DE1236630B - Vakuumschalter - Google Patents

Description

DEUTSCHES WfWWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 c - 35/09

Nummer: 1236 630

Aktenzeichen: G 36366 VIII d/21 c

1 236 630 Anmeldetag: 10.November 1962

Auslegetag: 16. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vakuumschalter, insbesondere auf die Ausbildung der Kontaktstücke eines solchen Schalters. Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Vakuumschalter mit einer Nennspannung von mindestens 7,2 kV und einem Abschaltestrom von mindestens 8 kA.

ölfreie Schalter mit solchen Kenndaten müssen drei Grundbedingungen genügen: als erstes muß der Schalter bei vollständig geöffneten Kontakten ohne durchzuschlagen eine Impulsscheitelspannung von mindestens 95 kV und eine Dauerbelastung von mindestens 36 kV_eff. bei 60 Hz aushalten können. Diese Bedingung soll im folgenden kurz als Spannungsfestigkeit bezeichnet werden. Die angegebenen Zahlenwerte sind den USA.-Normen für Leistungsschalter entnommen. Die zweite Bedingung besteht darin, daß der Schalter in der Lage sein muß, einen Strom von 8 kA_eff bei der Nennspannung zu unterbrechen. Diese Bedingung soll im folgenden als Unterbrechungsfestigkeit bezeichnet werden. Die dritte Bedingung besteht darin, daß der Schalter in der Lage sein muß, Einschalt- und Abschaltströme auszuhalten, die den Nenn-AbschaItstrom beträchtlich überschreiten, ohne daß eine störende Verschweißung oder anderweitige Beschädigung der Kontaktstücke eintritt. Diese dritte Bedingung soll im folgenden als Verschweißungsfestigkeit bezeichnet werden. Um diese dritte Bedingung zu erfüllen, ist es wichtig, daß nicht nur ein Entstehen von Verschweißungen verhindert wird, die so stark sind, daß sie sich bei einem anschließenden Öffnen des Schalters nur mit übermäßigen Kräften wieder lösen lassen, es dürfen vielmehr auch keine Verschweißungen entstehen, die unsaubere und zackige Bruchstellen an den Kontaktstücken ergeben. Solche zackigen Bruchstellen haben einen übermäßigen Kontaktverschleiß zur Folge und setzen außerdem die Spannungsfestigkeit herab. Eine ausreichende Verschweißungsfestigkeit ist vor allem bei Vakuumschaltern schwer zu erreichen, da solche Schalter außergewöhnlich saubere Oberflächen besitzen müssen, auf denen sich keinerlei Oxyd- oder andere Schmutzschichten befinden. Solche reinen Oberflächen stellen ideale Voraussetzungen für ein Entstehen störender Verschweißungen dar, die sich in vielen Fällen weitgehend vermeiden ließen, wenn an den Grenzflächen Oxyd- oder andere Verunreinigungsschichten vorhanden wären.

Alle Versuche, einen Vakuumschalter mit einer einzigen Unterbrechungsstrecke zu bauen, der allen drei obengenannten Grundbedingungen genügt, waren bisher erfolglos, da bisher keine geeigneten Kontaktwerkstoffe zur Verfügung standen. Werkstoffe, die Vakuumschalter

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, Ν. Υ. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Ε. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
James Martin Lafferty, Schenectady, Ν. Y.;
Philip Barkan,

Thomas Henry Lee, Media, Pa.;
Joseph Lawrence Talento,
Drexel Hill, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. November 1961
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eine oder zwei der genannten Grundbedingungen erfüllen, versagen bei den übrigen.

Man hat beispielsweise versucht, die Kontakte aus einem hochwarmfesten Werkstoff, wie Wolfram, herzustellen. Hiermit läßt sich zwar eine ausreichende Spannungsfestigkeit und Verschweißungsfestigkeit erreichen, die Unterbrechungsfähigkeit ist jedoch völlig unzureichend. Schalter mit Kupferkontakten besitzen andererseits eine ausreichende Unterbrechungsfähigkeit und Spannungsfestigkeit, ihre Verschweißungsfestigkeit läßt jedoch sehr zu wünschen übrig. Schalter mit Kontaktstücken aus Kupfer, das mit Zinn oder Zink legiert ist, also aus Bronze oder Messing, genügen den Bedingungen bezüglich der Unterbrechungsfähigkeit und auch in manchen Fällen der Spannungsfestigkeit, sie sind jedoch nicht verschweißfest.

Es sind ferner Kontaktwerkstoffe bekannt (USA.-Patentschrift 2 975 225), die ausreichende Unterbrechungsfähigkeit und Verschweißungsfestigkeit besitzen, jedoch eine ungenügende Spannungsfestigkeit. Diese bekannten Kontaktwerkstoffe bestehen aus Kupfer-Wismut-Legierungen mit 10 bis 35 % Wismut. Mit diesen Kontaktwerkstoffen lassen sich die Be-

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dingungen der Unterbrechungsfähigkeit und der Verschweißungsfestigkeit erfüllen, eine verläßliche Spannungsfestigkeit ließ sich mit diesen Materialien jedoch nicht erreichen, jedenfalls nicht, wenn sie in bekannter Weise verarbeitet worden sind.

Es ist außerdem bekannt (deutsche Auslegeschrift 1074120), einen Vakuumschalter so auszubilden, daß relativ niedrige Ströme abgeschaltet werden können, ohne daß eine vorzeitige Unterbrechung des Stromes, also eine Unterbrechung nennenswert vor dem Nulldurchgang der Spannung, stattfindet, was bei induktiven Verbrauchern zu gefährlichen Überspannungen führen würde. Man erreicht dieses Ziel, indem man wenigstens eine Elektrode des Schalters aus einem Werkstoff fertigt, der über 2000° K einen Dampfdruck gleich demjenigen oder über demjenigen von Zinn besitzt und bei 500° K einen Dampfdruck von weniger als IO^-3 mm Hg aufweist. Ferner muß der Elektrodenwerkstoff eine kleinere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer oder Silber besitzen.

Schließlich ist es bekannt (deutsche Auslegeschrift 1088132), einen Vakuumschalter so auszubilden, daß wenigstens einer der Schaltkontakte zwei Bereiche besitzt, von denen der zweite Bereich an den ersten Bereich anschließt und der zweite Kontaktbereich aus einem Stoff mit höherem maximalem charakteristischem Abreißstrom besteht als der erste Kontaktbereich. Dabei liegt bei der Öffnung des Vakuumschalters der entsprechende Lichtbogen mit seinem Fußpunkt auf dem ersten Kontaktbereich, welcher seinerseits aus einem Stoff besteht, der ein Verbleiben des Lichtbogenfußpunktes auf diesem Bereich bis zum Erlöschen des Lichtbogens bei Abschaltströmen bis etwa 500 Ampere gewährleistet. Es soll dabei auf magnetischem Wege dafür gesorgt werden, daß der Lichtbogen vom ersten Kontaktbereich auf den zweiten mit einer solchen Wanderungsgeschwindigkeit verlagert wird, die den Ansatz des Lichtbogens auf den zweiten Kontaktbereich während des größeren Teils der Lichtbogendauer ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vakuumschalter mit einer einzigen Unterbrechungsstrecke für eine Nennspannung von mindestens 7,2 kV und einen Nennstrom von mindestens 8 kA anzugeben, der allen drei oben geschilderten Bedingungen genügt.

