DE19612143A1

DE19612143A1 - Verfahren zur Herstellung eines Spiralkontaktstückes für eine Vakuumkammer und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19612143A1
Application number: DE1996112143
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Pilsinger; Dietmar Dipl Ing Gentsch
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: DE19612143B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spiralkontaktstückes für eine Vakuumschaltkammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Spiralkontaktstücke, mit denen Vakuumschaltkammern ausgerüstet sind, sind als kreisförmige Scheiben ausgebildet, die spiralförmige Schlitze besitzen, deren Form eckig, bogenförmig oder auf andere Weise ausgebildet ist. Zwischen den Schlitzen be finden sich spiralförmige Kontaktarme, die dem Lichtbogen ein Feld aufprägen, das bei kontrahiertem Bogen im Radialmagnetfeld, z. B. diesen in Rotation auf dem Spiralkon taktstück versetzt.

Solche Kontaktstücke werden auf die unterschiedlichste Weise hergestellt. Bei einem bekannten Verfahren wird Chrom- und Kupferpulver in einem bestimmten Verhältnis miteinander gemischt, gepreßt und danach in einem Sinterofen bei hoher Temperatur gesintert. Nach dem Sinterprozeß kann noch ein Arbeitsgang zur Verdichtung des ge ringfügig porösen Werkstoffgefüges erfolgen. Dieses Verfahren ist so bekannt, daß Literaturhinweise nicht erforderlich sind.

Aus der EP 0 458 922 B1 ist bekannt geworden, eine Kupferscheibe auf einem gekühl ten Träger unter Vakuum mit einem energiereichen Strahl, vorzugsweise einem Elek tronenstrahl, auf der Oberfläche anzuschmelzen; in den sich bildenden Schmelzsee wird Chrompulver hineingegeben und der fertige Scheibenrohling kühlt unter Vakuum ab.

Bei einem anderen Verfahren wird mittels einer Plasmaspritzpistole Chrompulver auf eine Kupferscheibe an Atmosphäre oder unter einem geeigneten Gas aufgespritzt.

Bei einem Schmelzverfahren wird eine Kupferscheibe in einen napfförmigen Tiegel eingebracht. Sodann wird auf die Scheibenoberfläche eine definierte Chrom- oder Chrom-Kupferpulvermischung in gewünschter Dicke aufgebracht und die so präparier ten Tiegel in einem Vakuumofen erhitzt, bis das Kupfer aufschmilzt. Anschließend kühlt der Kontaktrohling unter Vakuum ab.

Bei diesen oben beschriebenen Verfahren entsteht ein scheibenförmiger Kontaktroh ling, der bearbeitet werden muß, in dem die spiralförmigen Schlitze eingesägt oder eingefräst und das Kontaktstück in seine endgültige Form gebracht wird.

Lediglich bei dem Verfahren gemäß der DE 38 40 192 C2, bei dem dünne Kupfer- bzw. Kupfer-Chromscheiben durch Stanzen mit den erforderlichen Schlitzen, dem Nennau ßendurchmesser und dem Oberflächenprofil hergestellt und anschließend unter Va kuum zu den Kontaktstücken zusammenlötet werden, ist eine nachträgliche Bearbei tung, insbesondere eine Einfräsung oder Einsägung der Schlitze nicht mehr erforder lich.

Die Fräs- bzw. Sägeoperationen sind kostenintensiv, da Mischwerkstoffe zerspant wer den müssen. Je höher der Chromanteil des Kontaktstückes ist, desto schwieriger läßt sich der Werkstoff zerspanen und mit steigendem Chromgehalt sinkt auch die Stand zeit der verwendeten Fräser bzw. Sägeblätter. Zusätzliche Kosten entstehen durch das manuelle Entgraten der spanend hergestellten Schlitze. Ein Robotereinsatz für diese Tätigkeit läßt sich wirtschaftlich nicht realisieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Herstellung der Schlitzgeometrie erheblich vereinfacht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Dabei wird besonders vorteilhaft das Schmelzverfahren benutzt, bei dem die Kupfer scheibe mit der darauf aufgebrachten Chrom- oder Chrom-Kupferschicht soweit erhitzt wird, bis das Kupfer schmilzt. Erfindungsgemäß wird also während des Schmelz- oder auch Beschichtungsverfahrens ein Formstück mit entsprechender Schlitzgeometrie in die Schmelze eingebracht, welches aus durch Kupfer nicht benetzendem Material be steht, so daß nach Erkalten das Formstück aus dem erstarrten Spiralkontaktstück ent fernt werden kann.

