DE1483706B2 - Mehrschichten-Verbundmetall, insbesondere für hochbelastbare elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

An elektrische Kontakte für Hochspannungs- und Hochleistungsschalter werden die Forderungen gestellt, eine hohe Abbrandfestigkeit gegen Schaltlichtbögen wenigstens einer Schicht an der Kontaktoberfläche, ferner hohe Sicherheit gegen Ablösen des Kontaktwerkstoffes vom Trägermetall sowie rationelle Fertigung und damit wirtschaftliche Herstellung hochwertiger Sonderkontakte zu erzielen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Mehrschichten-Verbundmetall, insbesondere für hochbelastbare elektrische Kontakte, das als Fertigformkontaktkörper komplizierter Gestalt, ζ. B. für die Armierung des Schaltstiftes, als Spitze der Schalttulpe, als Ringformteil oder für die Lamellcnarmierung als Einlagcformteil od. dgl. hergestellt ist und bei dem die vorgenannten Forderungen hinsichtlich erhöhter Schaltbeanspruchung, Sicherheit sowie Lebensdauer erfüllt sind, ferner sind Gegenstand der Erfindung Verfahren zur Herstellung des erwähnten Verbundmetalls.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Mehrschichten-Verbundmetall der erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch, daß gepreßte, gesinterte und getränkte Metallpulverschichten, die spätestens nach der Tränkung verschieden zusammengesetzt sind, im wesentlichen äquidistant zur Arbeitsfläche ineinander übergehen.

Durchdringungsverbundmetalle sind zwar an sich bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, das alle miteinander durch Pressen verbundenen Schichten durch die abschließende Tränkung noch besser miteinander in Verbindung stehen.

Beim erfindungsgemäßen Aufbau des Durchdringungsverbundmetalls aus kontinuierlich ineinander übergehenden Schichten wird dabei jedoch zusätzlich von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, daß es möglich ist, durch die Zusammensetzung der zu verpressenden Pulvermischung und die Preß- und Sinterbedingungen dem Sintergerüst eine hohe Festigkeit ohne nennenswerten Sinterschrumpf, vorzugsweise bei guter Benetzbarkeit, derart zu geben, daß der Anteil an Tränkmetall, ζ. B. Silber, Kupfer oder eine Silber- oder Kupferlegierung, im Tauch-, Unterlagetränk- oder Auflagetränk-Verfahren in die Poren des Sintergerüstes eindringend, in Preßrichtung kontinuierlich ansteigt. Es ergibt sich hierdurch eine kontinuierliche Eigenschaftsänderung beispielsweise für einen Wolframkontakt, derart, daß die äußere Kontaktschicht einen höheren Gehalt an Wolfram und deshalb die größere Härte und größte Abbrandfestigkeit aufweist, dagegen die Seite, auf der das Kontaktmaterial mit dem Trägermetall hartgelötet oder geschweißt wird, mit dem höchsten Gehalt an Tränkmetall die z. B. größte Wärmeleit- und Lötfähigkeit hat, während zwischen den beiden extremen Schichten ein fließender Übergang der Eigenschaften auftritt.

Es können auf diese Weise nicht nur Durchdringungsverbundmetalle mit Wolfram, sondern auch mit Molybdän oder Rhenium als Hauptbestandteil hergestellt werden.

Durchdringungsverbundmetalle mit kontinuierlich ineinander übergehenden Schichten haben gegenüber bekannten Verbundmetallen den Vorteil der rationelleren Fertigung, da kein so hoher Preß- und Nachpreßdruck erforderlich ist und außerdem sich die erforderlichen Konzentrationsunterschiede im Metallkörper bereits mit einer Pulvermischung der gleichen Zusammensetzung mit dem Tränken nach mehrschichtigem Verpressen erzielen lassen. Die sich kontinuierlich ändernde Zusammensetzung innerhalb des Metallkörpers bewirkt einen guten Zusammenhalt der einzelnen Schichten bei elektrischer, mechanischer und/oder thermischer Beanspruchung. Durch die äquidistanten Schichten werden die zur Verfügung stehenden Verzahnungsflächen zwischen den einzelnen Kontaktschichten und damit der Zusammenhalt noch weiter vergrößert.

