DE2034473C2 - Verfahren zur Herstellung eines weitgehend gasfreien Verbundwerkstoffs zur Verwendung als Kontaktwerkstoff in Vakuumschaltern - Google Patents

Description

• Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß Silizium in kleinen Mengen als Zugabe zu Kupfer und/oder Silber als Netzmittel zur Vakuuminfiltration dieser Metalle in einen porösen Wolframkörper bestens geeignet ist. Es ergibt sich ein dichter Wolfram-Kupfer- oder Wolfram-Silber-VerbundwerkstoflE mit großer Gasfreiheit. Durch den Si-Zusatz wird der elektrische Widerstand nur geringfügig beeinflußt - 1 Atomprozent Silizium zu Kupfer erhöht dessen Widerstand nur von 1,72X 10-6 Qcm auf 5,5 x 10-6 /cm. Tatsächlich ist jedoch die elektrische Widerstandserhöhung noch wesentlich geringer, da gefunden wurde, daß sich das Silizium bevorzugt in der Grenzschicht zwischen dem Wolfram und dem entsprechenden Infiltranten ansammelt.
• Durch diesen Prozeß, der durch die selektive Legierungsbildung zwischen Wolfram und Silizium hervorgerufen wird, verarmt also der Inflltrant stark an Si, und sein elektrischer Widerstand wird dadurch nur geringfügig von dem der reinen Metalle abweichen.
• Die benetzende Eigenschaft des Siliziums bei der Vakuuminflltration tritt schon ab 0,1 Gewiclitsprozent auf. Vorteilhaft ist es dabei, den Wolframkörper in einer Wasserstoffatmosphäre bei 10000 C für etwa 1 Stunde vorzusintern. Dadurch wird gleichzeitig der Gehalt an anderen Unreinheiten, besonders Sauerstoff, verringert.
• Der so behandelte Preßkörper wird dann mit der entsprechenden Menge des Infiltranten unter einem Vakuum von 10-5Torr und einer auf 1200 bis 14000 C erhitzt. Bei dieser Temperatur dringt der Infiltrant innerhalb kurzer Zeit in den porösen Wolframkörper vollständig ein. Die Infiltrationszeit hängt außer von der gewählten Temperatur von der Größe des Preßkörpers ab. Es ist jedoch vorteilhaft, die Erhitzung möglichst lang durchzuführen, um alle Gase abzusaugen.
• Der Gehalt an Silizium kann noch weiter auf 0,01 Gewichtsprozent gesenkt werden, wenn dem Wolframpulver gleichzeitig geringe Mengen von Nickelpulver, mindestens 0,1 Gewichtsprozent, beigemischt werden. Es ist bekannt, daß etwa 5 O/o Ni-Beimengung zum Wo-Gerüst, die Infiltration unter Atmosphärendruck fördert. Überraschend ist aber, daß für die Vakuuminfiltration so geringe Mengen Ni genügen, wenn der Infiltrant 0,01 O/o Si als Netzmittel enthält.
• Die benetzungsfördernde Wirkung des Siliziums beschränkt sich nicht nur auf eine Zulegierung dieser Metalle zu Kupfer und/oder Silber, sondern kann auch durch Zugabe der entsprechenden Menge in Granulat- oder Pulverform zum Tränkmetall erreicht werden, vorteilhafterweise durch Einpacken in Kupfer- oder Silberfolien.
• Um die größtmögliche Gasfreiheit des Verbundwerkstoffs zu erzielen, ist die Vakutmlinfiltration allein nicht ausreichend, obwohl hierdurch, wie durch Gas analysen festgestellt wurde, der Gasgehalt um einige Zehnerpotenzen gegenüber den Ausgangsmaterialien gesenkt wird. Zwecks Erreichung der maximalen Gasfreiheit wird auch der Infiltrant vor der Infiltration gasfrei gemacht. Man geht dabei so vor, daß der Infiltrant unter Wasserstoff zwecks vollstandiger Desoxidation geschmolzen und dann der aufgenommene Wasserstoff durch Abpumpen in einem Vakuum von 10-5 Torr und geringer entfernt wird.
• Die Kokille wird sodann langsam aus der Heizzone abgesenkt, wodurch eine gerichtete Erstarrung erreicht wird. Durch diese Behandlung wird ein weitgehend gasfreier Material mit Gasgehalten von weniger als 1 ppm erhalten. Diese Reinigung kann sowohl an der Legierung erfolgen als auch nur auf Kupfer und Silber beschränkt bleiben, wenn Silizium in Granulat- oder Pulverform beigegeben wird. Silizium selbst ist heute in hochreiner und gasfreier Form im Handel erhältlich.
• Im Laufe der Versuche zeigte sich, daß die besten handelsüblichen Wolframpulver den hohen Anforderungen bezüglich Gasfreiheit nicht gewachsen sind.
• Es wurde daher eine Methode zur Herstellung von gasfreiem Wolframpulver entwickelt.
• Bekanntlich kann durch Elelktronenstrahl-Zorlenschmelzen unter Vakuum ein Wolfram mit den geringsteg Gasresten (Totalgasgehalt 11ppm) erhalten werden. Dieses so - hergestellte Wolfram liegt stets in Einkristallform vor und zeigt im Zugversuch je nach Orientierung Dehnungswerte bis zu 15°/o. Solche Einkristalle sind spröde, wenn sie gewalzt werden, und man kann auf diese Weise ein erstes grobkörniges Wolframpulver herstellen. Die anschließende Feinstpuiverherstellung erfolgt durch Mahlen in einer H[artmetall-Mörsermiühle unter hochreinem Argon, um eine Sauerstoffaufnahme zu verhindern.
• Wie schon eingangs erwähnt, muß der Lichtbogen bei WechselstromLbelastung bis zum ersten Stromnulldurchgang brennen. Um dies zu erreichen, ist es bekannt, hochreine Kupferkontakte mit kleinen Beimengungen von Tellur, Wismut, Blei, Thallium und Zinn zu verwenden, die vermutlich durch ihre verhältnismäßig hohen Dampfdriicke wunschgemäß wirken.
• Es wurde nun gefunden, daß diese Elemente als Zusatz zu Kupfer und Silber ebenfalls in den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff unter Vakuum eingebracht werden können, wobei Silizium wiederum als Infiltrationsaktivator (Netzmittel) dient