Durch die Erfindung werden erstmalig Kontaktwerkstoffe angegeben, mit denen sich Vakuumschalter bauen lassen, die allen oben erläuterten Anforderungen genügen.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß sich die Spannungsfestigkeit des Schalters in unerwarteter Weise erhöhen läßt, wenn man bei bestimmten Legierungen den Anteil des den niedrigen Schmelzpunkt aufweisenden Nebenbestandteils unter eine bestimmte Grenze herabsetzt.

Die Erfindung geht aus von einem Vakuumschalter für Wechselspannung mit zwei trennbaren Kontaktstücken, die weitgehend frei von sorbierten Gasen und oberflächlichen Verunreinigungen sind und deren Kontaktfläche mindestens bei einem Kontaktstück aus einer Legierung besteht, die einen nicht hochwarmfesten metallischen Hauptbestandteil mit einem Kochpunkt unter 3500° K und einen nicht hochwarmfesten metallischen Nebenbestandteil enthält, der eine niedrigere effektive Erstarrungstemperatur als der Hauptbestandteil aufweist, der ferner in der

flüssigen Phase des Hauptbestandteils nennenswert in der festen Phase des Hauptbestandteils, wenn überhaupt, nur wenig löslich ist, und der in der Legierung in einem größeren Anteil vorhanden ist als der Hauptbestandteil im festen Zustand zu lösen vermag.

Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß für eine Nennspannung des Schalters von mindestens 7,2 kV der Anteil des Nebenbestandteils in der Legierung höchstens 5 Gewichtsprozent beträgt und daß der Nebenbestandteil in der Legierung weitestgehend dispergiert ist.

Beispiele von Materialien, die den obengenannten Bedingungen genügen, sind Legierungen aus Kupfer und geringen Gewichtsprozentsätzen eines Nebenbestandteils aus vorzugsweise Tellur, Wismut, Blei und Thallium; Legierungen aus Silber mit einem kleinen Anteil an Tellur und Legierungen aus Aluminium mit einem kleinen Prozentsatz eines Nebenbestandteils, vorzugsweise Blei, Wismut, Indium und Zinn. Der in Gewichtsprozent gerechnete Anteil des Nebenbestandteils in diesen Legierungen wird so klein gewählt, daß die Spannungsfestigkeit des Schalters den geforderten Kennwerten genügt. Der Nebenbestandteil kann beispielsweise einige wenige Gewichtsprozent und darunter, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, betragen.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht eines bekannten Vakuumschalters mit Kontakten gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Kontaktstückes des Schalters der F i g. 1,
F i g. 3 eine Mikrophotographie, die in 500facher Vergrößerung die Kornsiruktur einer Kupfer-Wismut-Legierung zeigt, die 20 Gewichtsprozent Wismut enthält. Die Legierung ist im Gußzustand dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine Fig. 3 entsprechende Mikrophotographie einer Kupfer-Wismut-Legierung, die 15 Gewichtsprozent Wismut enthält,

Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Mikrophotographie einer Kupfer-Wismut-Legierung mit 11 Gewichtsprozent Wismut,

Fig. 6 eine Fig. 3 entsprechende Mikrophotographie einer Kupfer-Wismut-Legierung, die 5 Gewichtsprozent Wismut enthält,

Fig. 7 eine Fig. 3 entsprechende Mikrophotographie einer Kupfer-Wismut-Legierung, die 1 Gewichtsprozent Wismut enthält,
Fig. 8 eine Fig. 3 entsprechende Mikrophotographie einer Kupfer-Wismut-Legierung, die 0,5 Gewichtsprozent Wismut enthält,

F i g. 9 eine Mikrophotographie, die in lOOfacher Vergrößerung die Kornstruktur einer Kupfer-Blei-Legierung zeigt, die 1 Gewichtsprozent Blei enthält. Die Legierung ist im Gußzustand dargestellt.

Fig. 10 zeigt eine Mikrophotographie, die in 500facher Vergrößerung denselben Werkstoff zeigt, wie F i g. 9,

Fig. 11 eine Mikrophotographie, die in 750facher Vergrößerung einen Teil eines Kontaktstückes im Schnitt zeigt; die Schnittebene verläuft dabei wenigstens annähernd senkrecht zu der Fläche, die den Gegenkontakt berührt. Der dargestellte Kontakt war bei starker Strombelastung geschlossen worden, so daß sich eine Schweißstelle bildete, anschließend war er stromlos von dem Gegenkontakt getrennt worden, wobei die Schweißstelle zerbrochen wurde.

Der in F i g. 1 dargestellte Schalter enthält einen weitgehenden evakuierten Kolben 10 mit einem Teil 11 aus einem Isolatorwerkstoff und zwei metallischen Endkappen 12,13, die in Abdichtstellen 14 vakuumdicht mit dem Isolierteil 11 verbunden sind. Der normale Innendruck im Kolben 10 liegt bei statischen Bedingungen unter IO^-4 Torr, so daß eine ausreichende Sicherheit vorhanden ist, daß die mittlere freie Weglänge von Elektronen größer ist als die Durchschlagsstrecke im Kolben.

Die Innenwand des Isolierteils 11 wird durch eine rohrförmige Metallabschirmung 15 gegen kondensierende Metalldämpfe, die im Bogen entstehen können, geschützt. Die Abschirmung 15 ist am Isolierteil 11 befestigt und vorzugsweise von beiden Endkappen 12,13 isoliert. Diese Abschirmung verhindert in bekannter Weise, daß sich im Lichtbogen entstehende Metalldämpfe auf dem Isolierteil niederschlagen können.

Innerhalb des Kolbens 10 befinden sich zwei trennbare Kontaktstücke 17,18, die in der geschlossenen Stellung dargestellt sind. Das obere ruhende Kontaktstück 17 ist über einen elektrisch leitenden Stab 17 a mit der oberen Endkappe 12 verbunden. Das untere bewegliche Kontaktstück 18 ist an einer elektrisch leitenden Betätigungsstange 18« angebracht, die vertikal verschiebbar gelagert ist. Beim Absenken des Kontaktstückes 18 wird der Schalter geöffnet, bei der entsprechenden gegenläufigen Bewegung werden der Schalter und der zugehörige Stromkreis geschlossen. DerAbstand zwischen den Kontaktstücken im völlig geöffneten Zustand des Schalters beträgt bei einem typischen Schalter etwa 12,7 mm. Die Betätigungsstange 18 reicht durch eine Öffnung in der unteren Endkappe 13 und ist durch einen flexiblen Metallbalgen 20 abgedichtet, der eine vertikale Verschiebung der Stange ermöglicht, ohne daß das Vakuum im Kolben 10 dadurch aufgehoben wird. Wie F i g. 1 zeigt, ist der Balgen 20 an seinen Enden dicht mit der Betätigungsstange 18 a an der unteren Endkappe 13 verbunden.