ίο Zur Herstellung derart aufgebauter Kontakte wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Schichten durch mehrschichtiges Pressen einer Pulvermischung verschiedener bzw. gleicher Zusammensetzung mit gleichen oder verschiedenen Preßdrücken verdichtet werden, wobei im letzteren Falle die äußerste Schicht mit dem höchsten und die innerste mit dem niedrigsten Preßdruck verdichtet wird. Wenn für die kontinuierlich ineinander übergehenden äquidistanten Schichten ein stärkeres Konzentrationsgefälle und damit eine stärkere Eigenschaftsänderung über einer Raumkoordinate erforderlich ist, ist es besonders vorteilhaft, die Schichten durch mehrschichtiges Pressen von Metallpulvern verschiedener Zusammensetzung zu einem Preßkörper zu verdichten. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden die gepreßten Oberflächen vor Eingabe der nächsten aufzupressenden Pulverschicht aufgelockert. Das kann z. B. mittels einer Drahtbürste od. dgl. geschehen, wodurch neben einer guten mechanischen Verzahnung zwischen den einzelnen Schichten auch der kontinuierliche Übergang verbessert wird.

An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Erläuterung der erfindungsgemäßen Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben.

Fig. la bis 1 d zeigen einzelne Phasen des Preßvorganges für einen erfindungsgemäß aufgebauten Armierungsschaltstift in vereinfachten Schnittbildern; F i g. 2 a bis 2 c zeigen von der Form des oberen Preßstempels abhängige Formen der obersten Preßschicht, welche auf der von der Kontaktoberfläche abgelegenen Seite liegt;

F i g. 3 zeigt einen Kontakt mit Abbrennring in entsprechender Darstellungsweise und

Fig. 4 einen Schaltstift mit durch Hintergießen gewonnener unterer Kontaktschicht 15.

Gemäß Fig. 1 wird in die zylindrische Höhlung der Matrize 1, in der sich der Unterstempel 2 befindet, Metallpulver 3 gefüllt und mit einem Stempel 4 verdichtet. Fig. la zeigt die Matrize in Preßstellung der ersten Pulverschicht. Nach Ausfahren des Preßstempels 4 wird auf die erste Preßschicht Pulver gefüllt, wovor die Oberfläche der Preßschicht angerauht oder aufgelockert werden kann. Die Pulverschicht wird durch den Prcßstempel 6 zur zweiten Preßschicht 5 verdichtet (F i g. 1 b). In der gleichen Weise können der Füll- und Preßgang wiederholt und weitere Pulverpreßschichten erzeugt werden (Fig. 1 c, Schicht 7). Die letzte Pulverschicht kann mit einem ebenen Preßstempel (10 in Fig. Id) oder mit einem profilierten Stempel verdichtet werden, so daß die in Fig. 1 a bis Ic gezeigten mehrschichtigen Kontaktteile entstehen.

Die Mehrschichtenpreßteile werden gesintert, so daß die Preßkörper eine hohe Festigkeit erhalten: der Sinterschrumpf wird dabei so eingestellt, daß er zwischen 0,5 und etwa 5 % liegt. Das poröse Sintergerüst

wird in bekannter Weise mit einem Metall, z. B. Kupfer, Silber, oder einer Kupfer- oder Silberlegierung getränkt.

