DE19932867A1

DE19932867A1 - Cu- oder Ag-haltiger Werkstoff

Info

Publication number: DE19932867A1
Application number: DE1999132867
Authority: DE
Inventors: Dietmar Gentsch
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2001-01-18

Abstract

Es wird ein Cu- oder Ag-haltiger Werkstoff, insbesondere ein Kontaktwerkstoff für Vakuumkammern, auch mit einer Cr/Cu-Sinterstruktur beschrieben, der mit wenigstens einem Dispersoid dotiert ist, dessen Löslichkeit im Werkstoff möglichst gering ist, wobei der Wert der Bildungsenthalpie KG möglichst stark negativ ist. Als Dispersoide kommen Metalle von Si, Al, Zr, Nb, Tr, Cr und Si und/oder Yttrium sowie Oxide, Nitride und Karbide von Si, W, Zr und/oder reiner Kohlenstoff in Frage.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Qualität und die Schaltfähigkeit eines Schaltgerätes hängt im wesentlichen von dem Kontaktwerkstoff ab. Während es für Schaltgeräte im unteren und mittleren Leistungs bereich befriedigende Kontaktwerkstoffe gibt, sind Kontaktwerkstoff für Schaltgeräte im Hochleistungsbereich, bei Hochstrom und Hochspannung, verbesserungsbedürftig und verbesserungsfähig. Dies liegt daran, daß die Energiedichte an der Kontaktoberfläche im Hochleistungsschalter sehr groß ist, so daß es innerhalb von weniger als 10 ms zum Anschmelzen des Werkstoffes verbunden mit Verdampfung und Verspratzung bzw. Verspritzung kommt.

Ein leistungsstarker bewährter Kontaktwerkstoff für Mittelspannungsvakuumkammern ist ein Sinterwerkstoff aus Kupfer und Chrom. Leistungsstark bedeutet hier, daß der Kontaktwerkstoff eine ausreichende mechanische Festigkeit bei guter elektrischer Leit fähigkeit besitzt. Bei dem Sinterwerkstoff Cu/Cr 30 beträgt die Leitfähigkeit immerhin noch 50% derjenigen des reinen Kupfers, wobei die Chrompartikel zu einer Abnahme des Cu-Leitungsquerschnittes führen, wogegen beispielsweise ein Metall wie Beryllium die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen reduziert, so daß 2% Beryllium die Leitfähigkeit des Kupfers auf 25% verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff der eingangs genannten Art zu finden, der bei ausreichender elektrischer Leitfähigkeit eine hohe Festigkeit besitzt.

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

Danach wird ein Cu- oder Ag-haltiger Werkstoff mit wenigstens einem Dispersoid do tiert, dessen Löslichkeit im Werkstoff möglichst gering ist, wobei der Wert der Bildungs enthalpie ΔG des Dispersoides möglichst stark negativ ist. Die Bildungsenthalpie ΔG (auch Gibbsenergie genannt) einer chemischen Verbindung ist ein Maß für deren che mische Stabilität. Dabei ist die thermische Stabilität um so besser, je negativer der Zahlenwert ist. Die Bildungsenthalpie representiert die Balance zwischen der Minimie rung der Enthalpie H und Maximierung der Endrupie S bei der Bildung einer chemi schen Verbindung:

ΔG = ΔH - t × ΔS

wobei t die absolute Temperatur in Kelvin ist. Für einige Verbindungen sind diese Werte tabelliert.

Durch diese Dispersoide wird die thermische Belastbarkeit der Werkstoffe, insbeson dere der Kontaktwerkstoffe aus Cu- oder silberhaltigem Material deutlich erhöht, wobei in zweckmäßiger Weise die Korngröße des Dispersoiden zwischen 1 nm bis 1.000 µm beträgt.