Alle Innenteile des Schalters sind praktisch frei von oberflächlichen Verunreinigungen. Dies kann durch geeignete Verfahrensmaßnahmen bei der Herstellung des Schalters erreicht werden, beispielsweise durch an sich bekanntes Ausheizen während der Evakuierung. Die Kontaktstücke 17,18 sind außerdem frei von im Kontaktkörper absorbierten Gasen, so daß auch durch einen Lichtbogen hoher Stromstärke keine Gase aus dem Inneren der Kontaktstücke freigesetzt werden können. AufdieEntfernung der im Inneren befindlichen Gase wird noch näher eingegangen werden.

Die Kontaktstücke sind vorzugsweise in der dargestellten Weise ausgebildet, wie es auch in der USA.-Patentschrift 2 949 520 beschrieben ist, wenn die Erfindung auch nicht auf diese Formgebung der Kontaktstücke beschränkt ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Kontaktstücke scheibenförmig und stehen einander mit ihrer einen Hauptfläche gegenüber. Im Mittelbereich der Kontaktstücke sind Vertiefungen 29 gebildet, die von ringförmigen Berührungsflächen 30 umgeben sind. Diese ringförmigen Berührungsflächen 30 liegen aneinander an, wenn sich die Kontaktstücke in der in Fig. 1 dargestellten geschlossenen Stellung des Schalters befinden, ihr Durchmesser ist so gewählt, daß der die geschlossenen Kontakte durchfließende Strom längs einer Schleife L verläuft, wie in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist. Dieser schleifenförmige Stromweg ist von einem Magnetfeld begleitet, das in bekannter Weise die Schleife zu verlängern strebt. Wenn die Kontaktstücke getrennt werden und sich zwischen den Berührungsflächen 30 ein Lichtbogen bildet, treibt das die Schleife begleitende Magnetfeld also den Bogen radial nach außen. Während die Ansatzpunkte des Bogens zum äußeren Umfang der Scheiben 17,18 wandern, wirkt auf dem Bogen eine magnetische Kraft in Umfangsrichtung, die bewirkt, daß der Bogen in Umfangsrichtung um die Mittelachsen der Scheiben kreist. Diese in Umfangsrichtung wirkende magnetische Kraft wird vorzugsv/eise durch eine Anzahl von Schlitzen 32 erzeugt, die vom äußeren Umfang der Scheibe spiralförmig nach innen verlaufen, wie Fig. 2 zeigt. Die Schlitze 32 zwingen den Strom, der zu oder von einem in einer bestimmten Richtung von der Achse der Scheibe aus gerechnet gelegenen Bogenansatzpunkt fließt, auf einen spiralförmigen Weg, der im Bereich des Bogenfußpunktes eine bezüglich des Scheibenumfanges tangentiale Komponente hat. Die tangentiale Komponente des Stromweges hat eine tangentiale Kraftkomponente auf die Stromschleife L zur Folge, die den Bogen in Umfangsrichtung um die Achse der Kontakte wandern läßt. Unter Umständen kann sich der Bogen auch in eine Anzahl von parallelen Teilbögen aufteilen, die dann in der beschriebenen Weise schnell auf den Kontaktflächen um die Achse der Kontakte rotieren.

Wie erwähnt, besteht eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin, einen Vakuumschalter mit einer einzigen Unterbrechungsstrecke der beschriebenen Art anzugeben, der die für öllose Schalter mit einer Nennspannung von mindestens 7,2 kV und einem Abschaltstrom von mindestens 8 kA geforderten Bedingungen erfüllt. Es ist bereits erwähnt worden, daß solche Schalter bestimmten Forderungen hinsichtlich der Spannfestigkeit, der Unterbrechungsfähigkeit und der Verschweißungsfestigkeit genügen müssen.

Es wurde gefunden, daß sich diese drei Bedingungen sämtlich bei einem Schalter der beschriebenen Art erfüllen lassen, wenn die Kontakte in bekannter Weise aus einer Legierung gebildet sind, die im wesentlichen aus einem Hauptbestandteil, der ein nicht hochwarmfestes Metall, vorzugsweise ein guter elektrischer Leiter, mit einem unter 3500° K liegenden Kochpunkt ist und aus einem Nebenbestandteil besteht, der erstens eine effektive Erstarrungstemperatur hat, die niedriger liegt als die des Hauptbestandteils, zweitens in der flüssigen Phase des Hauptbestandteils eine größere Löslichkeit hat als etwa 1 Gewichtsprozent der Legierung und der drittens in der festen Phase des Hauptbestandteils wenig oder gar nicht löslich ist, d. h., der Hauptbestandteil soll im festen Zustand weniger als 1 Gewichtsprozent des Nebenbestandteils, bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, lösen können. Außer diese Bedingungen zu erfüllen, soll der Nebenbestandteil so fein wie möglich in der Legierung verteilt sein. Der maximale Prozentsatz des Nebenbestandteils in der Legierung muß gemäß der Erfindung auf einem Wert von höchstens 5 Gewichtsprozent begrenzt bleiben, so daß der Schalter eine ausreichende Spannungsfestigkeit besitzt, also eine Dauerbelastung von 86kV_eff_ 60 Hz und einer Impulsbelastung von 95 kV Scheitelspannung standzuhalten vermag. Der

Prozentsatz des Nebenbestandteils ist dabei so groß, daß er nennenswert über dem Wert liegt, der der maximalen Festkörperlöslichkeit des Nebenbestandteils im Hauptbestandteil entspricht.

Die als letztes genannten Bedingungen sollen an Hand einer Kupfer-Wismut-Legierung erläutert werden. Das Kupfer soll mindestens 0,02 Gewichtsprozent Wismut enthalten, dieser Wert liegt oberhalb der besten verfügbaren Angaben über die maximale Festkörperlöslichkeit von Wismut in Kupfer. Um bezüglich der letztgenannten Bedingung sicher zu gehen, soll vorzugsweise mindestens 0,05% Wismut vorhanden sein.

Beispiele von Legierungen, die den genannten Bedingungen genügen, sind: Kupfer-Wismut, Kupfer-Blei, Kupfer-Tellur, Kupfer-Thallium, Silber-Tellur, Aluminium-Blei, Aluminium-Wismut, Aluminium-Indium und Aluminium-Zinn; der sekundäre oder Nebenbestandteil aller dieser Legierungen ist dabei in einer solchen Menge vorhanden, die ihre Löslichkeit im festen Zustand übersteigt, trotzdem jedoch noch prozentual klein ist, d. h. einige wenige Prozent oder weniger bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung. In der oben aufgeführten Aufzählung ist zuerst der Hauptbestandteil und dann der Nebenbestandteil genannt.

