DE2124707B2

DE2124707B2 - Kontaktwerkstoff fuer hochleistungs-vakuumschalter

Info

Publication number: DE2124707B2
Application number: DE19712124707
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr rer nat 8501 Wendelstein Schreiner Horst Prof Dr techn habil 8500 Nürnberg Haßler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-05-18
Filing date: 1971-05-18
Publication date: 1972-08-03
Also published as: AU462656B2; AU4233772A; IT955599B; ZA723316B; CA970184A; US3948652A; DE2124707A1; SE373225B; GB1390242A; JPS5530246B1; BE782668A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff für Hochleistungs-Vakuumschalter, bestehend aus einer Legierung aus einem Basismetall mit einem Schmelzpunkt unter 1800°C wie Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt, Titan und einem Zusatzmetall wie Wismut, Tellur, Blei zum Herabsetzen der Schweißkraft und des Chopping-Stromes, wobei die Löslichkeit des Zusatzmetalls im Basismetall im festen Zustand möglichst gering ist.

Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter müssen neben sehr geringem Gehalt an gelösten und gebundenen Gasen auch Legierungselemente enthalten, die die Schweißkraft herabsetzen und den Chopping-Strom möglichst gering halten. Es ist bekannt, daß niedrigschmelzende Metalle, wie Wismut, Tellur und Blei, diese geforderte Verringerung von Schweißkraft und Chopping-Strom ermöglichen, wenn Basismetalle wie Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt und Titan mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 1000⁰C und unterhalb von 1800⁰C verwendet werden, in denen sich die Zusätze Wismut, Tellur und Blei im festen Zustand nur gering oder gar nicht lösen. Es kommt daher beim Erstarren der entsprechenden Legierungen zu einer Ausscheidung der Zusatzmetalle an den Korngrenzen des Basismetalls, das auch eine

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Legierung aus mehreren hochschmelzenden Metallen Zusatzmetallen gegen Verschweißen und zu hohen

sein kann. Chopping-Strom.

Ein solcher Werkstoff besitzt jedoch die höchst- Als Basismetalle sind vorzugsweise Kupfer, Nickel,

mögliche Schweißsicherheit nur dann, wenn es Eisen, Kobalt und Titan vorgesehen. Als Zusatzgelingt, das sich ausscheidende Zusatzmetall, das für 5 metalle gegen Schweißen und zu hohen Chopping-

die Verringerung der Schweißkräfte verantwortlich Strom werden in an sich bekannter Weise Tellur,

ist, möglichst gleichmäßig in Grundmetall zu verteilen, Wismut oder Blei verwendet.

damit die durch den Lichtbogen aufgeschmolzenen Bei Verwendung von Kupfer als Basismetall und

Metallbereiche mit Sicherheit Schweißkraft verhin- Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall ist als dernde Zusatzmetalle enthalten. Es ist bekannt, das io Hilfsmetall z. B. Silber, Cer, Germanium, Lanthan,

hiermit geforderte feinkörnige Gefüge mit raschem, Magnesium, Titan oder Zirkon vorgesehen.

Abkühlen der Metallegierung, z. B. durch Ausgießen Bei Verwendung von Nickel als Basismetall und

in eine gekühlte Kokille, zu erreichen. Dieses Ver- Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall kann als

fahren führt jedoch nicht zu dem ebenfalls erforder- Hilfsmetall z. B. Bor, Beryllium, Kohlenstoff, Cer, liehen geringsten Gasgehalt, weil das rasche Erstarren 15 Lanthan, Magnesium, Zinn oder Titan verwendet

der Legierung eine genügend vollständige Ausschei- werden.

dung der gelösten Gase aus der Schmelze verhindert. Bei Verwendung von Eisen als Basismetall und

