DE19811816A1 - Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für Vakuum-Leistungsschalter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmate­ rials für Vakuum-Leistungsschalter.

Vakuum-Leistungsschalter dienen bekanntermaßen dazu, einen elektrischen Stromkreis unter Verwendung von beweglichen und festen Elektroden, die in einem abgekapselten Vakuum enthalten sind, zu schließen bzw. zu unterbrechen. Das Material dieser Elektroden muß insbe­ sondere die folgenden Anforderungen erfüllen: (1) der Trenn- oder Abschaltstrom muß groß sein, (2) der Lichtbogen-Abreißstrom (chopping current) muß klein sein, (3) die dielektrische Durch­ bruchspannung zwischen den Polen muß hoch sein, (4) es muß schwierig sein, daß die Elektro­ den verschweißen, und (5) es muß während der Stromleitung lediglich eine geringe Wärme­ menge erzeugt werden. Eine große Anzahl von Legierungen wurde hinsichtlich ihrer Eignung als solches Elektrodenmaterial untersucht und entwickelt. Das Schmelzen und Gießen von Legierun­ gen wie Cu-Bi (Bismuth) und Cu-Te (Tellur) sowie das Sintern von Legierungen wie Cu-W (Wolfram) und Cu-Mo (Molybden) hat Eingang in die Praxis gefunden. Gegenwärtig wird eine Cu-Cr-Legierung mit 20 bis 70 Gewichts-% Cr (Chrom) als Material benutzt, das alle die obigen Eigenschaften aufweist. Die von Elektrodenmaterial für Vakuum-Leistungsschalter zu fordernden Eigenschaften werden nicht nur von den Metallkomponenten, sondern auch von enthaltenem Gas wie Sauerstoff oder Spurenverunreinigungen oder der feinen Gleichförmigkeit des Metallauf­ baus bzw. des Metallgefüges beeinflußt, so daß die Bestandteile sehr rein sein müssen und unter Schutzgas wie Wasserstoff oder Argon geschmolzen oder gesintert werden müssen.

Cr verschmilzt nicht vollständig mit Cu bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt von Cu (annähernd 1083°C). Herkömmliche Cu-Cr-Legierungen werden pulvermetallurgisch unter Verwendung von Cr-Pulver als Hauptmaterial hergestellt. Beispielsweise werden solche Legierun­ gen durch ein Sinterverfahren hergestellt, bei dem eine Mischung aus Cu- und Cr-Pulvern geformt und gesintert wird, oder mittels eines Schmelz-Infiltrationsverfahrens, bei dem eine Mischung aus Cr-Pulver und einer geringen Menge an Cu-Pulver zum Erhalt eines porösen Körpers geformt und gesintert wird und der poröse Körper dann mit geschmolzenem Cu impräg­ niert wird. In diesen Fällen umfaßt die Cu-Cr-Legierung, die mit diesem Verfahren hergestellt wird, die Cr-Partikel dispergiert in der Cu-Basis, jedoch sind die meisten dispergierten Cr-Partikel nahezu so groß wie die des Ausgangspulvers, und man erhält lediglich eine geringe Menge an Legierung mit feinen Cr-Partikeln, weil Cr beim Erhitzen mit Cu verschmilzt und beim Abkühlen in Cu ausfällt.

Die herkömmlichen Herstellungsverfahren für Cu-Cr-Legierungen verwenden als Material Cr-Pulver, d. h. Cr-Massen, die durch das Aluminothermie-Verfahren oder elektrolytische Verfahren hergestellt und dann mechanisch zerkleinert werden. Es ist bekannt, daß Cr leicht oxidiert, so daß die Oberfläche des Cr-Pulvers beim Schleifen bzw. der mechanischen Verkleinerung mit einem starken Oxidfilm versehen wird. Weiterhin wird das Cr-Pulver mit Cu-Pulver unter Verwendung einer Kugelmühle oder eines V-Mischers vermischt, und das Cr-Pulver wird auch hierbei oxidiert. Der Oxidfilm ist thermisch stabil und kann bei normalen Sintertemperaturen nicht zersetzt oder verringert werden. Somit enthält die durch Pulvermetallurgie gewonnene Cu-Cr-Le­ gierung nachteiligerweise einen großen Sauerstoffanteil. Beim Sinterverfahren beeinträchtigt der Oxidfilm das Verschmelzen von Cu und Cr, während er bei dem Schmelz-Infiltrationsverfah­ ren verhindert, daß Cu-Partikel in den porösen Körper eindringen, was zu Fehlstellen wie etwa Leerstellen im Gefüge führt. Diese Fehlstellen können den Abschaltstrom oder die dielektrische Durchbruchspannung verringern.