Dabei wird in den Tiegel zunächst die Kupferscheibe eingelegt, sodann auf die Kupfer scheibe das Formstück aufgesetzt und danach zwischen den Flügeln des Formstückes das Chrom- oder Chrom-Kupferpulver eingebracht. Wenn die Temperatur soweit er höht wird, daß das Kupfer schmilzt, senkt sich das Formstück bis zum Boden des Tie gels ab, und nach Erkaltung und Entfernen des Formstückes hat man ein Spiralkon taktstück erhalten, das schon die Schlitze enthält, so daß eine nachträgliche Bearbei tung, d. h. Einbringung der Schlitze durch Säge- oder Fräsbearbeitung nicht mehr er forderlich ist.

Um eine Oxidation des Kupferwerkstoffes zu vermeiden, muß der Herstellungsprozeß selbstverständlich unter Vakuum oder in Schutzgas durchgeführt werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, das Verfahren unter Zuhilfenahme des Formstückes auch dann anzuwenden, wenn das Kontaktstück in seiner Gesamtheit gesintert wird. Zur Herstellung eines solchen, in seiner Gesamtheit aus Pulver gesinterten Kontakt stückes wird das Formstück in eine Sinterform eingebracht und danach das zu sin ternde Pulver (Chrom-Kupfer-Mischung und dgl.) eingefüllt. Bei der darauffolgenden Sinterung ergibt sich das Kontaktstück mit den schon eingebrachten Schlitzen. Aller dings bilden sich bedingt durch den Herstellungsprozeß im Randbereich des Scheiben rohlings Inhomogenitäten in der Kupfer-Chromdichte und -verteilung aus. Um diese zu kompensieren, muß der Kontaktscheibenrohling in seinem Außendurchmesser unver hältnismäßig groß dimensioniert werden, um eine inhomogene Dichte und Verteilung im Bereich der Schlitze zu umgehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestal tungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Kontaktstückes in einer ersten Phase des Verfahrens,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Kontaktstückes gemäß Fig. 1 in einer zwei ten Stufe des Verfahrens,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung des Kontaktstückes, im Schnitt darge stellt, ähnlich dem der Fig. 1,

Fig. 4 die Anordnung gemäß Fig. 1 im letzten Stadium des Verfahrens,

Fig. 5 eine Aufsicht auf den Kontaktrohling entsprechend Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 einen Kontaktrohling, der mit dem Verfahren entsprechend Fig. 3 hergestellt ist,

Fig. 8 eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie VIII-VIII der Fig. 7,

Fig. 9 und 10 eine Aufsicht und eine Seitenansicht eines Halters für die Flügel segmente zur Bildung des Formkontaktstückes,

Fig. 11 und 12 eine Aufsicht und eine Seitenansicht eines Formstückes, welches bei den erfindungsgemäßen Verfahren zur Anwendung gelangt, und

Fig. 13 eine perspektivische Darstellung des Formstückes ähnlich den Fig. 11 und 12.

Das Spiralkontaktstück, welches nach dem Schmelzverfahren hergestellt wird, wird - mit kurzen Worten - dadurch erzeugt, daß in einen napfförmigen Tiegel 10 eine Scheibe 11 aus Kupfer eingelegt wird, auf die eine bestimmte Menge 12 von Chrom pulver oder Chrom-Kupferpulver aufgebracht wird. Wenn die Anordnung mit dem Tie gel 10, der Kupferscheibe 11 und der Pulverschicht 12 soweit erhitzt wird, daß das Kupfer schmilzt, dann bildet sich ein Kontaktstück aus, bei dem nach Erstarrung das Kupfer in die Pulverschicht eingeflossen ist, so daß ein Kontaktstück mit einem Basis teil aus Kupfer und einer getränkten Schicht aus Chrom-Kupfer vorhanden ist, siehe P 19537657.9.

Dieser so hergestellte Kontaktrohling muß weiter bearbeitet werden, insbesondere müssen die Schlitze eingefräst bzw. eingesägt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Aufbringen der Pulverschicht 12 ein Formstück 15 auf die Kupferscheibe 11 aufgesetzt, welches in den Fig. 11 und 12 bzw. 13 dargestellt ist. Das Formstück 15 besitzt einen zylinderförmigen Abschnitt 16, an dem der Spiralgeometrie entsprechende Flügel 17, 18, 19 und 20 angebracht sind. Dabei liegen die Flügel 17 bis 20 auf der Oberfläche der Kupferscheibe 11 auf.

