DE2101414C3

DE2101414C3 - Method of making a heterogeneous interpenetrating composite metal

Info

Publication number: DE2101414C3
Application number: DE19712101414
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.rer.nat 8501 Wendelstein; Schreiner Horst Prof. Dr.techn.habil. 8500 Nürnberg Häßler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-01-13
Publication date: 1976-07-08

Description

5555

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines heterogenen Durchdringungsverbundmetalls als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bei dem die Poren eines porösen Sintergerüstes aus einem abbrandfesten, hochschmelzenden Metall wie Wolfram, Rhenium oder Molybdän, oder aus einer Legierung dieser Metalle mit einem elektrisch gut leitenden niederiger schmelzenden Metall, wie Silber und Kupfer, oder einer niedriger schmelzenden Legierung dieser Metalle getränkt werden.The invention relates to a method of making a heterogeneous interpenetrating composite metal as a contact material for vacuum switches, in which the pores of a porous sintered structure consist of a Resistant, high-melting metal such as tungsten, rhenium or molybdenum, or an alloy of these Metals with a low-melting metal with good electrical conductivity, such as silver and copper, or a lower melting alloy of these metals are impregnated.

An Kontaktwerkstoff^ die in Vakuumschaltern eineesetzt werden, besteht die Forderung nach extrem niedrigen Gasgehalten und gasabgebenden Verunreinieuneen Daneben sollen derartige Kontaktwerkstoffe besonders niedrige Schweißkräfte und geringen Abbrand durch Verdampfen im Lichtbogen aufweisen, um eine lange Lebensdauer und einen kleinen Kontaktwiderstand zu erreichen. Die zuletzt genannte Forderung nach kleinem Kontaktwiderstand kann im Vakuumschalter dadurch leicht erfüllt werden, daß die in der Atmosphäre wirksamen chemischen und physikalischen Stoffe im Vergleich zu Luftschaltern wegfallen und auf den Kontaktoberflächen keine Fremdschichten an Verbindungen zwischen den Kontaktmetallen und Sauerstoff bzw. Schwefel entstehen. Darüber hinaus besteht die Eigenschaftsforderung nach kleinem »Chopping-Effekt« d. h.. daß beim Schalten kleiner Ströme der Lichtbogen nicht abreißt, damit keine Spannungsspitzen durch Induktionswirkung hervorgerufen werden, die zu Durchschlägen führen können. Um diesen Antichopping-Effekt zu erzielen, werden dem Grundkontaktwerkstoff Komponenten zugesetzt, die einen hohen Dampfdruck bei den Arbeitsbedingungen im Lichtbogen aufweisen, wodurch die Einschnürung des Lichtbogens durch die Stromkräfte (Pinch-Effekt) verminderiOn contact material ^ which is used in vacuum switches there is a requirement for extremely low gas contents and gas-emitting impurities In addition, such contact materials should have particularly low welding forces and low erosion by evaporation in the arc have a long service life and a small contact resistance to reach. The last-mentioned requirement for low contact resistance can be in the vacuum switch can easily be satisfied by the fact that the chemical and physical factors active in the atmosphere Compared to air switches, there are no substances and no foreign layers of connections on the contact surfaces between the contact metals and oxygen or sulfur. In addition, there is the requirement for a small "chopping effect" d. This means that when switching small currents, the arc does not break off, so that there are no voltage peaks caused by induction that lead to Can lead to breakdowns. About this anti-popping effect To achieve, components are added to the base contact material that have a high Vapor pressure in the working conditions in the arc, causing the constriction of the arc the current forces (pinch effect) reduce

Die bekannten Kontaktwerkstoffe aus Kupfer oder Kupferlegierungen zeigen insbesondere bei Verwendung im Vakuumschalter verhältnismäßig hohe Schweißkräfte und großen Abbrand.The known contact materials made of copper or copper alloys show in particular when used Relatively high welding forces and large burn-offs in the vacuum switch.

