DE1558543B1 - Verwendung einer kontaktlegierung fuer vakuumschalter - Google Patents

Description

Stromkreis fließenden Strom durch öffnen der Kon- io bekannter Bauart, nicht aber — wie die Erfindung — takte in einem innerhalb des Unterbrechers aufrecht- auf einen Sonderfall von Schaltern, nämlich Vakuumerhaltenen Hochvakuum zu unterbrechen. Es ist be- schalter. Nachdem das beschriebene Hackstromphänokannt, daß man elektrische Kontakte zur Verwendung men nur bei Vakuumschaltern auftritt und nicht bei in Vakuumschaltern aus Kupfer herstellt und diese anderen Typen von Unterbrechern, besteht zwischen Kupferkontakte die Fähigkeit besitzen, Wechselstrom 15 dem Gegenstand der schweizerischen Patentschrift hoher Stromstärke zu unterbrechen. Es ist jedoch 376 670 und demjenigen der vorliegenden Erfindung ebenfalls bekannt, daß diese Kupferkontakte beim keine Beziehung.

Vorliegen hoher Stromstärken, welche von den im Ausgedehnte Versuche wurden im Hinblick auf das

damit verbundenen Stromkreis nach dem Unter- sogenannte Hackstromphänomen mit Kupfer-Legiebrechen induzierten abnorm hohen Spannungen her- 20 rungen, welche in wechselnden Mengen Wismut entrühren, unvorteilhaft sind. Bis jetzt war die Meinung hielten, angestellt. Elektrische Kontakte, welche aus vorherrschend, daß das Hackstromphänomen mit dem solchen Legierungen hergestellt waren, wurden zur Entstehen von Metalldampf oder Dämpfen nach dem Unterbrechung von Wechselströmen mit einer effek-Uberspringen des Lichtbogens zwischen den Kon- tiven Stromstärke von 1OA bei 80 Volt und einer takten im Zusammenhang steht und daß ein beliebiges 25 effektiven Stromstärke von 20 A bei 160 Volt in einem Metall, welches hohen Dampfdruck oder niedrige Vakuum von 1 χ 10~⁴ bis 5 χ 10~⁵ Torr in Betrieb thermische Leitfähigkeit aufweist, eine niedrige Hack- genommen. Für jedes Kontaktpaar wurde die Hackstromstärke besitzt. Aufbauend auf dieser Annahme stärke des sich auf die Unterbrechung ausbildenden wurde zur Verringerung der Hackstromstärke der Lichtbogenstroms lOmal bestimmt und sowohl der Kontaktlegierung bereits vorgeschlagen, einem Metall, 30 Mittelwert der 10 gemessenen Stromstärken als auch beispielsweise Kupfer, welches eine hohe thermische die maximale Stromstärke in der nachstehenden Leitfähigkeit besitzt, eine große Menge eines ge- Tabelle 1 angegeben, eigneten Metalls, welches einen hohen Dampfdruck
besitzt, zuzufügen. Beispielsweise könnte eine aus
20 Gewichtsprozent Wismut und dem Rest Kupfer 35
bestehende Legierung zur Herstellung elektrischer
Kontakte zur Verwendung in Vakuumstromkreisunterbrechern herangezogen werden.

Es ist jedoch schwierig, Legierungen mit einem hohen Gehalt eines einen hohen Dampfdruck aufweisenden Metalls in das damit verbundene Gefäß, in welchem Vakuum herrscht, einzusiegeln. Weiterhin wird beim Verlöten dieser Legierungen — da Elemente mit niedrigem Siedepunkt im allgemeinen auch niedrigschmelzende Elemente sind — ein Diffundieren des niedrigschmelzenden Elements in das damit verbundene Lötmaterial im Verlauf des Lötens bewirkt, was zu Schwierigkeiten bei der Herstellung fest haftender Lötungen führt.

Aus diesem Grunde können bei Verwendung einer Legierung mit einem hohen Gehalt an einem niedrigschmelzenden Element zur Herstellung von elektrischen Kontakten, welche ihrerseits erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden und einer Vakuumbehandln Tabelle 1 wurden zu Vergleichszwecken die entsprechenden Werte für Kupfer aufgenommen.

