenschaften auf. Unteranderem erhöht sich die Dichte von typischerweise 95% TD - theoretische Dichte - für drucklos gesinterte Formkörper auf > 98% TD, also auf größer 98% TD, für SPS-finalisierte Kontaktkörper, also auch nachverdichtete Kontaktkörper, was zu einer erhöhten mechanischen Stabilität und einer Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit führt.
Auch erhöht sich die Biegefestigkeit von mittels SPS nachverdichteten Versuchselementen und Kontaktkörpern um mindestens 15% gegenüber drucklos gesinterten Formkörpern.
Weiter wird eine erhöhte Zugfestigkeit - in Zerreißversuchen - für nachverdichtete Versuchselemente und Kontaktkörper um mindestens 15% erreicht. Dabei wird bevorzugt gleichzeitig eine Veränderung des Bruchbildes erreicht, insbesondere bezogen auf CuCr, also Kupfer-Chrom, bei dem keine oder nur wenige, kleiner 5ö, aus der Kupfermatrix herausgerissene oder herausragende Chrompartikel vorliegen. Stattdessen wird weiter bevorzugt, dass eine hohe Anzahl von durchgerissenen Chrompartikeln vorliegen.
Bevorzugt wird, dass durch die allgemein höhere mechanische Festigkeit gegenüber drucklos gesinterten Formkörpern weiter eine reduzierte Kontaktscheibendicke erzielbar ist oder erzielt wird.
Weiter wird bevorzugt, dass durch die höhere Dichte und damit erzielte höhere mechanische Festigkeit gegenüber drucklos gesinterten Formkörpern der Abbrand durch Lichtbögen verringert ist und die elektrische Lebensdauer des Kontaktkörpers und insbesondere der Kontaktscheibe erhöht ist.
Bei nach den vorstehenden Ausführungen hergestellten Kontaktkörpern ist eine gegenüber drucklos gesinterte Formkörpern geringere Restporosität, eine Rekristallisation einer Kupfermaterialmatrix oder einer Silbermaterialmatrix sowie, eine Verbesserung der Anbindung zwischen den eingelagerten Partikeln, beispielsweise eines oder mehrere aus Chrom, Kohlenstoff, Wolfram oder anderem, und der Materialmatrix vorhanden. Die in diesem Absatz als Kupfermaterialmatrix, Silbermaterialmatrix oder Materialmatrix bezeichnete Matrix bezieht sich auf die Stoffstruktur des Kontaktkörpers und nicht auf die Matrize, in der der Kontaktkörper gesintert, beziehungsweise mittels SPS finalisiert - insbesondere nachverdichtet - wird. Aus den vorstehenden Änderungen gegenüber drucklos gesinterten Formkörpern folgt eine Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften der Kontaktkörper, insbesondere eine Reduzierung der Durchschlagswahrscheinlichkeit, bzw. eine Reduzierung der Rückzündungsrate, da es nach einem Schließvorgang des Schalters, der zu einem zumindest partiellen Verschweißen der beiden - durch Lichtbogeneinwirkung und/oder Schmelzbrücken aufgeschmolzenen - Kontaktflächen der Kontaktelemente geführt hat, bei einer dann erfolgenden Öffnung des Schalters und damit des Trennens der beiden Kontaktelemente mehr zu sprödem Bruchverhalten an den Trennflächen mit inter-, also entlang der Korngrenzen, bzw. intra-, also in den Körnern selbst, granularer Rissbildung kommt und weniger duktile Verformung der Materialmatrix und ein Herausziehen der eingelagerten Partikel stattfindet. Somit entsteht mehr „glatte“ Oberfläche, die auch länger erhalten bleibt, an den zueinander zugewandten Kontaktflächen mit weniger herausragenden „Spitzen“ oder sich ablösenden Partikeln, welche dann Rückzündungen auslösen und damit bspw. das kapazitive Schaltverhalten substanziell verschlechtern können.
Vorteilhaft ist auch, dass bei einem Vorliegen nicht-runder Morphologien der eingelagerten Partikel, insbesondere Hartstoffpartikel, die SPS-Finalisierung eine Reorientierung der Texturen dieser Partikel, insbesondere Hartpartikel, in der Materialmatrix ermöglicht, z.B. durch ein „Drehen“ plättchenförmiger Partikel, insbesondere Hartstoffpartikel, mehr parallel zu den Kontaktoberflächen. Auch dies begünstigt die dielektrische Stabilität der Kontaktkörper bei Schaltvorgängen gemäß dem zuvor beschriebenen Mechanismus.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass nach der SPS-Finalisierung, also dem Nachverdichten, keine oder nur noch minimale mechanische Nachbearbeitung zur Erzielung der, vor dem SPS-Finalisieren, also der ursprünglich vor der Nachverdichtung vorhandenen, gewünschten Zielgeometrien der Kontaktkörper notwendig ist.
Die vorstehenden Verfahren sind insbesondere auch dazu geeignet, mehrere vorprozessierte Teilstücke eines Kontaktkörpers aus unterschiedlichen oder gleichen Materialzusammensetzungen zu einem monolithischen Formkörper zu fügen, um so eine Art Gradierung in dem Körper zu erzielen. Beispielsweise sind Kombinationen aus Bereichen mit hoher mechanischer Belastbarkeit, mit gezielten thermo-mechanischen Eigenschaften, gegen Verzug bei einer Temperaturänderung, guter Lötbarkeit, hoher elektrischer Stromtragfähigkeit oder anderem möglich.
Nach den vorstehenden Verfahren hergestellte Kontaktkörper sind insbesondere in Schliffen, durch Gefügeanalysen und durch chemische Analysen - insbesondere hinsichtlich dem Vorhanden sein von Dotierelementen oder Hilfsstoffen aus den Sinterverfahren erkennbar.
Eine dritte Ausführung bezieht sich auf eine Vakuumschaltröhre, wobei die Vakuumschaltröhre einen, zwei oder mehr der Kontaktkörper nach einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungen hergestellt enthält. Die Kontaktkörper weisen dabei die zuvor aufgeführten Vorteile auf.
Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Gegenstände gelten alle zu dem erfindungsgemäßen Verfahren voranstehend und nachfolgend gemachten Ausführungen und umgekehrt in entsprechender Weise, insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gegenstandes in jeder beliebigen Ausführungsform oder einer Kombination beliebiger Ausführungsformen eingerichtet. Auch hinsichtlich der Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung wird auf die zu dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und umgekehrt verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Die spezifische Ausgestaltung der Ausführungsbeispiele ist für die allgemeine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Gegenstände in keiner Weise einschränkend zu verstehen; vielmehr können einzelne Ausgestaltungsmerkmale der Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise frei untereinander und mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen kombiniert werden.

1: Schematische Darstellung eines Aufrisses einer Vakuumschaltröhre;
2: Schematische Darstellung eines Kontaktkörpers;
3: Schematische Darstellung eines Kontaktkörpers in einer Matrize für den SPS-Prozess;
4: Schematische Schnittdarstellung eines Kontaktkörpers in einer Vorrichtung für einen SPS-Prozess;
5: Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufrisses einer Vakuumschaltröhre 10. Die Vakuumschaltröhre 10 weist hier beispielhaft einen ersten Wandabschnitt aus einem Isolierstoff 12, einen sich daran anschließenden zweiter Wandabschnitt aus einem Metall 14 und einen sich an diesen anschließenden dritten Wandabschnitt aus einem Isolierstoff 16 auf. Alternativ, hier aber nicht gezeigt, sind auch andere Wandaufbauten möglich, beispielsweise nur aus einem Isolierstoffabschnitt bestehend, an den sich Flansche für Fest- und /oder Bewegkontakt anschließen.
Die Vakuumschaltröhre 10 weist weiter einen Festkontaktflansch 18 und einen Bewegkontaktflansch 20 auf. An dem Festkontaktflansch 18 ist der Festkontaktstab 24 angeordnet. Durch den Bewegkontaktflansch 20 ist der Bewegkontaktstab 26 durchgeführt, wobei der Bewegkontaktstab 26 gasdicht über einem Balg 22 mit dem Bewegkontaktflansch 20 verbunden ist, so dass der Bewegkontaktstab 26 entlang der axialen Richtung 202 beweglich angeordnet ist. Jeweils ein Kontaktkörper 100 ist am Festkontaktstab 24 und am Bewegkontaktstab 26 in der Vakuumschaltröhre 10 angeordnet. Die Kontaktkörper 100 sind als Rotationskörper ausgebildet und weisen eine radiale Ausdehnung 201 auf und weisen eine axiale Ausdehnung in einer axialen Richtung 202 auf. Die Kontaktkörper 100 sind hier ferner als Festkontaktkörper am Festkontaktstab 24 und als Bewegkontaktkörper am Bewegkontaktstab 26 ausgebildet.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers 100, der mit einer Kontaktscheibe 110 und einem Kontaktträger 120 gebildet wird. Die Kontaktscheibe 110 weist in radialer Richtung 201 Ausnehmungen 210 und eine zentrale Ausnehmung 210 auf. Der Kontaktträger 120 weist spiralförmige Ausnehmungen 210 auf. Die Ausnehmungen 210 im Kontaktträger 120 dienen der Erzeugung eines Magnetfeldes, um einen Lichtbogenlöschprozess zu unterstützen. Die radial ausgerichteten Ausnehmungen 210 dienen der Beeinflussung einer Wanderung der Fußpunkte eines Lichtbogens und/oder der Wirbelstromreduzierung und die zentral angeordnete Ausnehmung 210 dient der Verhinderung der Entstehung eines Lichtbogens im Zentrum der Kontaktscheibe 110.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kontaktkörpers 200 in einer Matrize 300 für den SPS-Prozess. Die Matrize 300 kann dabei in axialer Richtung 202 über den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 hinausragen, hier nicht gezeigt, oder bündig abschließen, hier der Einfachheit halber gezeigt. Die Matrize 300 begrenzt den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 während eines SPS-Prozesses in der radialen Ausdehnung 201, so dass eine Formänderung in den radialen Richtungen - der radialen Ausdehnung 201 - unterbunden oder weitestgehend unterbunden wird, es also in der radialen Ausdehnung 201 keine oder nur minimale Längenänderungen gibt. Um eine Änderung der radialen Ausdehnung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 auch bei Ausnehmungen 210 zu unterbinden, werden in den Ausnehmungen 210 Platzhalterelemente 400 angeordnet, gezeigt sind hier zwei Ausnehmungen 210, die mit Platzhalterelementen 400 aufgefüllt sind. Um eine axiale Verdichtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 zu ermöglichen, erstrecken sich die Platzhalterelemente 400 vorzugsweise nicht über die gesamte axiale Ausdehnung 202 der Ausnehmungen 210. So wird eine gezielte Nachverdichtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers mit dem SPS-Prozess erreicht. Zusätzlich, hier aber nicht gezeigt, wird auch eine optional vorhandene zentrale Ausnehmung 210 in der Kontaktscheibe 110, siehe 2, mit einem Platzhalterelement 400 in der radialen Ausdehnung 201 vollständig ausgefüllt, wobei sich das Platzhalterelement 400 vorzugsweise nicht über die gesamte axiale Ausdehnung 202 der zentralen Ausnehmung 210 erstreckt.
Die 4 zeigt einen schematische Schnittdarstellung eines endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 in einer Vorrichtung für einen SPS-Prozess. Der endkonturnahe vorprozessierten Kontaktkörper 200 besteht hier der Einfachheit halber lediglich aus der Kontaktscheibe, siehe 110 der 2, offensichtlich ist der Prozess aber auch mit einem Kontaktkörper 200, der analog zu der 2 oder anderweitig aufgebaut ist, durchführbar. Die Vorrichtung weist eine Matrize 300 auf, in der der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper 200 eingelegt ist, wobei optional ein Platzhalterelement 400 in der optionalen Ausnehmung 210 eingelegt ist, wobei das Platzhalterelement 400 in der radialen Ausdehnung 201 die Ausnehmung 210 des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 vollständig ausfüllt und in axialer Richtung 202 die Ausnehmung nicht vollständig aufgefüllt ist, also ausreichend Raum für eine Nachverdichtung des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 verbleibt. Während des SPS-Prozesses wird mit einem ersten Stempel 350 und einem zweiten Stempel 360 Druck, insbesondere ein uniaxialer Druck in der axialen Richtung 202, auf den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 ausgeübt und auch ein Stromfluss durch den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 erzeugt. Der Stromfluss dient auch der Generierung von Joulescher Wärme, um die angestrebte Prozesstemperatur für den SPS-Prozess zu erreichen. Zusätzlich und optional, können noch weitere, hier nicht gezeigte, Heizmethoden den Prozess unterstützen.
Die 5 zeigt einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses für einen Kontaktkörper 100 in einem Flussdiagramm. Die folgend aufgelisteten Prozessschritte 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 sind dabei eine Gliederung, die eine Reihenfolge angeben. Eine weitere Unterteilung der Prozessschritte ist möglich, hier aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht vorgenommen.
In einem ersten Prozessabschnitt 1100 wird ein endkonturnaher vorprozessierter Kontaktkörper 200, bevorzugt durch ein druckloses Sintern aus einem oder mehreren Pulvermaterialien, hergestellt.