Es sind Kontaktwerkstoffe bekannt, die aus abbrandfesten Stoffen, wie z. B. den hochschmelzenden Metallen Wolfram und Molybdän, bestehen, die in Form eines porösen Gerüstes gesintert und deren Poren mit einem Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit getränkt werden. Bei der Herstellung dieser Kontaktwerkstoffe, die zur Entgasung im Hochvakuum bei Temperaturen von 1300 bis 1500⁰C behandelt werden, besteht bei Verwendung einer Wirkkomponente zur Erzielung eines Antichopping-Effektes, z.B. eines Metalls mit einem hohen Dampfdruck, die Schwierigkeit, hierfür einen gewünschten definierten Gehalt einzustellen.There are known contact materials that are made of non-erosive materials, such as. B. the refractory metals tungsten and molybdenum exist, which are sintered in the form of a porous framework and the pores of which are impregnated with a metal of high electrical conductivity and high thermal conductivity. In the production of these contact materials, which are treated for degassing in a high vacuum at temperatures of 1300 to 1500 ⁰ C, the difficulty arises when using an active component to achieve an antichopping effect, e.g. a metal with a high vapor pressure, to obtain a desired, defined content adjust.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen der obengenannten Kontaktwerkstoffe unter Umgehung der eben geschilderten Schwierigkeiten anzugeben.The invention is based on the object of a method for producing the above-mentioned contact materials by circumventing the difficulties just described.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens ein Metall oder eine Legierung als Diffusionsmetall mit einem höheren Dampfdruck als dem des flüssigen Kupfers als Legierungskomponente durch Diffusion in einer eine geringe Löslichkeit in dem Diffusionsmetall und in dem Tränkmetall besitzenden Schutzgasatmosphäre in das in den Poren des Sintergerüstes befindliche Tränkmetall eingebracht wird, wozu das getränkte Sintergerüst bereits im Hochvakuum entgast worden war, und daß die Diffusionstemperatur so gewählt wird, daß das Tränkmetall mindestens nach Eindiffundieren des Diffusionsmetalls in flüssiger Phase vorliegt.According to the invention the object is achieved in that at least one metal or an alloy is used as the diffusion metal with a higher vapor pressure than that of liquid copper as an alloy component Diffusion in a low solubility in the diffusion metal and in the impregnating metal Protective gas atmosphere is introduced into the impregnating metal located in the pores of the sintering structure, for which purpose the soaked sinter framework had already been degassed in a high vacuum, and that the diffusion temperature was so it is chosen that the impregnation metal is in the liquid phase at least after diffusion of the diffusion metal is present.

Die Diffusion des Diffusionsmetalls in das die Poren des Sintergerüstes ausfüllende Tränkmetall erfolgt im flüssigen Zustand des Tränk- und Diffusionsmetalls, vorzugsweise bei einer Diffusionstemperatur von 20 bis 240⁰C oberhalb der Schmelztemperatur des Tränkmetalls oder der sich zwischen Tränkmetall und Diffusionsmetall bildenden Legierung. Bei Verwendung von Silber als Tränkmetall werden vorzugsweise Tempera-The diffusion of the diffusion metal in which takes place the pores of the sintered scaffold filling impregnated metal in the liquid state of the impregnation and diffusion metal, preferably at a diffusion temperature from 20 to 240 ⁰ C above the melting temperature of infiltration metal or the forming between infiltration metal and diffusion of metal alloy. When using silver as the impregnation metal, temperatures are preferably

21 Ol21 Ol

türen von 1000 bis 1200⁰C und bei Verwendung von Kupfer als Tränkmetall solche zwischen 1100 und 1300¹C eingestelltDoors from 1000 to 1200 ⁰ C and when using copper as impregnation metal, those between 1100 and 1300 ¹ C are set

Als Diffusionsmetall eignen sich insbesondere mindestens eines der Metalle Wismut, Kadmium. Gallium, Indium, Blei, Zinn und Tellur.At least one of the metals bismuth and cadmium are particularly suitable as the diffusion metal. Gallium, Indium, lead, tin and tellurium.

Als überraschender Effekt hat sich bei der Diffusion gezeigt, daß Wismut in Kupfer als Tränkmetall, das sich in den Poren eines Molybdän- oder Wolfram-Sintergerüstes befindet, bei Temperaturen von 1200⁰C nach etwa 15 Minuten eine Eindringtiefe von 5 mm erreicht. Nach der Diffusionsbehandlung ist der Wismutgehalt im kupfergetränkten Bereich innerhalb des Porenraumes der hochschmelzenden Komponente praktisch einheitlich. Nach dieser Methode gelingt es, das Diffusionsmeiall mit hohem Dampfdruck in einer festgelegten gewünschten Konzentration im Tränkmetall zu verteilen. Für Vakuumschalter haben sich WCuBi-Werkstoffe mit Cu-Gehalten von 10 bis 30%, vorzugsweise 10 bis 15 und 15 bis 25%, und MoCuBi-Werksloffe mit Cu-Gehalten zwischen 15 und 45%, vorzugsweise 15 bis 25 und 25 bis 35%, und Bi-Gehallen zwischen 0,2 und 2%, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 und 0,7 bis 1,3%, besonders bewährt.As a surprising effect has been shown in the diffusion that bismuth achieved mm in copper as the impregnating metal, which is located in the pores of a sintered molybdenum or tungsten skeleton at temperatures of 1200 ⁰ C after about 15 minutes a penetration depth of the fifth After the diffusion treatment, the bismuth content in the copper-soaked area within the pore space of the high-melting component is practically uniform. With this method it is possible to distribute the diffusion metal with high vapor pressure in a specified desired concentration in the impregnation metal. For vacuum switches, WCuBi materials with Cu contents of 10 to 30%, preferably 10 to 15 and 15 to 25%, and MoCuBi materials with Cu contents between 15 and 45%, preferably 15 to 25 and 25 to 35% , and Bi-Gehallen between 0.2 and 2%, preferably 0.2 to 0.5 and 0.7 to 1.3%, particularly proven.