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines weitgehend gasfreien Verbundwerkstoffs, zur Verwendung als Kontaktwerkstoff in Vakuumschaltern, durch Infiltrieren von mit einem Netzmittel versetztem Silber und/oder Kupfer in ein Wolfram-, Molybdän-, Niob- oder Tantal-Skelett im Vakuum, d a -durch gekennzeichnet, daß als Netzmittel ein Zusatz von mindestens 0,1 ovo Silizium eingebracht wird.
2. 2. Verfahren zur Herstellung eines weitgehend gasfreien Verbundwerkstoffs, zur Verwendung als Kontaktwerkstoff in Vakuumschaltern, durch Infiltrieren von mit einem Netzmittel versetztem Silber und/oder Kupfer in ein Wolfram-, Molybdän-, Niob- oder TantalSkelett mit mindestens 0,1 o/o Nickelzusatz im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß als Netzmittel ein Zusatz von 0,01 °/o Silizium eingebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Inflltranten außer dem Netzmittel mehr als 1°/o Tellur, Wismut, Blei, Thallium oder Zinn beigegeben wird.
4. 4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Skelettkörper aus Pulver, das durch Mahlen unter Argon von elektronenzonengeschmolzenen Einkristallen aus Wolfram, Molybdän, Niob oder Tantal gewonnen wurde.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von weitgehend gasfreien Verbundwerkstoffen, die als Werkstoff für die Kontakte von Vakuumschaltern verwendet werden sollen.

   An die Kontaktwerkstoffe in solchen Schaltern werden bekanntlich höhere Anforderungen gestellt als an die Kontaktwerkstoffe für Schalter, die in Luft oder öl arbeiten. Neben den üblichen Forderungen nach Durchschlagfestigkeit, Abschalteignung, Nichtverschweißbarkeit, niedrigen Kontaktwiderstand und kleiner Abbrandrate kommen noch die spezifischen Forderungen nach ganz besonders reinen und gasfreien Oberflächen sowie nach extremer Gasfreiheit des gesamten Kontaktstücks hinzu. Das Kontaktstück darf also beim lokalen Aufschmelzen im Lichtbogen keine Gase abgeben, da sonst das Vakuum verschlechtert und damit die Durchschlagfestigkeit verringert wird.

   Andererseits ist es notwendig, daß das Kontaktstück genügend Metalldampf liefert, damit der Bogen bis zum ersten Stromnulldurchgang brennt. Anderenfalls kann es zu den gefürchteten Spannungsspitzen beim Abschalten kommen.