Dies beruht darauf, daß die Gaslöslichkeit von Me- Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall dienen als

tallen im flüssigen Zustand wesentlich größer als Hilfsmetall z. B. Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Gerim festen Zustand ist. Die Ausscheidung dieser Gase 20 manium, Niob, Titan oder Zirkon,

erfolgt also beim Erstarren des Metalls, wobei jedoch Bei Verwendung von Kobalt als Basismetall und

die Erstarrung langsam verlaufen muß, um stets den Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall eignen sich

thermodynamischen Gleichgewichtszustand einzuhal- als Hilfsmetall z. B. Bor, Kohlenstoff, Germanium,

ten und den ausgeschiedenen Gasen die Möglichkeit Niob, Antimon, Silicium, Zinn oder Titan,

zu geben, über Diffusionsprozesse in die noch flüssige 25 Bei Verwendung von Titan als Basismetall und

Metallschmelze zu gelangen. Damit wird die Gas- Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall wird als

konzentration der noch flüssigen Metallschmelze über Hilfsmetall z. B. Nickel verwendet,

den momentanen Gleichgewichtswert erhöht, so daß Bei Legierungen der beschriebenen Art hat sich

eine Entgasung entsprechend den vorhandenen Va- überraschenderweise eine feinkörnige Struktur und

kuumbedingungen eintritt. 30 gleichzeitig ein geringer Gasgehalt erreichen lassen.

Diese Entgasung müßte zwar auch im festen Zu- Das Zustandekommen dieser Effekte sei beispielsweise stand, also auch bei abgeschreckten Legierungen ein- an einer CuAg-Legierung mit Te-Zusatz beschrieben, treten, läßt sich aber in der Praxis nicht erreichen, Ausgegangen wird von der Legierung mit 85 Geweil die Diffusionskoeffizienten der Gase in festen wichtsprozent Cu, 14 Gewichtsprozent Ag und 1 Ge-Metallen mehrere Größenordnungen unter denen bei 35 wichtsprozent Te, die bei 1100⁰C im Vakuum geflüssigen Metallen liegen. Läßt man aber die Metall- schmolzen wird. Um das Verdampfen des Te im Vaschmelze langsam erstarren, um eine möglichst voll- kuum zu vermeiden, wird das Schmelzen in einem ständige Gasausscheidung und damit geringen Gas- abgedeckten Graphittiegel mit einer Porosität von gehalt des Werkstoffs zu erreichen, so erhält man ein etwa 20 % vorgenommen. In dem Zustandsdiagramm grobkristallines Gefüge, an dessen wenigen Korn- 40 gemäß F i g. 1 entspricht der Schmelzzustand bei grenzen sich die Schweißkraft und Chopping-Strom 1100° C dem Punkt 1. Beim langsamen Abkühlen der vermindernden Metallzusätze nesterförmig und damit Schmelze wird der Punkt 2 erreicht, wobei sich CuAgungleichf örmig ausscheiden. Mischkristalle der Zusammensetzung A ausscheiden.

Gemäß den beschriebenen Forderungen an Kontakt- Da die Löslichkeit des Te im Mischkristall sehr gering material für Vakuumschalter liegt der vorliegenden 45 ist, bleibt es in der flüssigen Phase in Lösung. Beim Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zu Auskristallisieren der CuAg-Mischkristalle sinkt gleichentwickeln, der ein feinkörniges Gefüge besitzt, um zeitig deren Gaslöslichkeit stark ab, so daß diese Gase eine feine, möglichst gleichförmige Verteilung der ebenfalls in die flüssige Phase abgegeben werden, Zusatzelemente zu erreichen, ohne daß der erreichbare wobei die Gaskonzentration in der' flüssigen Phase niedrige Gasgehalt des Werkstoffes durch Abschreck- 50 über den jeweils vorhandenen Gleichgewichtswert anverfahren verschlechtert wird. steigt. Der Gleichgewichtszustand wird dann durch

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, Abgabe von Gasen aus der Schmelze in das umgebende

daß die Legierung zusätzlich mindestens ein Hilfs- Vakuum wiederhergestellt, so daß durch diesen Prozeß

metall enthält, das mit dem Basismetall ein Eutek- eine Entgasung der Legierung erreicht wird. Der

tikum bildet, wobei die Konzentration des Hilf smetalls, 55 Mechanismus der Entgasung ist dabei ein Diffusions-

bezogen auf die Menge des Basismetalls, so gewählt prozeß, wobei die Entgasung durch den Konzen-

ist, daß das gebildete Eutektikum mindestens 15% trationsunterschied der Gase in der flüssigen Phase

und höchstens 50%, vorzugsweise 15 bis 25%, des und dem angrenzenden Vakuum zustande kommt.