Tabelle 1

Einfluß der Zumischung niedrigschmelzender Elemente auf den Hackstrom von Kupfer

	Hackstrom in A nach dem Unterbrechen	Maximum	Stromstärke	Maximum
	des Wechselstroms der angegebenen	in A	2OA	in A
Mittelwert in		7,5	Mittelwert	9,4
Gewichtsprozent	wirksamen	9,4	in A	9,4
	1OA	8,8	6,9	9,5
	Mittelwert	3,7	7,7	3,1
Cu	in A	6,3
Cu-0,5 Bi	6,7	2,3
Cu-I Bi	7,2
Cu-5 Bi	6,9
2,8

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Zugabe

lung unterworfen werden, um im Hochvakuum be- 55 von Wismut in einem Anteil von 1% oder weniger, trieben werden zu können, und welche im Verlauf des bezogen auf das Gewicht der Legierung, die Stärke des

Hackstroms für Kupfer nicht wesentlich beeinflußte. Andererseits wurden, um den Einfluß einer Wismut-

Betriebs Spannungskräften unterworfen sind, durch den hohen Anteil des Legierungszusatzes erhebliche Schwierigkeiten auftreten.

Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden 60 auf der Basis von Kupfer aufgebauten Legierungen zu Erfindung, eine auf der Basis von Kupfer aufgebaute bestimmen, mehrere Kupferlegierungen, welche ver-Kontaktlegierung aufzufinden, welche als Material
für elektrische Kontakte von Vakuumschaltern verwendet werden kann, die dabei eine niedrige Hack

zugabe auf die Zusammenbackkraft der resultierenden

schiedene Anteile eines der genannten Elemente enthielten, zu zwei Serien von elektrischen Kontakten verarbeitet, von welchen Kontakten der eine eine

Stromstärke aufweist, und zwar ohne daß ein hoher 65 ebene Oberfläche und der andere eine kugelförmige Gehalt eines niedrigschmelzenden Elements erforder- Oberfläche mit einem Krümmungsradius von 50 mm lieh ist, und welche schließlich auch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen ein Zusammenbacken besitzt.

aufwies. Die ebenen und die kugelförmigen Kontakte, welche aus der gleichen Legierung gefertigt waren,

wurden unter einem Preßdruck von 20 kg in Kontakt gebracht und ein Strom mit einem Impuls von 35 Millisekunden in der Breite durch beide Kontakte geleitet. Danach wurde die zur Trennung der beiden Kontakte notwendige Kraft bestimmt. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigt die folgende Tabelle 2, welche zu Vergleichszwecken ebenfalls die entsprechenden Werte für Kupfer enthält.

Tabelle

Einfluß der Zumischung von niedrigschmelzenden Elementen auf die Zusammenbackkraft von Kupfer

	Trennkraft (kg) nach Durchgang eines	angegebenen	14	Spitzen-
Legierung	Stromes mit der	Stromstärke (kA)	87
(Gewichtsprozent)		12	8	15
	10	19	8	79
Cu	8	17	6	8
Cu-0,5 Bi	<1	<1	16	13
Cu-I Bi	<1	5	25	25
Cu-3 Bi	<1	3	25
Cu-5 Bi	<1	18	16
Cu-IO Bi	15

Wie aus Tabelle 2 zu ersehen ist, verringern niedrigschmelzende Elemente nicht immer die Zusammenbackkraft. Tabelle 2 zeigt aber, daß eine Zumischung kleiner Mengen Wismut zu Kupfer die Widerstandsfähigkeit gegen ein Zusammenbacken bei den resultierenden Legierungen überwiegend erhöhte. Sie zeigt weiterhin, daß eine Vergrößerung des Wismutgehalts irgendwie dazu beiträgt, die Zusammenbackkraft der resultierenden Kupfer-Wismut-Legierung zu erhöhen. Es wurde somit gefunden, daß das Wismut dem Kupfer vorzugsweise in einem Anteil von höchstens 1% zugegeben werden soll.

Gemäß der Erfindung wird im Kupfer lediglich zum Zwecke der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen ein Zusammenbacken Wismut in kleinen Anteilen zugegeben. Die Verminderung des Hack-Stroms wird durch die Verwendung eines anderen Elements erreicht. Die Hackstromversuche wurden mit zahlreichen binären Legierungen aus Kupfer und Eisen, Kobalt oder Nickel in wechselnden Anteilen und in der gleichen Weise wie in Verbindung mit Tabelle 1 vorstehend beschrieben durchgeführt. Die Resultate dieser Versuche werden in der folgenden Tabelle 3 gezeigt. Zu Vergleichszwecken sind in die Tabelle 3 auch die weiteren Werte für Eisen, Kobalt und Nickel aufgenommen.