Bei der Herstellung der angegebenen Kontaktwerkstoffe sollen die Bestandteile zuerst vorbehandelt werden, um sorbierte Gase und andere Verunreinigungen zu entfernen, beispielsweise durch Zonenschmelzen. Die beiden Bestandteile werden dann geschmolzen und anschließend im flüssigen Zustand gründlich miteinander gemischt, worauf die Temperatur der Mischung abgesenkt wird, so daß die Bestandteile in einer Weise erstarren, auf die noch näher eingegangen wird. Der Zustand des Materials, den dieses nach dem Erstarren hat, wird im folgenden als »Gußzustand« bezeichnet.

Es wurden metallographische Untersuchungen durchgeführt, um festzustellen, ob zwischen Kontaktwerkstoffen, die hinsichtlich der Spannungsfestigkeit und der Verschweißfestigkeit annehmbar sind und solchen, die diesen Forderungen nicht genügen, strukturelle Unterschiede bestehen. Bei der Untersuchung der Kontaktwerkstoffe im Gußzustand wurde ein offensichtlicher Unterschied gefunden. Dieser Unterschied lag in der Struktur der Begrenzungen zwischen den Körpern des Haupt- oder Primärbestandteils. Bei den brauchbaren Werkstoffen wurden nämlich an den Korngrenzen begrenzte Niederschläge des Neben- oder Sekundärbestandteils gefunden, jedoch typischerweise in Mengen, die nicht ausreichen, um eine dicke kontinuierliche Schicht des Nebenbestandteils längs dieser Korngrenzen zu bilden. Bei manchen ungeeigneten Werkstoffen war im allgemeinen in den Korngrenzen keine nennenswerte Menge des Nebenbestandteils vorhanden. In anderen, besonders hinsichtlich der Spannungsfestigkeit ungeeigneten Werkstoffen war der Nebenbestandteil in den Korngrenzen vorhanden, jedoch im allgemeinen in Form eines dicken durchgehenden Niederschlages im Gegensatz zu den brauchbaren Werkstoffen, bei denen ein solcher dicker durchgehender Niederschlag fehlt. Mit »dicker Niederschlag« ist ein Niederschlag gemeint, dessen Dicke größer ist als etwa 1,27 μιη 12 · IO^-5 cm) Bei den brauchbaren Werkstoffen enthielten die Korngrenzen im allgemeinen einige diskrete Teilchen des Nebenbestandteils, deren Dicke den ange-

gebenen Wert von 1,27 μπι übersteigt, typischerweise besitzen diese Teilchen jedoch ausreichende Abstände voneinander, daß keine durchgehende Schicht längs der Korngrenzen gebildet wird, die dicker ist als 1,27 μπι. Eine im wentlichen durchgehende Schicht, deren Dicke nennenswert unterhalb dem angegebenen Wert liegt, kann bei manchen annehmbaren Werkstoffen längs der Korngrenzen vorhanden sein, diesbezügliche Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß Schichten einer so geringen Dicke» nicht stören.

Die Eigenschaften der Kornstruktur lassen sich am besten an Hand der F i g. 3 bis 8 verstehen, die mit 500f acher Vergrößerung aufgenommene Mikrophotographien der Kornstruktur von Kupfer-Wismut-Kontaktwerkstoffen im Gußzustand zeigen, welche verschiedene Prozentsätze des Nebenbestandteils Wismut enthalten.

Die F i g. 3 bis 5 zeigen Kupfer-Wismut-Legierungen, die zuviel Wismut enthalten. F i g. 3 zeigt beispielsweise die Kornstruktur einer Legierung, die 20% Wismut enthält. Es ist aus Fig.3 ersichtlich, daß die Kupferkörner 50 von relativ dicken Niederschlägen 52 aus Wismut umgeben sind. Diese Wismutniederschläge haben eine typische Dicke von etwa 3,8 bis 5 μπι und umgeben die einzelnen Kömer praktisch kontinuierlich. F i g. 4 und 5 zeigen die Kornstruktur von Kupfer-Wismut-Legierungen, die 15 bzw. 11% Wismut enthalten, auch hier sind praktisch durchgehende, dicke Niederschläge aus Wismut längs der Korngrenzen zwischen den Kupferkristalliten 50 vorhanden. Die Wismutniederschläge sind bei der 11% enthaltenden Legierung dünner, als bei der 15% Wismut enthaltenden Legierung, die mittlere Dicke beträgt jedoch immer noch etwa 3,0 μπι, so daß die Niederschläge gemäß obiger Definition immer noch als dick zu bezeichnen sind. Die in den F i g. 3 bis 5 dargestellten Legierungen genügen zwar den Anforderungen an die Verschweißfestigkeit, nicht jedoch den oben aufgestellten Anforderungen an die Spannungsfestigkeit.

Die F i g. 6, 7 und 8 sind Mikrophotographien mit SOOfacher Vergrößerung von Kupfer-Wismut-Legierungen, die hinsichtlich der oben aufgestellten drei Grundforderungen annehmbar sind. F i g. 6 zeigt eine Kupfer-Wismut-Legierung, die 5% Wismut enthält. In den Grenzen zwischen den Kupferkörnern sind zwar noch verhältnismäßig dicke Wismutpartikeln vorhanden, diese Partikeln sind jedoch genügend weit voneinander getrennt, so daß keine durchgehende dicke Schicht längs nennenswerter Teile der Kornoberflächen gebildet wird. Längs der Korngrenzen ist zwar eine dünne Schicht 52 vorhanden, deren mittlere Dicke aber unter 1,27 μπι (12 · IO^-5 cm) liegt und daher nicht mehr als dicke Schicht per definitionem bezeichnet werden kann. Auch bei der der in Fig. 7 dargestellten Kupfer-Wismut-Legierung, die 1% Wismut enthält, sind noch einige Teilchen 54 beträchtlicher Dicke vorhanden, aber auch diese Teilchen sind einzeln und genügend weit voneinander entfernt, so daß kein durchgehender dicker Niederschlag vorhanden ist. An den Korngrenzen kann jedoch immer noch eine sehr dünne Wismutschicht 56 vorhanden sein. F i g. 8 zeigt eine Kupfer-Wismut-Legierung, die 0,5% Wismut enthält. Auch diese Legierung enthält wie der der F i g. 4 in den Korngrenzen Wismutpartikeln und Spuren einer Wismutschicht 56 längs der Korngrenzen, diese Schicht

ist jedoch offensichtlich wesentlich dünner als daß sie als dicke Schicht bezeichnet werden könnte.

Die Fig. 9 und 10 dienen ebenfalls dazu, die Eigenschaften der Kornstruktur der Kontaktwerkstoffe gemäß der Erfindung zu erläutern. Diese Figuren sind Mikrophotographien einer Kupfer-Blei-Legierung, die 1 Gewichtsprozent Blei enthält. Fi g. 9 zeigt diese Legierung in IOOfacher und Fig. 10 in 500facher Vergrößerung. Aus diesen beiden Figuren ist ersichtlich, daß der Nebenbestandteil Blei in Form diskreter Teilchen 57 an den Korngrenzen niedergeschlagen ist, die Teilchen 57 besitzen dabei einen genügenden Abstand, so daß auch hier längs der Korngrenzen keine durchgehende dicke Schicht vorhanden ist.

Damit gewährleistet ist, daß in den Korngrenzen eine ausreichende Menge des Nebenbestandteils vorhanden ist, soll die bei der Herstellung der Legierung im flüssigen Zustand zum Hauptbestandteil zugesetzte Menge des Nebenbestandteils die Menge nennenswert überschreiten, die der Hauptbestandteil im festen Zustand zu lösen vermag. Wenn dies nicht der Fall wäre, würde keine nennenswerte Menge des Nebenbestandteils zur Bildung eines Niederschlages in den Korngrenzen zur Verfügung stehen, wenn die Mischung beim Abkühlen erstarrt. Es hat sich gezeigt, daß in einem solchen Falle die Verschweißfestigkeit der Kontakte stark beeinträchtigt würde. Der Grund hierfür wird weiter unten noch genauer erläutert werden.

Bei den anfänglichen Untersuchungen wurde festgestellt, daß Kupfer-Wismut-Legierungen, die 20% Wismut enthielten und nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden waren, in Hinsicht auf die Spannungsfestigkeit zu wünschen übrigließen. Die Spannungsfestigkeit eines Schalters, der Kontaktstücke aus einer Kupferlegierung mit 20% Wismut enthielt, lag ganz wesentlich unter der Spannungsfestigkeit eines entsprecchenden Schalters, dessen Kontaktstücke aus reinem Kupfer waren. Die Spannungsfestigkeit eines Schalters mit Kontakten, die 20% Wismut enthielten, lag typischerweise bei etwa 40 bis 50 kV im Gegensatz zu 100 kV bei einem Schalter mit Kontakten aus reinem Kupfer, die in derselben Weise hergestellt waren und unter denselben Bedingugen geprüft wurden. Ursprünglich war angenommen worden, daß diese Verringerung der Spannungsfestigkeit auf der Anwesenheit freien Wismuts in der Legierung beruhe und daß die Spannungsfestigkeit eines solchen Schalters unter gleich- , bleibenden Prüfbedingungen so lange denselben unannehmbar niedrigen Wert behalten würden, solange überhaupt freies Wismut vorhanden ist. Es war daher höchst überraschend, als gefunden wurde, daß kritische kleine Prozentsätze an Wismut, d. h. unter j etwa 5 Gewichtsprozent, obwohl sie in reiner Form in der Legierung vorhanden waren, keine nennenswerte Herabsetzung der Spannungsfestigkeit im Vergleich zu Kontaktstücken aus reinem Kupfer ergaben. Es ist immer noch nicht ganz klar, warum bestimmte ( kleine Mengen eines Nebenbestandteils die Spannungsfestigkeit nicht beeinträchtigen, anscheinend spielt jedoch die Art des Niederschlages des Nebenbestandteils in den Korngrenzen in dieser Hinsicht eine wichtige Rolle. Wenn dieser Niederschlag eine < dicke durchgehende Schicht bildet, wie sie die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Legierungen zeigen, können anscheinend gewisse Mengen des Nebenbestand-

teils zur Oberfläche des Kontaktstückes gelangen und dort kleine Perlen bilden, die nur schwach an die Oberfläche gebunden sind. Die Anwesenheit solcher nur schwach gebundenen Perlen an der Oberfläche kann einen Spannungsdurchschlag auslösen. Es kann Wochen oder sogar Monate dauern, bis sich solche kleinen, schwach gebundenen Perlen auf der Oberfläche bilden, aber auch in einem solchen Falle kann normalerweise eine Herabsetzung der Spannungsfestigkeit des Schalters nicht zugelassen werden. Wenn jedoch der Niederschlag des Nebenbestandteils in den Korngrenzen keine durchgehende dicke Schicht bildet, wie bei den Fig. 6 bis 8, wird der Nebenbestandteil anscheinend fester in den Korngrenzen gehalten. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit eines Spannungsdurchschlages infolge von schwach gebundenen Perlen an den Kontaktflächen verringert.

Damit die Werkstoffe der Erfindung den gestellten Anforderungen genügen, insbesondere hinsichtlich der Spannungsfestigkeit und der Verschweißfestigkeit, ist es wichtig, daß der Nebenbestandteil der einzelnen Kontaktwerkstoffe gut im Kontaktwerkstoff dispergiert sind, so daß keine Bereiche vorhanden sind, die übermäßig wenig oder übermäßig viel Nebenbestandteil enthalten. Solche örtlichen Bereiche mit abweichender Konzentration sollen deshalb vermieden werden, da ein zu großer Prozentsatz des Nebenbestandteils die Spannungsfestigkeit herabsetzt, wie oben ausgeführt wurde, während ein zu geringer Anteil an dem Nebenbestandteil unzulässig feste Schweißstellen ergibt, wie weiter unten noch erläutert wird.

Die Forderung nach einer weitgehenden Dispersion ist der Grund dafür, daß der Nebenbestandteil in der flüssigen Phase des Hauptbestandteils löslich sein soll. Dies ist am leichtesten einzusehen, wenn man daran denkt, daß die Kontaktwerkstoffe durch Mischung der hochgereinigten Bestandteile in deren flüssigem Zustand erfolgt und daß dann die Temperatur der Mischung abgesenkt wird, bis die Bestandteile erstarrt sind. Wenn sich die Bestandteile nicht schon im flüssigen Zustand gleichförmig ineinander verteilen, wird auch der Nebenbestandteil nach dem Erstarren der Mischung nur unzureichend dispergiert sein. Es wurde gefunden, daß eine gewisse Löslichkeit der Bestandteile ineinander in der flüssigen Phase notwendig ist, um eine verhältnismäßig gleichförmige Mischung zwischen den Bestandteilen zu gewährleisten und damit einen hohen Dispersionsgrad. Die Untersuchungen in dieser Hinsicht ergaben, daß die Löslichkeit des Nebenbestandteils im Hauptbestandteil in der flüssigen Phase mindestens ein Gewichtsprozent der Gesamtmischung betragen soll, um eine ausreichend gleichförmige Mischung zu gewährleisten.

Wenn die Temperatur der Mischung während des Abkühlens sinkt, erstarrt der Hauptbestandteil wegen seines höheren Erstarrungspunktes zuerst, so daß der Nebenbestandteil immer noch flüssig ist, während sich die Kornstruktur des Hauptbestandteils ausbildet. Wenn die einzelnen Körner des Hauptbestandteils während des Erstarrungsvorganges um ihre entsprechenden Kristallisationskerne wachsen, wird die

J5 Hauptmenge des noch flüssigen Nebenbestandteils in die äußeren Umfangsbereiche der wachsenden Körner verdrängt. Wenn das ganze Korn des Hauptbestandteils zu seiner endgültigen Form erstarrt ist,

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befindet sich der Nebenbestandteil immer noch im flüssigen Zustand außen am Korn und schlägt sich daher an den Grenzen zwischen den benachbarten Körnern nieder, wenn er im Verlauf der weiteren Abkühlung erstarrt. In praktisch allen Grenzen zwischen benachbarten Körnern des Hauptbestandteils werden daher endliche Mengen des Nebenbestandteils vorhanden sein, wodurch sich eine weitgehende Dispersion des Nebenbestandteils im Kontaktwerkstoff ergibt, wie es erwünscht ist.