Gesamtvolumens einnimmt, daß ferner das oder die Bei weiterem langsamen Abkühlen ändert sich die

Zusatzmetalle im Basismetall oder in Mischkristallen 60 Zusammensetzung der Phase entlang der Kurve 2-3

aus Basis- und Hilfsmetall höchstens bis zu 5 % zum Punkt 3 hin, während der Mischkristall, unter

gelöst sind und daß das oder die Zusatzmetalle im gleichzeitiger Vergrößerung entsprechend den auf dem

festen Eutektikum aus Basis- und Hilfsmetall fein- Zustandsdiagramm ablesbaren Gesetzmäßigkeiten,

verteilt enthalten und bei Raumtemperatur weniger seine Zusammensetzung entlang der Kurve A-B ändert,

als zu 5 % gelöst sind. 65 Bei weiterem Absenken der Temperatur wird schließ-

Der verwendete Legierungsansatz kann dabei sowohl Hch bei Punkt 3 die eutektische Legierungskonzen-

untereutektisch als auch übereutektisch sein und tration erreicht. Das Eutektikum erstarrt sehr rasch,

enthält außerdem die gewünschte Konzentration an so daß das darin enthaltene Te feinverteilt ausge-

schieden wird. Die vollständig erstarrte Legierung zeigt damit eine Struktur, die in F i g. 2 dargestellt ist.

Längliche, äußerst gasarme CuAg-Mischkristalle 1 sind in einer CuAg-Grundmasse 2 eutektischer Zusammensetzung eingelagert, in der sich die zugegebene Te-Menge in feiner Verteilung ausgeschieden hat. Der Gasgehalt des Eutektikums 2 entspricht dem Gleichgewichtswert entsprechend den vorhandenen Vakuumprozeß-Bedingungen. Da der Gasgehalt der Mischkristalle 1 jedoch, wie erwähnt, dem Gleichgewichtswert des Festkörpers entspricht, ist insgesamt gegenüber abgeschreckten Legierungen, bei denen kein Gleichgewichtszustand erreicht wird, eine Gasgehaltssenkung eingetreten. Gleichzeitig ist durch die Ausscheidung der Mischkristalle 1 von der Größen-Ordnung 100 bis 200 μπι die angestrebte Feinkörnigkeit gegenüber Legierungen ohne Eutektikumsbildung eingetreten.

Untersuchungen an CuBi- und CuAgBi-Legierungen ergaben im ersten Fall bei Korngrößen bis 6000 μηι einen Gasgehalt von 26 bis 30 Mol ppm, während sich im zweiten Fall bei Korngrößen bis 400 μπι ein Gasgehalt von 7 bis 11 Mol ppm ergeben hat. Um einen möglichst geringen Gasgehalt zu erreichen, soll die Menge der eutektischen Phase durch den Zusatz des Eutektikums bildenden Hilfsmetalls so bemessen sein, daß alle sich ausscheidenden Mischkristalle noch von der eutektischen Masse umhüllt sind, ohne daß es bereits zu isolierten Inseln aus Eutektikum kommt. Diese Forderung beruht darauf, daß die im Eutektikum vorhandenen Gase Gelegenheit haben müssen, an die Tiegelwand zu wandern, um in das Vakuum abgegeben zu werden. Gase, die sich in isolierten Inseln von eutektischer Masse befinden, werden darin zurückgehalten, da ihre Diffusion an die Tiegelwand über eine feste Kristallphase erfolgen muß, in der die Diffusionsgeschwindigkeit außerordentlich gering ist.

Die Herstellung solcher Legierungen geht von dem bereits erwähnten Gesichtspunkt aus, daß die sich primär ausscheidenden Kristalle, Mischkristalle oder intermetallischen Verbindungen beim Erstarren des Eutektikums sich nicht berühren sollen, sondern durch Eutektikumsbänder getrennt werden sollen. Dies beruht darauf, daß die Ausbildung isolierter Eutektikumsinseln vermieden werden muß. Hieraus ergibt sich eine Forderung für das Mengenverhältnis zwischen eutektischer Phase und Basismetall bzw. Mischkristall. Aus Versuchen hat sich ergeben, daß der Anteil des Eutektikums nicht weniger als 15°/₀ und aus Gründen eines günstigen Abbrandverhaltens nicht mehr als 50% der genannten Materialmenge betragen soll. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Gehalte zwischen 15 und 25%, wobei die Prozentgehalte sich auf Gewichtsmengen beziehen.

In den folgenden Beispielen wird die Herstellung einer Reihe solcher Legierungen beschrieben.

Beispiel 1

In einem geschlossenen, porösen Graphittiegel, der vorher bei etwa 2000⁰C entgast wurde, wird ein Legierungsansatz CuGe4TeO,5 bei 1100 bis 1200⁰C induktiv aufgeschmolzen und homogenisiert. Durch langsames Anheben der Induktionsspule mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 5 bis 50mm/Std. wird die Heizzone verlagert, und die Erstarrung beginnt vom Boden her einzusetzen und verläuft gerichtet zum oberen Ende. Bei etwa 1060⁰C beginnen sich Cu-Ge-Mischkristalle auszuscheiden, während die verbleibende flüssige Phase sich an Ge anreichert und mit eutektischer Zusammensetzung (etwa 24 Gewichtsteile Ge) bei 743 ⁰C erstarrt, wobei das Tellur feindispers ausgeschieden wird.

Beispiel 2

Legierungsansatz: CuZr2BiO,5.

Schmelzen und Homogenisieren bei 1100 bis

Erstarrungsbeginn etwa bei 1060⁰C. Primärausscheidung: Cu-Kristallite. Erstarrung des Eutektikums (CuZr9): bei 965⁰C. Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 1.

Beispiel 3

In einem Bornitrid-Tiegel, der mit einem porösen Deckel versehen ist und bei Temperaturen von etwa 2000⁰C im Vakuum aufgeheizt wurde, wird der Legierungsansatz FeB IBi 0,3 bei 1600⁰C induktiv im Vakuum geschmolzen und homogenisiert. Durch langsames Abziehen der Heizspule im Bereich von bis 50 mm/Std. wird eine gerichtete Erstarrung vom Boden her eingeleitet. Bei einer Temperatur von etwa 1430⁰C kommt es zur beginnenden Ausscheidung von Fe-Kristalliten, wodurch die flüssige Phase an B zunimmt, bis die eutektische Zusammensetzung FeB 3,8 erreicht wird, wobei das eutektische Gemisch bei ⁰C erstarrt und das Bi feinverteilt ausgeschieden wird.

Beispiel 4

Legierungsansatz: FeClBi0,3. Schmelzen und Homogenisieren bei 1600⁰C. Erstarrungsbeginn bei etwa 1460⁰C. Primärausscheidung: FeC-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (FeC 4,3) bei

1147⁰C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 5

Legierungsansatz: FeNb4,5Bi0,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1600⁰C. Erstarrungsbeginn bei etwa 1510⁰C. Primärausscheidung: FeNb-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (FeNb 18) bei

1360° C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 6

Legierungsansatz: NiCe3,5Bi0,4. Schmelzen und Homogenisieren bei 1500⁰C. Erstarrungsbeginn bei 144O⁰C. Primärausscheidung: Ni-Kristallite. Erstarrung des Eutektikums (NiCe 19) bei

121O⁰C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 7

Legierungsansatz: NiSnIOTeI.

Schmelzen und Homogenisieren bei 1500⁰C.

Erstarrungsbeginn bei 1400⁰C.

Primärausscheidung: NiSn-Mischkristallite.

Erstarrung des Eutektikums (NiSn 32,5) bei 1130⁰G

Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 8

Legierungsansatz: NiTi 3Bi 0,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1500⁰C. Erstarrungsbeginn bei 1440° C.

Primärausscheidung: NiTi-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (NiTi 12) bei 1304° C. Erstarrung des Eutektikums (NiTi 12) bei

1304° C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 9

Legierungsansatz: CoSnIOTeI. Schmelzen und Homogenisieren bei 1550° C. Erstarrungsbeginn bei 1410°C.