In einem zweiten Prozessschritt 1200 wird der so hergestellte endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper 200 in eine Matrize 300 eingelegt - die insbesondere geeignet ist, den Prozessparametern des SPS-Prozesses Stand zu halten, ohne sich mit dem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 zu verbinden, insbesondere stoffschlüssig zu verbinden - und optional werden Ausnehmungen 210 mit Platzhalterelementen 400 aufgefüllt, wobei die Ausnehmungen 210 in der radialen Ausdehnung 201 des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 vollständig mit jeweils einem oder mehreren Platzhalterelementen 400 ausgefüllt werden und in axialer Richtung 202 mit dem einem oder den mehreren Platzhalterelementen 400 nicht vollständig aufgefüllt werden. Der zweite Prozessschritt 1200 kann dabei außerhalb einer SPS-Anlage, in der SPS-Anlage oder außerhalb der SPS-Anlage aber im Zusammenhang mit weiteren Bestandteilen der SPS-Anlage erfolgen. Insbesondere kann bereits ein erster Stempel 350 und/oder ein zweiter Stempel 360 und/oder ein nicht gezeigtes Trägerelement für die Matrize 300 und/oder den ersten Stempel 350 und/oder den zweiten Stempel 360 an der Matrize 300 angeordnet sein. Zum Ende des zweiten Prozessschrittes 1200 wird die Matrize 300 mit dem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 und den Platzhalterelementen 400, ggf. mit dem erste Stempel 350 und/oder dem zweiten Stempel 360 und/oder dem Trägerelement für die Matrize 300 in die SPS-Anlage eingebracht.
In einem dritten Prozessschritt 1300 wird der SPS-Prozess in der SPS-Anlage durchgeführt, wobei vorzugsweise einer oder mehrere der folgenden Parameter, Prozessparameter, verwendet werden:

• die maximale Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 beträgt beim SPS-Prozess nicht mehr als 99%, bevorzugt 80%, besonders bevorzugt 60%, der Schmelztemperatur des Materials des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200, die Schmelztemperatur bezieht sich, wie oben ausgeführt, ggf. auf die Schmelztemperatur des Materials mit dem niedrigsten Schmelzpunkt;
• die maximale Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 wird beim SPS-Prozess für 30s bis 15min, bevorzugt für 1min bis 5min, gehalten;
• die Aufheizgeschwindigkeit und/oder die Abkühlgeschwindigkeit auf oder von der maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 beträgt beim SPS-Prozess von 50K/min bis 500K/min, bevorzugt 150K/min ± 10K/min;
• zumindest während des Haltens, oder zumindest teilweise während des Haltens, einer maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 wird beim SPS-Prozess ein uniaxialer mechanischer Druck entlang der axialen Richtung 202 des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers 200 von 5 MPa bis 60 MPa, bevorzugt 20 MPa ± 5 MPa, auf den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 bewirkt;
• zumindest während des Haltens, oder zumindest teilweise während des Haltens, einer maximalen Temperatur des endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörpers 200 wird beim SPS-Prozess eine Stromdichte von 0,5 A/mm² bis 5,0 A/mm², bevorzugt 1,0 A/mm² bis 3,0 A/mm², in dem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 bewirkt.

In einem vierten Prozessschritt 1400 wird der Kontaktkörper 100, der aus dem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper 200 im dritten Prozessschritt 1300 gebildet worden ist, aus der SPS-Anlage und aus der Matrize entnommen.
In einem fünften Prozessschritt 1500 werden die Platzhalterelemente 400 aus dem Kontaktkörper 100 entfernt, also entnommen, der Kontaktkörper 100 optional auf Fehler, Defekte und andere Unzulänglichkeiten geprüft und gegebenenfalls geringfügige Nacharbeiten am Kontaktkörper 100 vorgenommen, wobei die Nacharbeiten zum Beispiel das Entfernen von Graten und/oder anderer Spuren auf Oberflächen des Kontaktkörpers 100 von dem Herstellungsprozess, insbesondere von dem SPS-Prozess, enthalten.