Wie erwähnt, wird durch die weitgehende Dispersion verhindert, daß Bereiche entstehen, die einen zu geringen Prozentsatz des Nebenbestandteils enthalten. Daß eine solche weitgehende Dispersion hinsichtlich der Verschweißungsfestigkeit erwünscht ist, läßt sich bei Betrachtung des Mechanismus erkennen, der nach derzeitiger Ansicht für die Bildung von Schweißstellen zwischen den Kontaktstücken verantwortlich ist. Dieser Mechanismus soll an Hand von Schweißstellen erläutert werden, die sich am störendsten erwiesen haben, d. h. Schweißstellen, die beim Schließen des Schalters unter starker Strombelastung entstehen. Beim Schließen der Kontaktstücke prallen diese nämlich häufig infolge der auf das bewegliche Kontaktstück einwirkenden Schließkraft und der federnden Nachgiebigkeit der die Kontakte tragenden Anordnung nach der ersten Berührung nochmals ein kurzes Stück auseinander, bevor sie sich erneut aneinander anlegen. Beim Prellen der Kontakte bildet sich ein Lichtbogen, durch den gegenüberliegende Bereiche der Kontakte geschmolzen werden, so daß beim erneuten Schließen der Kontakte an der Berührungsfläche eine geschmolzene Schicht vorhanden ist. Wenn der Bogen beim erneuten Schließen der Kontakte erlischt, fällt die in der Berührungsfläche entwickelte Energie plötzlich ab und die geschmolzene Schicht an der Berührungsfläche beginnt daher sofort zu erstarren. Hierdurch bildet sich eine Schweißstelle zwischen denbeidenKontaktstücken. Je höher derBogenstrom war, um so größer ist die von der geschmolzenen Schicht bedeckte Fläche und um so fester ist normalerweise die gebildete Verschweißung. Der Abkühlungsvorgang, der abläuft, wenn der Bogen bei der erneuten Berührung der Kontakte verschwindet, ist in hohem Maße gerichtet, da eine dünne geschmolzene Schicht auf einer verhältnismäßig kalten kompakten Masse schwimmt. Die Erstarrung schreitet daher von der Grenzfläche zwischen dem festen Körper und der Flüssigkeit in Richtung auf eine Ebene fort, die in der Mitte der Flüssigkeitsschicht quer zu den Kontaktstücken verläuft. Der Erstarrungsvorgang verläuft schnell und ist vermutlich nach IOms beendet. Diese schnelle gerichtete Erstarrung hat zur Folge, daß die Kornstruktur in der erstarrten Schicht säulenförmig ist und daß sich die beiden Bestandteile des Kontaktwerkstoffes trennen, da sie verschiedene Erstarrungstemperaturen besitzen. Da der Hauptbestandteil eine höhere Erstarrungstemperatur hat, erstarrt er zuerst und dückt den noch geschmolzenen Nebenbestandteil in Richtung auf den heißesten Bereich in der Mitte der Schweißzone. Der zuletzt erstarrende Bereich ist also reich an dem Nebenbestandteil, der in einer Ebene längs der Grenzfläche zwischen den beiden Kontaktstücken erstarrt.

Metallographische Untersuchungen des Grenzschicht- oder Berührungsflächenbereiches haben ergeben, daß bei den Kontaktwerkstoffen gemäß der

Erfindung eine deutliche Grenze vorhanden ist, die irr wesentlichen längs einer einzigen Ebene quer zur Bewegungsrichtung der Kontakte verläuft. In dieser im wesentlichen ebenen Grenze sind kleine Partikeln des Nebenbestandteils vorhanden. Da die Grenzfläche eben ist und sich in dieser Ebene Partikeln des Nebenbestandteils befinden, hat die Verschweißung längs dieser Ebene eine schwache Stelle, die leicht getrennt werden kann, wenn die Kontakte bei einem ίο nachfolgenden öffnen des Schalters getrennt werden sollen. Diese Verbindungsstelle ist außerdem schwächer als der Rest beider Kontaktstücke, und bei der Trennung der Kontakte entsteht daher ein längs dieser Grenzfläche verlaufender sauberer Bruch, ohne daß in nennenswertem Umfang größere Teilchen aus der Masse des Kontaktwerkstoffes herausgerissen werden.

Fig. 11 zeigt zur Erläuterung der Natur dieser Grenzfläche eine Mikrophotographie mit 750facher ao Vergrößerung. Die Mikrophotographie zeigt eine Querschnittsansicht, die im wesentlichen senkrecht zu der Grenzfläche verläuft. Es ist nur das eine Kontaktstück dargestellt, das zuerst unter hoher Strombelastung in Berührung mit dem entsprechenden Gegenkontakt gebracht worden war, so daß eine Verschweißung entstand, worauf es dann von dem Gegenkontakt stromlos abgehoben wurde, um die Verschweißung zu trennen. Der Querschnitt verläuft durch die gebrochene Verschweißung. Der Kontaktwerkstoff ist eine Kupfer-Wismut-Legierung, die 5 Gewichtsprozent Wismut enthält. Längs der klar erkennbaren Grenzfläche 60 befinden sich Wismutteilchen 61. Die säulenförmige Kornstruktur ist im Bereich 62 zu erkennen, zwischen den säulenförmigen Körnern befinden sich Wismutpartikeln 63. Beim Trennen der Schweißstelle wurde unabsichtlich ein kleines Teilchen 64 aus dem Gegenkontakt herausgerissen. Dieses Teilchen 64 hätte zwar im Idealfall am Gegenkontakt verbleiben sollen, es ist jedoch so klein, daß es den sonst sauberen Bruch der Schweißstelle nicht nennenswert verschlechtert. Es steht nämlich aus der sonst annähernd ebenen Fläche 60 nur etwa 18 μπι heraus. Die Wismutteilchen längs der Fläche 60 unterhalb dieses Teilchens 64 sind in Fig. 11 besonders klar zu erkennen.

Um zu gewährleisten, daß eine genügende Menge des Nebenbestandteils längs der Verbindungsebene zwischen den beiden Kontaktstücken vorhanden ist, ist es wichtig, daß der Nebenbestandteil so weitgehend wie möglich im Kontaktwerkstoff dispergiert ist, so daß er für eine Verdrängung in eine Zwischenfläche überall dort zur Verfügung steht, wo eine Verschweißung eintreten kann. Wenn keine nennenswerte Menge des Nebenbestandteils im Bereich der Verschweißung vorhanden ist, tritt die erwünschte Schwächung der Schweißverbindung nicht ein. Eine hochgradige Dispersion des Nebenbestandteils ist also erforderlich, um die gewünschte Sicherheit gegen eine Bildung von störenden Versohweißungen zu gewährleisten.