An Hand zweier Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail using two exemplary embodiments.

Beispiel 1example 1

In einem Graphittiegel von 35 mm Durchmesser wird ein Sinterkörper aus WCu 20 mit 8OgW und 20 g Cu und als Diffusionsmetall ein Zusatz von 0,3 bis 1,0 g Bi oder Te gegeben. Danach wird der Graphittiegel auf eine Temperatur zwischen 1100 und 1200⁰C erwärmt. Die Diffusion erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre aus Argon oder Stickstoff und ist nach etwa 10 Minuten abgeschlossen.A sintered body made of WCu 20 with 80 gW and 20 g of Cu and an addition of 0.3 to 1.0 g of Bi or Te as diffusion metal is placed in a graphite crucible with a diameter of 35 mm. Thereafter, the graphite crucible is heated to a temperature of 1100-1200 ⁰ C. The diffusion takes place in a protective gas atmosphere made of argon or nitrogen and is completed after about 10 minutes.

Beispiel 2Example 2

In einer Variante des Verfahrens nach Beispiel 1 kann an Stelle eines reinen Bi- oder Te-Zusatzes als Diffusionsmetall auch eine Legierung, z. B. aus CuBi oder CuTe, verwendet werden. Hierbei wird in einen Graphittiegel von 35 mm Durchmesser ein Sinterkörper aus MoCu 15 mit 60 g Mo und etwa 10 g Cu gegeben. Als Diffusionsmetall werden 5 gVorlegierung, z. B. Kupfedegierungen mit 4 bis 12% Wismut oder 4 bis 12% Tellur, hinzugefügt. Die Menge und Konzentration der Vorlegierung ist so festgelegt, daß eine Endkonzentration von 0,3 bis 1% an Diffusionsmetall erreicht wird. Danach wird der Tiegel auf eine Temperatur von 1000 bis 1100"C erwärmt. Die Diffusion erfolgt unter einer Schutzgasatmosphäre aus Argon oder Stickstoff und ist etwa nach 10 Minuten abgeschlossen.In a variant of the method according to Example 1, an alloy, e.g. B. made of CuBi or CuTe can be used. A sintered body made of MoCu 15 with 60 g of Mo and about 10 g of Cu is placed in a graphite crucible with a diameter of 35 mm. As diffusion metal, 5 g pre-alloy, e.g. B. copper alloys with 4 to 12% bismuth or 4 to 12% tellurium added. The amount and concentration of the master alloy is determined so that a final concentration of 0.3 to 1% of diffusion metal is achieved. The crucible is then heated to a temperature of 1000 to 1100 ° C. The diffusion takes place under a protective gas atmosphere of argon or nitrogen and is completed after about 10 minutes.

Claims

Patent claims:

1. Method for producing a heterogeneous penetration composite metal as a contact material for vacuum switches, in which the pores of a porous sintered structure are made of a non-erosive, refractory metal, such as tungsten, rhenium or molybdenum, or an alloy of these Metals with a low-melting metal with good electrical conductivity, such as silver and copper, or a lower melting alloy of these metals are impregnated, characterized in that, that at least one metal or alloy as a diffusion metal with a higher Vapor pressure as the d * s of liquid copper as an alloy component by diffusion in a one low solubility in the diffusion metal and in a protective gas atmosphere containing impregnation metal is introduced into the impregnating metal located in the pores of the sintered housing, for which purpose the impregnated Sinter frame had already been degassed in a high vacuum, and that the diffusion temperature * o is chosen that the impregnation metal at least after diffusion of the diffusion metal in liquid Phase is present.

2. The method according to claim 1, characterized in that the diffusion ^{temperature is set from 20 to 240 0} C above the melting temperature of the impregnating metal © of the alloy formed between the impregnating metal and diffusion metal.

.3. Method according to claim 2, characterized in that that in the case of silver as the impregnating metal, the diffusion temperature is in the range from 1000 to 1200 ° C is set.

4. The method according to claim 2, characterized in that that in the case of copper as the impregnating metal, the diffusion temperature is in the range from 1100 to 1300 ° C is set.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the diffusion in one Argon or nitrogen atmosphere is carried out.

6. The method according to claims 4 and 5, characterized in that bismuth is diffused as a diffusion metal at a temperature of 1200 ⁰ C for 15 minutes in copper as the impregnating metal.

7. Application of the method according to one of claims 1 to 5 with cadmium, gallium, indium, Lead, tin and / or tellurium as diffusion metal.

8. Application of the method according to one of claims 1 to 5 with an alloy of copper-bismuth or copper tellurium as a diffusion metal.