Bezugszeichenliste

10: Vakuumschaltröhre;
12: erster Wandabschnitt aus einem Isolierstoff;
14: zweiter Wandabschnitt aus einem Metall;
16: dritter Wandabschnitt aus einem Isolierstoff;
18: Festkontaktflansch;
20: Bewegkontaktflansch;
22: Balg, insbesondere Wellbalg;
24: Festkontakt;
26: Bewegkontakt;
100: Kontaktkörper;
110: Kontaktscheibe;
120: Kontaktträger;
200: endkonturnaher vorprozessierter Kontaktkörper;
201: radiale Ausdehnung oder radiale Richtung;
202: axiale Ausdehnung oder axiale Richtung;
210: Ausnehmungen im endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper 200 oder Kontaktkörper 100;
300: Matrize;
350: erster Stempel;
360: zweiter Stempel;
400: Platzhalterelement;
1100: erster Prozessabschnitt;
1200: zweiter Prozessabschnitt;
1300: dritter Prozessabschnitt;
1400: vierter Prozessabschnitt;
1500: fünfter Prozessabschnitt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0731478 A2 [0004]

Claims

Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) einer Vakuumschaltröhre (10), wobei der Kontaktkörper (100) ausgestaltet ist, in der Vakuumschaltröhre (10) Schalthandlungen für Nieder-, Mittel- und/oder Hochspannungsanwendungen vorzunehmen und der Kontaktkörper (100) aus einem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper (200) gebildet wird, wobei der Kontaktkörper (100) und der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper (200) eine radiale Ausdehnung (201) und eine axiale Ausdehnung (202) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper (200) mittels eines SPS-Verfahrens - Spark Plasma Sintering Verfahren - finalisiert wird, bei dem eine Nachverdichtung des vorprozessierte Kontaktkörper (200) in axialer Richtung (202) in einer Matrize (300), welche aus einem oder mehreren Materialien von Graphit, TZM oder Stahl gebildet ist, unter Einwirkung von mechanischem Druck, erhöhter Temperatur und elektrischem Stromfluss erfolgt, wobei eine radiale Formänderung des endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörper (200) mit einer an die Außenkontur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) angepassten Matrize (300) unterbunden oder weitestgehend unterbunden wird.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der endkonturnahe vorprozessierte Kontaktkörpers (200) mittels drucklosem Sintern erzeugt worden ist und eine oder mehrere Ausnehmungen (210) aufweist, die Ausnehmungen (210) in der radialen Ausdehnung (201) des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) vollständig mit jeweils einem oder mehreren Platzhalterelementen (400) ausgefüllt werden und in axialer Richtung (202) mit dem einen oder mehreren Platzhalterelementen (400) nicht vollständig aufgefüllt werden.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Platzhalterelemente (400) mit Metall oder mit Metalllegierungen gebildet werden.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall oder die Metalllegierungen der Platzhalterelemente (400) aus oder mit hochfesten Stählen oder Refraktärmetallen oder den Oxiden, Carbiden oder Nitriden der Refraktärmetalle gebildet werden.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Platzhalterelemente (400) aus vorgeformten Körpern bestehen, die in die eine oder mehreren Ausnehmungen (210) vor dem SPS-Prozess eingebracht werden.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Platzhalterelemente (400) aus Pulver oder Pulvern bestehen, die vor dem SPS-Prozess in die eine oder mehreren Ausnehmungen (210) eingebracht werden.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver oder die Pulver nach dem Einbringen und vor dem SPS-Prozess nachverdichtet werden.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen des oder der Pulver und das Nachverdichten des oder der eingebrachten Pulver mehrfach wiederholt durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) beim SPS-Prozess 99%, bevorzugt 80%, besonders bevorzugt 60%, der Schmelztemperatur des Materials des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) nicht überschreitet.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) beim SPS-Prozess für 30s bis 15min, bevorzugt für 1min bis 5min, gehalten wird.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizgeschwindigkeit und/oder die Abkühlgeschwindigkeit auf oder von der maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) beim SPS-Prozess von 50K/min bis 500K/min, bevorzugt 150K/min ± 10K/min, beträgt.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Haltens, oder zumindest teilweise während des Haltens, einer maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) beim SPS-Prozess ein uniaxialer mechanischer Druck entlang der axialen Richtung (202) des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) von 5 MPa bis 60 MPa, bevorzugt 20 MPa ± 5 MPa, auf den endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper (200) wirkt.
Herstellungsverfahren für einen Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Haltens, oder zumindest teilweise während des Haltens, einer maximalen Temperatur des endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörpers (200) beim SPS-Prozess eine Stromdichte von 0,5 A/mm² bis 5,0 A/mm², bevorzugt 1,0 A/mm² bis 3,0 A/mm², in dem endkonturnahen vorprozessierten Kontaktkörper (200) bewirkt wird.
Kontaktkörper (100) für eine Vakuumschaltröhre (10) dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.
Vakuumschaltröhre (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumschaltröhre (10) einen, zwei oder mehr der Kontaktkörper (100) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche hergestellt enthält.