Primärausscheidung: CoSn-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (CoSn 34) bei

1112⁰C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel

Beispiel 10

Legierungsansatz: CoSi3Pb0,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1550°C. Erstarrungsbeginn bei 1440° C. Primärausscheidung: CoSi-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (CoSi 12,5) bei

1195° C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 11

Legierungsansatz: TiNi5Bi0,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1750⁰C. Erstarrungsbeginn bei 1620°C. Primärausscheidung: TiNi-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (TiNi 28,5) bei

942° C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209532/292

Claims

Patentansprüche :

1. Kontaktwerkstoff für Hochleistungs-Vakuumschalter, bestehend aus einer Legierung aus einem Basismetall mit einem Schmelzpunkt unter 1800⁰C wie Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt, Titan und einem Zusatzmetall wie Wismut, Tellur, Blei zum Herabsetzen der Schweißkraft und des Chopping-Stromes, wobei die Löslichkeit des Zusatzmetalls im Basismetall im festen Zustand möglichst gering ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich mindestens ein Hilfsmetall enthält, das mit dem Basismetall ein Eutektikum bildet, wobei die Konzentration des Hilfsmetalls, bezogen auf die Menge des Basismetalls, so gewählt ist, daß das gebildete Eutektikum mindestens 15% und höchstens 50%) vorzugsweise 15 bis 25%. des Gesamtvolumens einnimmt, daß ferner das oder die Zusatzmetalle im Basismetall oder in Mischkristallen aus Basis- und Hilfsmetall höchstens bis zu 5 % gelöst sind und daß das oder die Zusatzmetalle im festen Eutektikum aus Basis- und Hilfsmetall feinverteilt enthalten und bei Raumtemperatur weniger als zu 5% gelöst sind.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kupfer als Basismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetall Silber, Cer, Germanium, Lanthan, Magnesium, Titan oder Zirkon vorgesehen ist.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Nickel als Basismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetall Bor, Beryllium, Kohlenstoff, Cer, Lanthan, Magnesium, Zinn oder Titan vorgesehen ist.

4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Eisen als Basismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetall Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Germanium, Niob, Titan oder Zirkon vorgesehen ist.

5. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kobalt als Basismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetall Bor, Kohlenstoff, Germanium, Niob, Antimon, Silizium, Zinn oder Titan vorgesehen ist.

6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Titan als Basismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetall Nickel vorgesehen ist.

7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 95,5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,5 Gewichtsprozent Tellur und 4 Gewichtsprozent Germanium vorgesehen ist.

8. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 97,5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,5 Gewichtsprozent Wismut und 2,0 Gewichtsprozent Zirkon vorgesehen ist.

9. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 96,1 Gewichtsprozent Nickel, 0,4 Gewichtsprozent Wismut und 3,5 Gewichtsprozent Cer vorgesehen ist.

10. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 89 Gewichtsprozent Nickel, 1 Gewichtsprozent Tellur und 10 Gewichtsprozent Zinn vorgesehen ist.

11. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 96,5 Gewichtsprozent Nickel, 0,5 Gewichtsprozent Wismut und 3,0 Gewichtsprozent Titan vorgesehen ist.

12. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 98,7 Gewichtsprozent Eisen, 0,3 Gewichtsprozent Wismut und 1 Gewichtsprozent Bor vorgesehen ist.

13. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 98,7 Gewichtsprozent Eisen, 0,3 Gewichtsprozent Wismut und 1 Gewichtsprozent Kohlenstoff vorgesehen ist.

14. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 96 Gewichtsprozent Eisen, 0,5 Gewichtsprozent Wismut und 3,5 Gewichtsprozent Niob vorgesehen ist.

15. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 89 Gewichtsprozent Kobalt, 1 Gewichtsprozent Tellur und 10 Gewichtsprozent Zinn vorgesehen ist.

16. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 96,5 Gewichtsprozent Kobalt, 0,5 Gewichtsprozent Blei und 3 Gewichtsprozent Silizium vorgesehen ist.

17. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsansatz aus 94,5 Gewichtsprozent Titan, 0,5 Gewichtsprozent Wismut und 5 Gewichtsprozent Nickel vorgesehen ist.