Tabelle 3

Hackströme für auf der Basis von Kupfer aufgebaute Legierungen, welche Eisen, Kobalt oder Nickel enthalten

60

65

Legierung in Gewichtsprozent	Hackstrom (A) nach des Wechselstroms effektiven S 1OA	Maximum	dem Unterbrechen der.angegebenen tromstärke 2OA	Maximum
	Mittelwert	7,5	Mittelwert	9,4
Cu	6,7	6,9	6,9	5,5
Cu-IO Fe	6,1	6,9	4,3	7,0
Cu-20 Fe	5,7	7,5	6,4	7,8
Cu-5 Co	6,2	5,9

Legierung in Gewichtsprozent	Hackstrom (A) nach des Wechselstroms effektiven S 1OA	Maximum	dem Unterbrechen der, angegebenen tromstärke 20A	Maximum
	Mittelwert	3,7	Mittelwert	4,5
Cu-10 Co	2,6	4,4	3,2	4,7
Cu-20 Co	3,4	2,5	3,0	3,1
Cu-75 Co	1,7	4,0	2,0	3,9
Cu-85 Co	2,6	4,4	2,3	4,7
Cu-95 Co	2,5	3,7	2,4	3,7
Co	2,6	7,5	2,0	6,2
Cu-IO Ni	6,2	6,2	5,6	5,5
Cu-20 Ni	5,1	5,0	4,4	4,7
Cu-40 Ni	3,1	3,4	3,1	3,1
Cu-60 Ni	2,8	2,8	2,5	2,3
Cu-80 Ni	2,1	1,6	2,1	1,3
Ni	1,2	1,1

Aus der Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die Zumischung von 10 bis 20 Gewichtsprozent Kobalt zu dem Kupfer im Sinne einer Verminderung des Hackstroms der resultierenden Legierung wirksam ist und daß die Zumischung von Eisen oder Nickel, welche in ihren Eigenschaften dem Kobalt ähnlich sind, nicht so wirksam ist wie die Zumischung von Kobalt. Bekanntlich weist Nickel einen höheren Dampfdruck als Kobalt auf, und Kupfer-Nickel-Legierungen besitzen eine geringere thermische Leitfähigkeit als Kupfer-Kobalt-Legierungen. Ferner besitzt eine binäre Kupfer-Nickel-Legierung mit etwa 50% Nickel, bezogen auf das Gewicht der Legierung, eine minimale thermische Leitfähigkeit. Trotzdem nimmt der Hackstrom monoton mit steigendem Nickelgehalt ab. Es wurde gefunden, daß es nicht richtig ist, die Stärken der Hackströme in einfacher Weise sowohl aus den Eigenschaften der einzelnen Elemente, welche die Legierung bilden, als auch aus allgemeinen physikalischen Eigenschaften der Legierungen abzuschätzen.

Während Kobalt, wie oben beschrieben, zur Verminderung des Hackstroms geeignet ist, wurde gefunden, daß die Zumischung dieses Metalls sich durch das Ansteigen der Klebkraft nachteilig auswirkt.

Dieser Nachteil wurde jedoch durch eine kleine Zugabe von Wismut zu der Kupfer-Kobalt-Legierung, wie in der nachstehenden Tabelle 4 gezeigt wird, beseitigt. Die in der Tabelle 4 aufgeführten Werte wurden auf die gleiche Weise, wie bereits in Verbindung mit Tabelle 2 beschrieben, erhalten. Zu Vergleichszwecken enthält die Tabelle 4 auch die entsprechenden Daten für eine Kupfer-10%-Kobalt-Legierung und eine Kupfer-20%-Kobalt-Legierung.

Tabelle 4

Klebkraft von Kupfer-Kobalt-Legierungen,
welche Wismut enthalten

	Klebkraft in kp nach Durchgang eines	mit der angegebenen Spitzen stromstärke (kA)	14	15
Legierung in Gewichtsprozent	Stromes	12	>100	>100
	10	>100	67	>100
Cu-IO Co	>100	77	28	>100
Cu-IO Co-0,01 Bi	19	18	12	22
Cu-IO Co-0,1 Bi	9	18	26	30
Cu-IO Co-0,5 Bi	14	18	38	48
Cu-10 Co-I Bi	22	15	33	54
Cu-IO Co-3 Bi	9	38	>100	>100
Cu-IO Co-5 Bi	36	>100	>100	>100
Cu-20 Co	>100	43	21	17
Cu-20 Co-0,01 Bi	24	46	35	24
Cu-20 Co-0,1 Bi	8	12	16	20
Cu-20 Co-0,5 Bi	10	32	23	28
Cu-20 Co-I Bi	18	59
Cu-20 Co-3 Bi	8

Es wurde gefunden, daß der zur Verbesserung der Widerstandskraft gegen ein Zusammenbacken der Legierungen benötigte Wismutgehalt sich in einem Bereich zwischen 0,1 und 1,0, bezogen auf das Gewicht der Legierung, bewegen sollte. Ein Gehalt an Wismut über diesen genannten Bereich hinaus trägt nicht zur Verbesserung dieser Eigenschaft bei und beeinflußt nur nachteilig die Verarbeitbarkeit der resultierenden Legierungen.

Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, sind die Kupfer-Wismut-Legierungen als solche zur Verringerung des Hackstroms ungeeignet, vorausgesetzt, daß die Legierungen Kupfer in einem Anteil enthalten, welcher über 95%, bezogen auf das Gewicht der Legierung, beträgt. Andererseits ist aus der Tabelle 2 offensichtlich zu erkennen, daß zur Verbesserung der Antiklebeigenschaften der Legierungen der Wismutgehalt bei Kupfer-Wismut-Legierungen weniger als 10 Gewichtsprozent betragen sollte.

Es wurde festgestellt, daß bei binären Kupfer-Wismut-Legierungen die optimale Zusammensetzung 5 bis weniger als 10 Gewichtsprozent Wismut und der Rest Kupfer betragen sollte.

Die ternären Kupfer-Kobalt-Wismut-Legierungen wurden auf dieselbe Weise, wie vorstehend in Verbindung mit Tabelle 1 beschrieben, auf den Hackstrom geprüft. Die Ergebnisse werden in der Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 5

Hackströme für ternäre erfindungsgemäße
Legierungen

	Hackströme	(A) nach	Unterbrechen des	Maximum	20 A	Maximum
Legierung in	Wechselstromes der angegebenen Stärke		Mittel wert	4,7
Gewichtsprozent	10 A		3,3	3,9
	Mittel wert		3,3	3,1
Cu-IO Co-0,1 Bi	2,7		2,0	3,9
Cu-10 Co-0,5 Bi	2,9		3,8	4,7
Cu-10 Co-1,0 Bi	2,1		3,1	3,1
Cu-20 Co-0,1 Bi	3,0	3,7	2,2
Cu-20 Co-0,5 Bi	2,8	3,6
Cu-20 Co-1,0 Bi	2,4	3,1
	3,7
3,8
3,1

Die erfindungsgemäßen Legierungen werden durch Vakuumschmelzen und nachfolgendes Vakuumkühlen hergestellt. Im allgemeinen ist anzunehmen, daß Kupfer-Kobalt-Legierungen sich im Verlauf des Erstarrens entmischen und ein Kobaltgehalt über 20% die Herstellung einer homogenen Legierung schwierig macht.

Es wurde jedoch gefunden, daß diese Entmischung vorteilhaft zum Verlöten der elektrischen Kontakte aus den vorliegenden ternären Legierungen mit den angeschlossenen Teilen ausgenützt werden kann. Insbesondere wird der bei der Herstellung einer ternären Legierung aus mehr als 20 bis 50 Gewichtsprozent Kobalt und Wismut, mit den oben angegebenen Anteilen, erhaltene Barren eine anfänglich erstarrte Oberflächenschicht aufweisen, welche in bezug auf Kobalt angereichert ist, aber in bezug auf Kupfer verarmt ist und überhaupt kein Wismut enthält. Diese Oberflächenschicht kann zum leichten Verlöten der Kontakte herangezogen werden. Gewünschtenfalls kann ein Teil des Kobalts durch Eisen ersetzt werden. Da weiterhin die Löslichkeit des Kohlenstoffs in der Legierung mit dem Kobaltgehalt ansteigt, kann zur Entfernung des Sauerstoffs aus der Legierung im Verlauf des Vakuumschmelzens Kohle verwendet werden, wodurch wesentlich leichter eine Legierung mit einem sehr niedrigen Gasgehalt hergestellt werden kann.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung einer Kontaktlegierung, bestehend aus 10 bis 20% Kobalt, 0,1 bis 1,0% Wismut, Rest Kupfer neben herstellungsbedingten unvermeidlichen Verunreinigungen, als Werkstoff für elektrische Kontakte von Vakuumschaltern mit hoher Stromdichte auf der Kontaktoberfläche, die einen niedrigen Hackstrom und kleine Klebkraft aufweisen müssen.