   Die Forderung der Nichtverschweißbarkeit steht im Widerspruch zu der Forderung der besonderen Oberflächenreinheit, da bekanntlich gewisse Metalle, wenn sie hochreine Oberflächen besitzen, im Vakuum sehr leicht verschweißen. Hochreines Kupfer oder Silber sind Beispiele dafür. Sie sind aus diesem Grunde für den Vakuumschalter ungeeignet, obwohl sie gute Abschalteignung und Durchschlagfestigkeit besitzen. Andererseits erfüllen hochschmelzende Metalle, wie z. B.

   Wolfram, die Forderung nach Durchschlagfestigkeit und Nichtverschweißbarkeit, haben jedoch schlechte Stromabschalteigenschaften. Weiterhin haben die hochschmelzenden Metalle gegenüber Kupfer und Silber einen hohen elektrischen Widerstand, was ebenfalls für die Verwendung als Kontaktwerkstoff von Nachteil ist.

   Es ist seit langem bekannt, daß ein Wolfram-Kupfer- oder Wolfram-Silber-Verbundmaterial die speziiischen Nachteile, die jede einzelne Komponente als Kontaktwerkstoff hat, aufheben und ein in bezug auf die Aufgabenstellung ideales Kontaktmaterial ergeben. Außerdem besitzt ein Verbundwerkstoff dieser Art noch einen besonderen Vorteil, nämlich den der sogenannten »Schwitzkühlung«, die ihre Ursache in den sehr unterschiedlichen Schmelzpunkten der beiden Komponenten hat. Infolge dieses Effektes erfolgt, wie Untersuchungen zeigten, der Stoffverlust bei kurzzeitigen Lichtbogenbelastungen durch Abdampfen der niedrigerschmelzenden Komponente unter gleichzeitiger Kühlung der höherschmelzenden. Bei reinen Metallen und Legierungen erfolgt dieser Stoffverlust jedoch überwiegend durch Abschleudern kleiner Schmelztröpfchen und ist dadurch wesentlich größer.

   Obwohl Wolfram und Kupfer bzw. Silber nicht ineinander löslich sind, gelingt es doch, diese Materialien durch Erhitzen in Wasserstoff zu verbinden. Man geht dabei so vor, daß entweder die gemischten und verpreßten Pulver oberhalb des Schmelzpunktes der niedrigerschmelzenden Komponente gesintert werden, oder aber in einen porösen Wolframkörper, ebenfalls unter Wasserstoff, die niedrigerschmelzenden Komponente infiltriert wird.

   Im zweiten Fall erhält man einen sowohl bezüglich der mechanischen als auch der physikalischen Eigenschaften besseren Verbundwerkstoff, weshalb diesem Verfahren der Vorzug zu geben ist.

   Für die Zwecke des späteren Einbaus solcher Werkstoffe in Vakuumschalter ist es notwendig, daß die verwendeten Pulver und Infiltranten besonders gasfrei sind und die Infiltration im Vakuum durchgeführt wird, damit die Werkstoffe - wie gefordert -gasfrei sind. Eine Infiltration im Vakuum versagt jedoch bei den obengenannten Verbundwerkstoffen.

   Es ist bekannt, daß kleine Mengen von Al, Co, Fe, Ni, Ti und Zr als Netzmittel die Vakuuminfiltration von Kupfer bzw. Silber in ein Wo-, Mo-, Nb- oder Ta-Skelett fördern.

   Co, Fe, Ni, Ti und Zr beeinflussen jedoch den elektrischen Widerstand des Kupfers bzw. Silbers schon in kleinen Mengen recht stark. Zum Beispiel wird durch Zugabe von 1 Atomprozent Ti der elektrische Widerstand von Kupfer von 1,72X10-6 /cm auf 1,409X10-5 Q/cm vergrößert.

   Von einem elektrischen Kontaktmaterial wird aber auch verlangt, daß der elektrische Widerstand so klein wie möglich ist. Zusätze, die den Widerstand schon in geringen Mengen stark erhöhen, sind daher unerwünscht.

   Aluminium als Netzmittel erhöht zwar den elektrischen Widerstand des Cu oder Ag nur unbedeutend, ist aber trotzdem unbrauchbar, weil es, infolge seiner Affinität zum Sauerstoff, in der Schmelze Al2O3-Schlacken bildet, die im Skelett dann zu nicht infiltrierten Nestern führt.