Ob nennenswerte Mengen des Nebenbestandteils in der Zwischenfläche der VersChweißung für die gewünschte Schwächung zur Verfügung stehen, hängt noch von einer Anzahl anderer Faktoren maßgeblich ab. Einer dieser Faktoren ist der niedrige Erstarrungspunkt des Nebenbestandteils im Vergleich zum Erstarrungspunkt des Hauptbestandteils. Infolge des niedrigen Erstarrungspunktes kann der Neben--

bestandteil im geschmolzenen Zustand verbleiben, während der Hauptbestandteil erstarrt, so daß beim Erstarrungsvorgang der Nebenbestandteil in die Grenzfläche zwischen den beiden Kontaktstücken gedrückt wird, während die säulenförmigen Kristallite in Richtung auf die Grenzfläche wachsen. Würde der Nebenbestandteil zwar die oben gestellten Forderungen erfüllen mit der Ausnähme, daß er einen höheren Erstarrungspunkt hat als der Hauptbestandteil, so würde der Nebenbestandteil zuerst erstarren, und nur das den Hauptbestandteil bildende Material würde in die Grenzfläche gedrückt, wenn die säulenförmigen Körner in Richtung auf diese Grenzfläche wachsen. Dies würde in einer Verschweißung resultieren, die in der Berührungsfläche der Kontaktstücke verhältnismäßig stark ist, während schwächere Bereiche an Stellen auftreten, die einen gewissen Abstand von der Grenzfläche haben, da sich dort dann nennenswerte Mengen des Nebenbestandteils befinden würden. Die Verschweißung könnte dann an der Grenzfläche nur schwer zerbrochen werden, und es würden Brüche längs einer unregelmäßigen zackigen Fläche auftreten, die in einem gewissen Abstand von der zwischen den beiden Kontakten liegenden Grenzfläche verläuft, wenn die Verschweißung schließlich bricht.

Ein weiterer Faktor, der dazu beiträgt, daß sich der Nebenbestandteil in der Berührungsfläche zwischen den Kontakten absetzt, ist die sehr kleine Löslichkeit des Nebenbestandteils in der festen Phase des Hauptbestandteils. Durch diese sehr geringe Löslichkeit in Verbindung mit dem niedrigeren Erstarrungspunkt des Nebenbestandteils bleibt dieser vom Hauptbestandteil getrennt, während letzterer in Richtung auf die Mitte der Verschweißung erstarrt. Der freie Nebenbestandteil kann dadurch in die Grenzfläche gedrückt werden und steht dort für eine Schwächung der Verschweißung zur Verfügung. Wenn der Nebenbestandteil in der festen Phase des Hauptbestandteils in beträchtlicher Menge löslich wäre, würde die an der Grenzfläche zur Verfügung stehende Menge des Nebenbestandteils stark verringert werden oder sogar ganz fehlen, und das Ergebnis wäre eine relativ starke Bindung quer zur Grenzfläche. Man betrachte beispielsweise Kupfer-Zinn-Legierungen und Kupfer-Zink-Legierungen, also Bronze und Messing, sowie Kupfer-Silicium-Legierungen, die alle durch eine hohe Fesfkörperlöslichkeit der Bestandteile gekennzeichnet sind. Bei solchen Legierungen hat es sich herausgestellt, daß die Verbindung an der Grenzfläche stärker ist als der übrige Kontaktwerkstoff, und daß sich starke Verschweißungen zwischen den Kontakten bilden. Hierdurch sind nicht nur übermäßige Kräfte zur Trennung der Verschweißungen erforderlich, sondern es ergeben sich beim schließlichen Zerbrechen auch sehr zackige Bruchstellen, da große Teilchen auf den Gegenkontakten herausgerissen werden.

Bei manchen brauchbaren Legierungen bilden die zur Herstellung verwendeten Elemente zwischenmetallische Verbindungen miteinander, obgleich der Nebenbestandteil im Hauptbestandteil nur eine geringe oder verschwindende Löslichkeit zeigt. Wenn intermetallische Verbindungen zwischen den in Betracht kommenden Elementen existieren, bildet die intermetallische Verbindung und der Hauptbestandteil in typischen Fällen ein Eutektikum, dessen Erstarrungspunkt unter dem des Hauptbestandteils

liegt. Für die Erfindung kann die intermetallische Verbindung als der Nebenbestandteil und der Erstarrungspunkt der eutektischen Mischung als der effektive Erstarrungspunkt des Nebenbestandteils angesehen werden. Bei einer Legierung aus 99 Gewichtsprozent Kupfer und 1 Gewichtsprozent Tellur bildet sich beispielsweise die zwischenmetallische Verbindung Cu₂Te und erscheint im Großzustand der Legierung in den Korngrenzen. Cu₂Te hat einen Erstarrungspunkt von 1125° C, das aus der zwischenmetallischen Verbindung mit Kupfer gebildete Eutektikum hat jedoch einen Erstarrungspunkt von nur 1051° C Die letztgenannte Temperatur liegt unterhalb dem Erstarrungspunkt des reinen Kupfers, der 1083° C beträgt. Der effektive Erstarrungspunkt des Nebenbestandteils Cu₂Te liegt also unter dem des Hauptbestandteils Kupfer.

Ein anderer Faktor, der in die Verschweißfestigkeit der Kontakte eingeht, ist die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktwerkstoffes. Im allgemeinen ist eine gute elektrische Leitfähigkeit erwünscht, um Verschweißungen weitgehend zu verhindern. Um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, soll der Hauptbestandteil ein guter elektrischer Leiter sein, und die Löslichkeit des Nebenbestandteils im Hauptbestandteil soll klein sein. Infolge dieser niedrigen Löslichkeit bleibt die gute Leitfähigkeit des Hauptbestandteils trotz der Anwesenheit des Nebenbestandteils erhalten. Wenn die Löslichkeit größere Werte annimmt, wird die Leitfähigkeit des Hauptbestandteils im allgemeinen stark herabgesetzt, die Zugabe von Zinn zu Kupfer verringert beispielsweise die Leitfähigkeit des reinen Kupfers stark.

Der Hauptbestandteil darf deshalb kein hochwarmfestes Metall sein, da hochwarmfeste Metalle eine verhältnismäßig schlechte Unterbrecliungsfähigkeit haben. Wenn man nämlich höhere Ströme als einige tausend Ampere mit Kontakten aus einem hochwarmfesten Metall zu unterbrechen versucht, emittiert das hochwarmfeste Metall bei den den Bogen begleitenden Temperaturen thermisch nach einem Nulldurchgang des Stromes. Eine solche thermische Emission beeinträchtigt die Fähigkeit des Vakuums stark, nach einem Nulldurchgang des Stromes seine Isolierfestigkeit wiederzugewinnen. Schalter mit Kontakten aus hochwarmfesten Metallen eignen sich daher z. B. nicht für eine zuverlässige Unterbrechung von mehreren tausend Ampere bei 13,8 kV. Aus diesem Grunde sollen also hochwarmfeste Metalle, wie Wolfram oder Molybdän, und ihre Legierungen bei der Erfindung ausgeschlossen werden.