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

Die Wirkung der Dispersoide besteht darin, daß sie Kupfer oder Silber härten, ohne de ren elektrische Leitfähigkeit stark zu beeinträchtigen. Beispielsweise kann das Einbrin gen von 1 Gew.-% Aluminiumoxid in reines Kupfer dessen Leitfähigkeit zwar um ca. 20% mindern, die mechanische Festigkeit jedoch um mindestens das fünffache erhö hen, auch nach einer Wärmebehandlung bei bis zu 800°C und einer Stunde Haltezeit, was insbesondere beim Lötvorgang innerhalb einer Vakuumkammer unvermeidlich ist.

Zur Herstellung eines entsprechenden Werkstoffes mit der Dotierung wird das Disper soid in Pulverform dem ebenfalls in pulverisierter Form vorliegenden Matrixmaterial zu gegeben, gemischt, anschließend gepreßt und gesintert oder auch bis zum fertigen Werkstoff stranggepreßt. Solche Herstellungsverfahren sind an sich bekannt.

In der DE 195 37 657.9 ist ein Kontaktstück beschrieben, bei dem eine Schicht von Cu/Cr-Sintermaterial auf einen Basiskörper von Kupfer aufgebracht ist. Auch bei einem derartigen Werkstoff kann insbesondere die Kontaktschicht mit Dispersoiden dotiert sein, in dem das mit den Dispersoiden versehene Pulver aus Chrom bzw. aus Chrom und Kupfer auf einem Basiskörper von Kupfer aufgesintert wird.

Hieraus ist ersichtlich, daß nicht nur reine Metalle, sondern darüber hinaus auch Sin terwerkstoffe weiter verbessert werden können, insbesondere Kontaktwerkstoffe, die aus einem Sintermaterial aus Kupfer und Chrom hergestellt sind.

Bei der Auswahl der Dispersoide, wie sie in den Patentansprüchen angegeben sind, ist besonders auf eine geringe Löslichkeit innerhalb der gewählten Werkstoffkombination zu achten; demgemäß werden die Dispersoide aus solchen Materialien gebildet, die sich in Kupfer bzw. in Silber kaum lösen. Damit ist eine kristallographische Inkohärenz in der Regel gegeben, so daß durch die Dispersoide das elektrische leitfähige Material nicht beeinflußt wird. Bei der Auswahl der Dispersoide ist darauf zu achten, daß das Dispersoid thermodynamisch stabil, d. h. ΔG stark negativ ist, so daß bei der Herstel lung des Werkstoffes insbesondere des Kontaktwerkstoffes eine chemische Reaktion oder ein Zerfall des Dispersoides nicht eintritt. Dies gilt besonders für die meisten Oxide, Nitride und Karbide der in den Patentansprüchen angegebenen Materialien. Neben den chemischen Verbindungen bei nachfolgender Wärmebehandlung der sog. Grünlinge können auch reine Metallteilchen im Pulver vorhanden sein, die thermody namisch begünstigt innerhalb des Matrixwerkstoffes zum Dispersoid eine entspre chende chemische Verbindung eingehen. Beispielsweise erfolgt eine Oxidation der Metallteilchen nach der Dotierung eines Kupfer-Chromwerkstoffes mit reinem Alumi nium, Silizium oder Zirkon durch die Reduktion des Chromoxides, das an der Chrom oberfläche vorliegt, beim Sintervorgang. Des weiteren sollte eine gute mechanische Bin dung zwischen Matrix und Dispersoid vorliegen, damit unter Last keine Dekohäsion eintritt.

Zusätzlich zu den vorgenannten Verbesserungen gelingt mit Dispersoiden auch eine Erniedrigung des sog. Chopping-Stromes.