Danach wird das Chrom- oder Chrom-Kupferpulver 12 in der gewünschten Dicke zwi schen die Flügel aufgebracht. Bei der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 ist der Außen durchmesser der Flügel 17 bis 20 kleiner als der Innendurchmesser der zylinderförmi gen Seitenwand 13; bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist der Außendurchmesser der Flügel 17 bis 20 gleich groß wie der Innendurchmesser der Seitenwand 13.

Wenn nun das Kupfer aufschmilzt, dann sinkt das Formstück 15 auf den Boden 14 des Tiegels 10, und nach dem Erkalten und Herausnehmen des Formstückes 15 ergibt sich ein Kontaktrohling 21, der Schlitze 22, 23, 24 und 25 aufweist, die in einem Abstand von dem Außenrand des Kontaktrohlings enden, der bestimmt ist durch den Durch messerunterschied zwischen der Innenfläche der Wand 13 und dem Außendurchmes ser der Flügel 17 bis 20.

Die Fig. 6 zeigt den Kontaktrohling gemäß Fig. 5 mit einem Basisteil 26 aus Kupfer und einem getränkten Chrom-Kupferbereich 27.

Dieser Kontaktrohling muß noch bearbeitet werden, in dem er am Außenumfang soweit abgedreht wird, daß die Schlitze 22 bis 25 am Außenrand enden. Darüberhinaus ist noch dafür zu sorgen, daß die üblicherweise erforderliche Konusform der Kontaktober flächengeometrie abgedreht wird.

Der Kontaktrohling nach dem Abdrehen des Außenrandes besitzt eine Ausgestaltung wie in Fig. 7 dargestellt.

Ein Kontaktrohling, wie er in der Fig. 7 tatsächlich dargestellt ist, wird erzeugt, wenn der Außendurchmesser der Flügel gleich groß ist wie der Innendurchmesser des Tie gels 13. Der Kontaktrohling 60 besitzt Schlitze 61, 62, 63 und 64, die offen in den Au ßenrand einmünden. Im Schnitt besitzt das Kontaktstück gemäß Fig. 8 wieder ein Ba sisteil 65 aus Kupfer und eine getränkte Schicht 66 aus Chrom-Kupfer.

Zur preiswerteren Herstellung des Formstückes gemäß den Fig. 11 bis 13 kann auch ein scheibenförmiger Körper 70 verwendet werden, auf dessen einer Stirnfläche schlitzförmige Taschen 71 bis 74 eingebracht sind, die von der Stirnfläche aus gemes sen eine Tiefe X aufweisen, die wenigstens ca. 1 mm betragen soll. In diese Schlitze 71 bis 74 können den Flügeln 17 bis 20 entsprechende Flügelsegmente eingesetzt werden, die aus Keramik oder Metall bestehen können.

Die Mittenzentrierung des Formstückes 15 erfolgt über einen nicht näher dargestellten Schirm; bei der Ausführung gemäß Fig. 3 wird die Seitenwandung 13 zur Zentrierung des Formstückes 15 verwendet.

Als Basismaterial für das Formteil ist keramisches Material oder beschichteter Stahl geeignet. Wenn eine Al₂O₃-Keramik verwendet wird, dann ist es zweckmäßig, auf die Oberfläche des keramischen Teils eine poröse Schicht aufzubringen; diese kann auch dann verwendet werden, wenn das Formstück aus Metall hergestellt ist.

Wenn eine Reaktion von Keramik oder Keramikbeschichtung mit Chrom zu einem Chromaluminat stattfindet, dann kann der Formkörper aufgrund der Porösität der Be schichtung leicht entfernt werden, weil sich eine kleine Schicht von der Oberfläche des Formstückes ablöst.

Optimal ist es, das Formteil mit Bornitrit zu beschichten; dadurch wird das Ausformen des Formstückes weiter erleichtert. Die Beschichtung kann auch mit Zirkonoxid oder Silizium (bzw. dessen Oxiden) erfolgen. Mit der porösen Schicht oder mit der porösen Ausgestaltung des Formteils, wenn dieses aus Aluminiumoxid Al₂O₃ hergestellt ist, wird wirksam eine Benetzung des Formteils verhindert.