Im Gegensatz zu der begrenzten Unterbrechungsfähigkeit bei Verwendung von Kontakten aus hochwarmfesten Metallen ist es mit Kontaktstücken 17, 18, deren Bereiche 30 aus den durch die Erfindung angegebenen Werkstoffen bestehen, möglich, zuverlässig wesentlich höhere Ströme zu unterbrechen. Wenn die Bereiche 30 der Kontaktstücke 17, 18 beispielsweise aus Kupfer bestehen, dem 1 Gewichtete prozent Wismut zulegiert ist, können 15,4kA_ef{ bei 15,5 kV unterbrochen werden. Um noch ein Beispiel zu geben, ist es möglich, mit Kontaktstücken 17, 18, deren Bereiche 30 aus Kupfer mit 1 Gewichtsprozent Blei bestehen, 16,3kA_eff. bei 15,5 kV abzuschalten. Die Kontaktstücke 17, 18 können ganz aus den Kontaktwerkstoffen gemäß der Erfindung bestehen, selbstverständlich reicht es im allgemeinen auch aus, wenn nur die beim Schließen und Öffnen des Strom-

Claims (5)

kreises wirksam werdenden Bereiche 30 aus diesen Werkstoffen gemacht werden. Der Rest der einzelnen Kontakte kann aus einem anderen Werkstoff bestehen, der sich zum Unterbrechen hoher Ströme eignet und eine gute Spannungsfestigkeit hat, beispielsweise reinem Kupfer. Auf derart aufgebaute Kontakte bezieht sich der vorangehende Absatz. Die Erfindung ist auch nicht darauf beschränkt, daß für die Bereiche 30 beider Kontaktstücke dieselben Werkstoffe verwendet werden. So muß beispielsweise im Grunde nur eines der Kontaktstücke mit einem aktiven Bereich 30 aus den speziellen Werkstoffen gemäß der Erfindung versehen sein. Der aktive Bereich 30 des anderen Kontaktes kann aus einem anderen Werkstoff bestehen, vorausgesetzt, daß dieser andere Werkstoff als Hauptbestandteil ein Metall enthält, in dem der Nebenbestandteil des ersten Kontaktes eine geringere Löslichkeit als 1 Gewichtsprozent hat. Einer der Kontakte kann beispielsweise aus Kupfer bestehen, dem einige wenige Prozent Wismut oder Blei zulegiert sind, und der andere Kontakt aus reinem Kupfer. Einer der Kontakte kann auch beispielsweise aus Kupfer mit einigen wenigen Prozent Wismut und der andere Kontakt aus Kupfer mit einigen wenigen Prozent Blei bestehen. Wenn für die zusammenwirkenden Kontaktstücke verschiedene Werkstoffe verwendet werden, trägt eine niedrige Festkörperlöslichkeit zwischen dem Hauptbestandteil des einen Kontaktstückes und dem Nebenbestandteil des anderen Kontaktstückes dazu bei, störende Kontaktverschweißungen zu verhindern, da nach dem Schließen der beiden Kontakte eine schwache Zwischenschicht gebildet wird. Damit der Schalter beim Ausheizen genügend hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, sollen die Kontaktwerkstoffe einen effektiven Dampfdruck besitzen, der genügend niedrig ist, damit bei den zum Ausheizen erforderlichen hohen Temperaturen keine übermäßige Verdampfung des Kontaktmaterials eintritt. Die Verdampfung ist als übermäßig zu bezeichnen, wenn die isolierenden Flächen des Schalters durch Metallschichten beeinträchtigt werden, die durch Metalldampfniederschläge entstehen. Der Begriff »Metall«, der in Verbindung mit den Kontaktwerkstoffen gemäß der Erfindung gebraucht wurde, ist nicht auf metallische Elemente beschränkt, sondern soll auch Legierungen und intermetallische Verbindungen umfassen. Der Begriff »Legierung« soll sowohl Mischungen als auch feste Lösungen einschließen. Patentansprüche:

1. Vakuumschalter für Wechselspannung mit zwei trennbaren Kontaktstücken, die weitgehend frei von sorbierten Gasen und oberflächlichen Verunreinigungen sind und deren Kontaktfläche mindestens bei einem Kontaktstück aus einer Le-

gierung besteht, die einen nicht hochwarmfesten metallischen Hauptbestandteil mit einem Kochpunkt unter 3500° K und einen nicht hochwarmfesten metallischen Nebenbestandteil enthält, der eine niedrigere effektive Erstarrungstemperatur als der Hauptbestandteil aufweist, der ferner in der flüssigen Phase des Hauptbestandteils nennenswert in der festen Phase des Hauptbestandteils, wenn überhaupt, nur wenig löslich ist, und der in der Legierung in einem größeren Anteil vorhanden ist, als der Hauptbestandteil im festen Zustand zu lösen vermag, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Nennspannung des Schalters von mindestens 7,2 kV der Anteil des Nebenbestandteils in der Legierung höchstens 5 Gewichtsprozent beträgt und daß der Nebenbestandteil in der Legierung weitestgehend dispergiert ist.

2. Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwerkstoff eine Kornstruktur hat, bei der in den Grenzen zwischen nebeneinanderliegenden Körnern des Hauptbestandteils Niederschläge des Nebenbestandteils vofhanden sind, wobei die Menge des Nebenbestandteils so klein ist, daß normalerweise in den Korngrenzen Teilchen des Nebenbestandteils vorhanden sind, die dicker sind als 12,7 · IO^-5 cm und ausreichende Abstände voneinander besitzen, so daß kein durchgehender dicker Niederschlag gebildet wird, dessen Stärke 12,7 · IO^-5 cm übersteigt.

3. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Schließen und öffnen eines Stromkreises wirksamen Bereiche der Kontaktstücke aus einer Legierung aus Kupfer und Tellur, Kupfer und Wismut, Kupfer und Blei, Kupfer und Thallium, Silber und Tellur, Aluminium und Blei, Aluminium und Wismut, Aluminium und Indium oder Aluminium und Zinn bestehen.

4. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Schließen und Öffnen eines Stromkreises wirksamen Bereiche der Kontaktstücke im wesentlichen aus einer Kupfer-Tellur-Legierung bestehen, in der das Tellur im Kupfer in Form einer zwischenmetallischen Verbindung feinst verteilt ist.

5. Vakuumschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim öffnen und Schließen eines Stromkreises wirksamen Bereiche der Kontaktstücke im wesentlichen aus einer Silber-Tellur-Legierung bestehen, in der das Tellur im Silber in Form einer zwischenmetallischen Verbindung feinst verteilt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 074 120.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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