Wie aus den Ansprüchen ersichtlich, eignen sich als Dispersoide die Oxide der Ele mente Si, Al, Zr, Nb, Ti, Cr und Yttrium, SE, die Karbide von Si, W, Cr sowie der Koh lenstoff selbst; die Nitride von Ti, Al und Si haben eine Verbesserung der Festigkeit des Werkstoffes ohne eine erhebliche Reduzierung der Leitfähigkeit zur Folge, allerdings können die genannten Nitride für Kontaktstücke in Vakuumschaltkammern nicht ver wendet werden. Mit Dispersoiden von Zr- und Nb-Oxid werden ähnliche Wirkungen er reicht wie mit den oben beschriebenen Oxiden. Verfahrensmöglichkeiten zur Herstel lung von dispersionsverstärkten Werkstoffen bestehen darin, daß das Matrix- und Dis persoidmaterial getrennt hergestellt und gemischt werden. Diese Pulver werden z. B. im Reaktiv- oder inertem Gas plasmabehandelt und danach die Partikel in den Werkstoff eingebracht.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Matrix und das Dispersoid im selben Verfah rensschritt beim Sintern entstehen, wobei das Dispersoid durch chemische Reaktions-, Reduktions- bzw. Oxidationsprozesse der beteiligten Werkstoffe entstehen, beispiels weise gemäß der Formel:

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃

Anhand einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert und beschrieben werden:
Ein Kontaktwerkstoff für eine Hochspannungsvakuumkammer wird mit folgenden Schritten hergestellt:

Beispiel 1

- Mischung einer 75 Gew.-%-Menge Cu, Cr mit einer Korngröße < 100 µm mit 1 Gew.-% eines Dispersoides aus Al₂O₃ mit einer Korngröße von 70 nm.
- Nach dem Mischen und Sintern bzw. Schmelzen, d. h. Tränken, bei einer Tempera tur von 1000 bzw. < 1.200°C ergibt sich ein Kontaktwerkstoff, bei dem die Leitfähig keit gegenüber der des reinen Kupfers um etwa 50% reduziert ist, wobei die Festig keit um das 3-fache erhöht ist.

Beispiel 2

- Mischung einer 75 Gew.-%-Menge Cu, Cr mit einer Korngröße < 100 µm mit 1 Gew.-% eines Dispersoides aus SiO₂ und einer Korngröße von 8 nm (entspricht etwa 0,5 Millionen Moleküle).
- Nach dem Mischen des Pulvers und anschließendem Sintern bzw. Schmelzen bei Temperaturen von 1000 bzw. < 1.200°C ergibt sich ein Kontaktwerkstoff, bei dem die Leitfähigkeit gegenüber der des reinen Kupfers ebenfalls um etwa 50% reduziert ist, wobei die Festigkeit um das 4-fache erhöht ist.

Beispiel 3

- Mischung einer 50 Gew.-%-Menge Cu, Cr wird mit 1,7 Gew.-% eines Dispersoides aus C und einer Korngröße von bis zu 300 nm gemischt.
- Nach dem Mischen des Pulvers und anschließendem Schmelzen und Tränken bei Temperaturen < 1.200°C ergibt sich ein Kontaktwerkstoff, bei dem die elektrische Leitfähigkeit gegenüber der des reinen Kupfers um 50% reduziert ist, wobei die Festigkeit auf 70% der Festigkeit von CuCr 25 absinkt.

Claims

1. Cu- oder Ag-haltiger Werkstoff, insbesondere Kontaktwerkstoff für Vakuum kammern, auch mit einer Cr/Cu-Sinterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß der Werk stoff mit wenigstens einem Dispersoid dotiert ist, dessen Löslichkeit im Werkstoff mög lichst gering ist, wobei der Wert der Bildungsenthalpie ΔG möglichst stark negativ ist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersoid eine Korngröße von etwa 1 nm bis etwa 10 µm aufweist.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dispersoidanteil zwischen einem Wert < 0 und 15 Gew.-% liegt.

4. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Disper soid ein Metall aus der Gruppe Si, Al, Zr, Nb, Ti, Cr, Si und/oder Yttrium Verwendung finden.

5. Werkstoff nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Dispersoid Oxide und/oder Nitride der Metalle Verwendung finden.

6. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Dispersoid die Karbide von Si, W, Cr, und/oder reiner Kohlenstoff Verwendung fin den.