Bei dem herkömmlichen Herstellungsverfahren für eine Cu-Cr-Legierung wird die Größe der Cr-Partikel durch die Größe des Ausgangspulvers bestimmt. Die Verringerung der Größe der Cr-Pulverteilchen ist jedoch durch die Herstellungstechniken begrenzt, und feine Cr-Pulver haben eine vergrößerte Oberfläche, was mit einem entsprechend erhöhten Gehalt an darin enthaltenem Sauerstoff einhergeht. Bei herkömmlichen Cu-Cr-Legierungen besteht demnach kaum die Chance, daß- feine Cr-Partikel in einer Cu-Basis enthalten sind, vielmehr ist die durchschnittliche Partikelgröße auf etwa 150 µm beschränkt. Die Größe der Cr-Partikel beeinflußt insbesondere den Lichtbogen-Abreißstrom, der nachteiligerweise mit einer Zunahme der Größe der dispergier­ ten Cr-Partikel zunimmt. Die Gleichförmigkeit der Dispersion des Cr-Pulvers bzw. der Cr-Partikel beeinflußt ebenfalls den Lichtbogen-Abreißstrom, und bei ungleichförmiger Dispersion ergibt sich eine hohe Schwankung des Werts des Lichtbogen-Abreißstroms. Wenn jedoch die Zeit zum Mischen unter Verwendung einer Kugelmühle zur Erzielung einer gleichförmigen Dispersion ausgedehnt wird, nimmt die Oxidation der Pulverbestandteile entsprechend zu.

Als ein Verfahren zur Lösung dieser Probleme beim Sinter- oder Schmelz-Infiltrationsverfahren offenbart die JP-4-71970 A1 ein Verfahren, das zum Schmelzen einen Lichtbogen oder Laser verwendet. Dieses Verfahren vermischt beispielsweise Cr- und Cu-Pulver, komprimiert, formt und sintert die Mischung zur Herstellung eines säulenartigen Blocks, verwendet diesen Block als eine Lichtbogenelektrode, um ihn allmählich ausgehend von einem Ende unter Verwendung der Lichtbogenhitze zu schmelzen, und verfestigt ihn dann nach und nach in einer wassergekühlten Form. Zusätzlich zum Lichtbogen wird die Verwenden eines Lasers oder eines Hochfrequenz­ plasmas beschrieben. Diese Verfahren sind in der Lage, eine Legierung mit feinen, gleichförmig dispergierten Cr-Partikeln zu schaffen. Aufgrund der Verwendung von Cr-Pulver ist dieses Verfahren dagegen nicht in der Lage, den Sauerstoffgehalt in erforderlicher Weise zu reduzieren. Da es sich um ein sequentielles Schmelz- und Verfestigungsverfahren handelt, das einen Block ausgehend von einem Ende allmählich schmilzt, müssen das Cr-Pulver und das Cu-Pulver so fein wie möglich sein und innerhalb des gesamten Blocks gleichförmig vermischt sein, damit eine Cr-Cu-Legierung mit vorbestimmten Bestandteilen über die gesamte Gießmasse erzielt wird. Dieses Verfahren kann daher nicht die Verwendung von Pulvermaterialien und einen Mischprozeß vermeiden, durch den der Sauerstoffgehalt erhöht werden kann.

Die Cr-Cu-Legierung kann zusätzlich Te, Bi, Sb oder Zn zur Verbesserung der Widerstandsfähig­ keit gegen Verschweißen oder zur Verringerung des Lichtbogen-Abreißstroms enthalten. Da diese Elemente einen hohen Dampfdruck aufweisen, darf die Temperatur beim Schmelzen nicht unnötig erhöht werden, damit Verdampfungsverluste vermieden werden. Selbst wenn die Legierung lediglich aus Cr und Cu besteht, ist es nicht günstig, die Schmelztemperatur unnötig zu erhöhen, da verdampftes Cu oder Cr den Schmelzofen verunreinigt. Schmelzen mit Lichtbo­ gen oder Laser führt notwendigerweise zu einer Temperaturerhöhung auf etliche 1000°C, so daß die Temperatur nicht leicht gesteuert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Elektrodenmaterial aus einer Cu-Cr-Legierung für Vakuum-Leistungsschalter zu schaffen, das einen geringen Sauerstoffgehalts und wenig Fehler im kristallografischen Aufbau aufweist, und bei dem feine Cr-Partikel gleichmäßig in einer Cu-Basis dispergiert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden ein Cu-Material und ein Cr-Material in einem vorbestimmten Verhältnis vermischt. Die Mischung wird erhitzt bis sie vollständig geschmolzen ist, um ein geschmolzenes Metall mit den beiden gleichförmig geschmolzenen Elementen zu erhalten. Das geschmolzene Metall dann abgeschreckt, um eine geringe Menge von Cr in einer Cu-Basis auszufällen, und so ein Elektrodenmaterial für eine Vakuum-Leistungsschalter zu schaffen. Die Erfindung erfordert nicht die Verwendung von Cr-Pulver oder die gleichförmige Mischung von Cr und Cu vor dem Schmelzen. Gemäß diesem Herstellungsverfahren werden in einem Heizschritt Cr und Cu verschmolzen, um geschmolzenes Metall gleichförmiger Komponen­ ten zu bilden, während dann in einem Kühlschritt das Cr als feine Kugeln oder Zweige bzw. Nadeln in Cu ausfällt. Da Cr in Cu geschmolzen und dann durch Kühlen ausgefällt wird, hängt die Größe der Cr-Partikel nicht von der Größe des Cr-Ausgangsmaterials ab und kann durch Erhöhen der Kühlgeschwindigkeit bis zu einem gewünschten Wert reduziert werden. Darüber hinaus kann die Erfindung verhindern, daß das Verschmelzen von Cu und Cr infolge von Oberflächenoxidfilmen beeinträchtigt wird, und ebenfalls verhindern, daß der metallografische Aufbau infolge eines ungenügenden Ausfällens von Cr in die Cu-Basis fehlerhaft wird.

Im Falle einer Cu-Legierung mit 20 bis 70 Gewichts-% Cr liegt die zum Schmelzen der Cu- und Cr-Materialien zur Erzielung eines gleichförmigen geschmolzenen Metalls erforderlich Heiztempe­ ratur zwischen 1800 und 2000°C. Diese Temperatur kann jedoch bei hohem Cr-Gehalt auf 2500°C erhöht werden. Wenn das Material bei solch einer hohen Temperatur erhitzt wird, tritt eine merklich Verdampfung von Cu ein, und ein Schmelztiegel kann das geschmolzene Metall verunreinigen. Um dies zu verhindern, wird das Erhitzen des Materials so schnell wie möglich abgeschlossen, um die Zeit zur verringern, während derer es den Schmelztiegel kontaktiert. Eine noch günstigere Alternative ist ein schwebendes Schmelzverfahren (ein Schweb-Schmelzverfah­ ren), das dazu verwendet werden kann, das Material zu erhitzen, ohne daß es den Schmelztiegel berührt.

Hochfrequenzerhitzen wird vorzugsweise ausgeführt, damit die Temperatur durch Einstellen der Ausgangsleistung gesteuert werden kann und eine elektromagnetische Agitation ermöglicht wird. Von der elektromagnetischen Agitation erwartet man sich eine Verbesserung der Gleichförmig­ keit der Komponenten in dem geschmolzenen Metall und den Ausschluß von Fremdkörpern, wie etwa Keramiken, die von dem Schmelztiegel in das geschmolzene Metall gelangen könnten.

Bei den zu vermischenden Cu- und Cr-Materialien handelt es sich idealerweise um Pulver oder Massen. Zur Verringerung des Sauerstoffgehalts weist das Cr-Material vorzugsweise eine relativ große Partikelgröße und eine relative geringe Oberfläche auf. Die ideale Partikelgröße beträgt 1 mm oder mehr. Da die Kühlgeschwindigkeit die Größe der ausgefällten Cr-Partikel beeinflußt, ist ein Abschrecken zum Erhalt eines feinen Gefüges erforderlich, aber die Partikelgröße kann auf etwa 20 bis 30 µm dadurch verringert werden, daß das geschmolzene Metall in eine wasserge­ kühlte Kupferform gegossen wird, wie nachstehend beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer fotografischen Darstellung das Metallgefüge eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Elektrodenmaterials,

Fig. 2 in einer fotografischen Darstellung das Metallgefüge eines mit einem herkömmlichen Sinterverfahren hergestellten Elektrodenmaterials, und

Fig. 3 eine perspektivische vertikale Schnittansicht, die den Aufbau einer Schweb-Schmelz­ vorrichtung zeigt, wie sie zu experimentellen Zwecken im Rahmen dieser Erfindung eingesetzt wurde.

Ein Beispiel, bei dem eine Schweb-Schmelzvorrichtung zur Herstellung eines Elektrodenmaterials verwendet wurde, wird nachstehend beschrieben. Fig. 3 ist eine perspektivische vertikale Schnittansicht einer für das Beispiel verwendeten Schweb-Schmelzvorrichtung. In dieser Figur ist ein Schmelztiegel 1 dadurch aufgebaut, daß Segmente 2 zusammengeschichtet sind, die je aus einem leitenden Material (reines Kupfer) mit einem zwischen den Segmenten eingeschlossenen Isoliermaterial 3 bestehen. Jedes Segment wird dadurch gekühlt, daß Kühlwasser von einem Kühlwassertank (nicht gezeigt durch einen innerhalb des Segments vorgesehenen Kühlwasser­ kanal 4 geleitet wird. Ein Abstichloch 5 ist am Boden des Schmelztiegels 1 ausgebildet, und ein Abstichrohrabschnitt 6 ist unter dem Loch vorgesehen. Eine untere Induktionsspule 7 und eine obere Induktionsspule 8 sind außerhalb des Schmelztiegels 1 angeordnet.

Wenn ein Material 9 in dem Schmelztiegel 1 angeordnet und die beiden Induktionsspulen 7 und 8 mit hochfrequenten Strömen gespeist werden, treten in dem Material 9 Wirbelströme auf, wodurch das Material durch Joulsche Wärme erhitzt und geschmolzen wird. Gleichzeitig entstehen elektromagnetische Abstoßkräfte zwischen des Speiseströmen und den Wirbelströ­ men. Wirbelströme treten auch in den Segmenten 2, und elektromagnetische Abstoßkräfte ergeben sich zwischen diesen Wirbelströmen und denen im Material 9. Dadurch wird das Material 9 (das geschmolzene Metall) vom Boden angehoben, und zwar aufgrund der Wirkung der unteren Induktionsspule 7, während es durch die Wirkung der oberen Induktionsspule 8 zur Mitte des Schmelztiegels gedrückt und dadurch schwebend im Abstand von der Wandfläche gehalten wird. Durch Abschalten des Stroms in den Induktionsspulen 7 und 8 läuft das Material 9 (das geschmolzene Metall) im Schmelztiegel 1 aus dem Abstichloch 5 über den Abstichrohrab­ schnitt 6 infolge der Schwerkraft aus. Die Schweb-Schmelzvorrichtung ist vollständig in einem mit Schutzgas gefüllten, geschlossenen Behälter (nicht gezeigt) angeordnet.

Bei einem Experiment wurden Cr-Körner mit einer durchschnittlichen Korngröße zwischen 1 und 5 mm ∅ und Cu-Teilchen, die durch Schneiden einer runden Stange aus sauerstofffreiem Kupfer mit einem Durchmesser von 5 mm grob in 5 mm Stücke erhalten wurde, im Gewichtsverhältnis 3 zu 7 gemischt. Die Mischung wurde dann in den Schmelztiegel 1 gebracht und unter einer Argonatmosphäre schwebend geschmolzen. Nachdem das Cr und das Cu vollständig geschmol­ zen waren, wurde die Stromversorgung zu den Induktionsspulen 7 und 8 abgeschaltet, und das geschmolzene Metall 9 wurde in eine (nicht gezeigte) wassergekühlte Kupferform gegossen, die sich unterhalb des Abstichrohrabschnitts befand.

Die Fotografie in Fig. 1 zeigt den metallografischen Aufbau, d. h. das Metallgefüge, einer 70% Cu-30% Cr-Legierung, die auf diese Weise hergestellt wurde. Als Vergleichsbeispiel zeigt die Fotografie in Fig. 2 das Metallgefüge einer 70% Cu-30% Cr-Legierung, die durch Sintern bei 1000°C unter Einsatz von Cr-Pulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 150 µm und elektromagnetischem Kupferpulver mit einer Partikelgröße von 200 µm hergestellt wurde. Die Vergrößerung beträgt sowohl bei Fig. 1 als auch bei Fig. 2 70. Wie aus den beiden Fig. 1 und 2 ersichtlich, sind die Cr-Partikel bei dem gemäß der Erfindung hergestellten Elektrodenmaterial (als dispergierte Partikel in Fig. 1 gezeigt) deutlich feiner (bei dem Beispiel ist die Partikelgröße etwa 20 bis 30 µm) als diejenige des Vergleichsbeispiels (als dispergierte Partikel in Fig. 2 gezeigt), und außerdem ist die Verteilung gleichförmig. Der Sauerstoffgehalt in der Legierung wurde unter Verwendung eines Schmelzgasanalyseverfahrens gemessen und ergab sich zu 900 bis 1100 ppm beim Vergleichsbeispiel, und sehr viel geringer, nämlich nur 150 zu 250 ppm für das erfindungs­ gemäße Beispiel.

Obwohl bei dem Beispiel das geschmolzene Metall 9 in eine wassergekühlte Kupferform gegossen wird, können, da der Schmelztiegel 1 wassergekühlt ist, feine Cr-Partikel auch dadurch ausgefällt werden, daß die Stromversorgung zu den beiden Induktionsspulen 7 und 8 abgeschal­ tet wird, während das Abstichloch 5 verschlossen bleibt, um das geschmolzene Metall innerhalb des Schmelztiegels 1 abzukühlen. Obwohl die Schweb-Schmelzvorrichtung ideal für das Erhitzen ist, kann Hochfrequenzerhitzen auch innerhalb eines gewöhnlichen Graphit- oder Keramik-Schmelztiegels eingesetzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Cr in Cu geschmolzen, wonach abgeschreckt wird und Cr ausfällt, so daß, verglichen mit dem Sinterverfahren oder dem Schmelz-Infiltrationsverfahren, ultrafeine Cr-Partikel dispergiert werden können und verhindert werden kann, daß das Metallge­ füge infolge von Oxidfilmen auf Ausgangspulvern fehlerhaft wird. Da ferner die Größe der ausgefällten Cr-Partikel nicht von der Partikelgröße des Cr-Materials vor dem Schmelzen beeinflußt wird, kann die Partikelgröße des Cr-Materials solange vergrößert werden, solange das Schmelzen des Materials nicht beeinträchtigt wird, so daß die Gesamtoberfläche des Cr-Materials verringert werden kann und dadurch der Sauerstoffgehalt minimiert werden kann, der infolge der Oxidfilme auf der Materialoberfläche in der Legierung enthalten ist.

Da die vorliegende Erfindung zum Heizen ein temperaturgesteuertes Heizverfahren, etwa Hochfrequenzheizen, verwenden kann, kann das Schmelzen bei Temperaturen ausgeführt, die für Komponenten entsprechend dem prozentualen Cu-Gehalt oder Zusätzen wie Bi und Te geeignet sind, womit ein Elektrodenmaterial industrieller Stabilität geschaffen werden kann.

Wenn das erfindungsgemäß hergestellte Elektrodenmaterial für einen Vakuum-Leistungsschalter verwendet wird, können der Abschaltstrom und die dielektrische Durchbruchspannung erhöht werden, während der Lichtbogen-Abreißstrom verringert werden kann, so daß die Herstellung eines kleinen und zuverlässigen Vakuum-Leistungsschalters ermöglicht wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials für einen Vakuum-Leistungs­ schalter, umfassend
Erhitzen einer ein Cu-Material und ein Cr-Material in einem vorbestimmten Verhältnis enthaltenden Mischung, bis die Mischung zum Erhalt eines geschmolzenen Metalls mit beiden Elementen in gleichförmig geschmolzenen Zustand geschmolzen ist, und
Abschrecken des geschmolzenen Metalls zum Ausfällen von Cr in einer Cu-Basis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Mischung unter Verwendung eines Schweb-Schmelzverfahrens geschmolzen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Cr-Material Pulver oder Massen einer Partikelgröße von 1 mm umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall dadurch abgeschreckt wird, daß es in eine wassergekühlte Kupferform gegossen wird.