Der Tiegel kann als verlorene Form angesehen bzw. verwendet werden; er kann auch mit einer entsprechenden porösen Schicht beschichtet werden, so daß der Kontaktroh ling aus dem Tiegel herausnehmbar ist.

Daß es sinnvoll ist, die Seitenwände des Formteils bzw. der Flügel leicht konisch zu gestalten, ist an sich selbstverständlich.

Das Verfahren mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird dabei wie folgt durchge führt:

Wie eingangs erwähnt, wird in den Tiegel 10 die Kupferscheibe 11 eingegeben; auf die Kupferscheibe 11 wird das Formstück 15 aufgelegt, wie in Fig. 1 bzw. 3 gezeigt. Da nach wird das Chrompulver oder Chrom-Kupferpulver 12 eingegeben und der so be stückte Tiegel in einem Vakuumofen erhitzt. Bei Temperatur von 1050°C findet eine Erweichung der massiven Kupferscheibe 11 statt, und bei weiterer Erhöhung der Tem peratur geht die Kupferscheibe und das Cu-Pulver, sofern dies vorhanden ist, in der Schicht 12 in den flüssigen Zustand über, so daß das Chrompulver benetzt wird. Ent sprechen der Erhöhung der Temperatur und der Verflüssigung der Kupferscheibe 11 sinkt das Formteil 15 aufgrund seines Eigengewichtes oder mit Lastgewichten auf den Tiegelboden und sitzt dort, wie in Fig. 4 dargestellt, plan auf. Nach dem Erkalten erhält man, wie oben schon angedeutet, Kontaktscheibenrohlinge gemäß Fig. 5 und 7.

Es ist selbstverständlich, daß das gleiche Verfahren im wesentlichen auch angewendet werden kann, wenn ein Sinterverfahren durchgeführt ist, wenn also das Kontaktstück in seiner Gesamtheit aus Chrom-Kupferpulver hergestellt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Spiralkontaktstückes für einen Vakuumschal ter, mit einem Grundkörper aus elektrisch gut leitendem Material, z. B. Kupfer, und ei ner Kontaktbeschichtung aus elektrisch weniger gut leitendem, abbrandfestem Mate rial, vorzugsweise Chrom- oder einer Kupfer-Chrompulvermischung, die in einem Tie gel auf eine Temperatur erhöht werden, die höher ist als die Schmelztemperatur des elektrisch gut leitendem Materials, dadurch gekennzeichnet daß während des Schmelzverfahrens ein Formstück mit entsprechender Schlitzgeometrie in die Schmelze eingebracht wird, welche aus einem Material besteht, das durch das elek trisch gut leitende Material nicht benetzt wird, so daß nach Erkalten das Formstück aus dem erstarrten Spiralkontaktstückrohling entfernt werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einsetzen einer Kupferscheibe in den Tiegel das Formstück auf die Kupferscheibe aufgelegt wird, daß danach das Chrompulver oder Chrompulvergemisch zwischen die Flügel des Formstückes aufgeschichtet wird, und daß danach die Temperatur in Vakuum soweit erhöht wird, daß die Scheibe aus elektrisch gut leitendem Material aufschmilzt und das Formstück auf den Boden des Tiegels absinkt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Spiralkontaktstückes für einen Vakuumschal ter, das aus einem Sintermaterial besteht, das aus einem Pulver aus elektrisch gut lei tendem Material, z. B. Kupfer, und einem elektrisch weniger gut leitendem, abbrandfe sten Material, z. B. Chrom, besteht, die miteinander versintert werden, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Sinterverfahren ein Formstück mit entsprechender Schlitz geometrie in das Pulvergemisch eingebracht wird, welches aus einem Material herge stellt ist, das durch das elektrisch weniger gut leitende Material nicht benetzt wird, so daß nach Erkalten das Formstück aus dem fertigen Spiralkontaktstück entfernt werden kann.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück einen Zylinderkörper (16) aufweist, an dem flügelartige Segmente (17 bis 20) angebracht sind, die der Schlitzform entspre chen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück aus Keramik oder Stahl hergestellt ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkörper (70) Taschen (71 bis 74) auf weist, in die flügelartige Segmente eingesetzt und darin fixiert sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens die Flügel (17 bis 20) bzw. flügelartigen Segmente mit einer porösen Schicht beschichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus mit großen Poren ausgebildeten Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Silizium oder Bornitrit gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Außendurchmesser der Flügel (17 bis 20) höchstens gleich ist dem Innendurchmesser der Seitenwand (13) des Tiegels (10).