In F i g. 3 ist ein anderer Kontakt gezeigt, bei dem der Abbrennring aus vier äquidistanten Schichten zur Abbrennoberfläche (Schichten 11 bis 14) besteht. Das für die verschiedenen Schichten verwendete Metallpulver kann die gleiche Zusammensetzung haben, wobei der Preßdruck für jede weitere Schicht herabgesetzt wird. Bei Verwendung verschieden zusammengesetzter Metallpulver für die einzelnen Schichten können die letzteren auch mit dem gleichen Preßdruck verdichtet werden. Als abbrandfeste Kontaktmaterialien kommen die an sich bekannten Systeme W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag, W—Mo—Cu, W—Mo—Ag, Re—Cu und Re—Ag zur Anwendung. In diesen Systemen kann das Kupfer oder das Silber durch eine Kupfer-Silber-Legierung ersetzt sein, und es kann noch ein weiteres Metall, wie insbesondere Nickel, Eisen, Kobalt oder Chrom, zugesetzt sein. Die Zusammensetzung der obersten Kontaktschicht wird dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt. Die maximale Abbrandfestigkeit liegt bei Lichtbogenbeanspruchung zwischen 50 und 80 Gewichtsprozent W, Mo oder Re. Die auf die oberste Schicht folgenden Schichten sind im W-, Mo- oder Re-Gehalt gegenüber der obersten Schicht herabgesetzt. Die unterste Schicht hat den kleinsten Gehalt an W, Mo und Re. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der Mehrschichtenkontakt auch beim Tränken mit Cu oder Ag hintergossen werden (15 in Fig. 4). Die Tränkung erfolgt zweckmäßigerweise in einer Graphit- oder Keramikform, wobei das Tränkmetall auf oder unter den Sinterkörper gelegt wird.

Wie es insbesondere aus den Fig. la bis Id hervorgeht, sind die auf die äußerste Schicht 3 bzw. ihre Grenzfläche folgenden Schichten 5, 7, 9 bzw. ihre Grenzflächen im Sinne einer zunehmenden Abflachung, gegenseitigen Anschmiegung der Schichten und Abrundung von Schichtenecken geformt. Dementsprechend werden mehrere, der Oberflächenform der einzelnen Preßschichten angepaßte Preßstempel 4, 6, 8 verwendet, die mit dem einen Unterstempel 2 die Pressung der einzelnen Schichten bewirken. Durch eine derartige Form der Schichten kann der Zusammenhalt in ihrem Rand- und/oder Mittelbereich noch verbessert werden.

Außerdem sind dadurch differenziertere Eigenschaftsänderungen der Kontaktschichten erzielbar, als sie durch eine reine Äquidistanz der Schichten möglieh wären.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Mehrschichten-Verbundmetall, insbesondere für hochbelastbare elektrische Kontakte, dadurch gekennzeichnet, daß gepreßte, gesinterte und getränkte Metallpulverschichten, die spätestens nach der Tränkung verschieden zusammengesetzt sind, im wesentlichen äquidistant zur Arbeitsfläche ineinander übergehen.

2. Mehrschichten-Verbundmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermaterial aus Wolfram—Kupfer, Wolfram— Silber, Molybdän—Kupfer, Molybdän—Silber, Wolfram—Molybdän—Kupfer, Wolfram—Molybdän—Silber, Rhenium—Kupfer oder Rhenium—Silber, gegebenenfalls unter Zusatz eines weiteren Metalls, insbesondere Nickel, Eisen, Kobalt oder Chrom, besteht.

3. Mehrschichten-Verbundmetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tränkmetall Kupfer, Silber oder eine Legierung der beiden Metalle ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetalls nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpulver in mehreren Schichten zu einem Preßkörper verdichtet und anschließend in an sich bekannter Weise der Preßkörper gesintert und der Sinterkörper getränkt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetalls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Pressen von Metallpulver verschiedener Zusammensetzung zu einem Preßkörper verdichtet werden, wobei der Preßdruck für jede weitere auf die äußerste Schicht folgende Schicht gleichbleibt oder herabgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Pressen von Metallpulver gleicher Zusammensetzung mit verschiedenen Preßdrücken verdichtet werden, wobei die äußerste Schicht mit den höchsten und die letzte Schicht mit dem niedrigsten Preßdruck verdichtet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gepreßten Oberflächen vor Eingabe der nächsten aufzupressenden Pulverschicht aufgelockert werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Oberflächenform der einzelnen Preßschichten angepaßte Preßstempel (Unter- und Oberstempel) verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen