DE2124707C

DE2124707C - Kontaktwerkstoff fur Hoch leistungs Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2124707C
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
Filing date: 1971-05-18
Publication date: 1973-02-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerks off für Hochleistungs-Vakuumschalter, bestehend aus einer Legierung aus einem BacsTietall 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.

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 Basisrnetalle wie Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt und Titan mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 1000° C und unterhalb von !800⁰C 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 Basismetall.s, das auch eine

3 Γ 4

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

Meiallbereiche 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.

dunü üer gelösten Gase aus der Schmelze verhindert. Bei Verwendung von Eisen als Basismetall und Dir^ beruht darauf, daß die Gaslöslichkeit von Me- Tellur, Wismut oder Blei als Zus>*zmetall dienen als talien im flüssigen Zustand wesentlich größer als Hilfsmetall z.B. Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Ger im festen Zustand ist. Die Ausscheidung c.eser Gase ao manium. Niob, Titan oder Zirkon. en«üzt also beim Erstarren des Metalls, wobei jedoch Bei Verwendung von Kobalt als Basismetall und di«; (Erstarrung langsam verlaufen muß, um stets den Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall eig;.en sich tiurmodynamischen Gleichgewichtszustand einzuhal- als H^;'fsmetall z. B. Bor, Kohlenstoff, Germanium, ten und den ausgeschiedenen Gasen die Möglichkeit Niob, Antimon, Silicium, Zinn oder Titan. zu t'.oben, über Diffusionspnvesse in die noch flüssige »5 Bei Verwendung von Titan als Bas.smetall und Metallschmelze zu gelangen. Damit wird die Gas- Tellur, Wismut oder Blei als Zusalzmetall wird als konzentration der noch flüssigen Metallschmelze über Hilfsmelall z. B. Nickel verwendet. den momentane-ι Gleichgewichtswert erhöht, so daß Bei Legierungen der beschriebenen Art hat sich eine Entgasung entsprechend den vorhandenen Va- überraschenderweise eine feinkörnige Struktur und ku inibedingungen eintritt. 3° gleichzeitig ein geringer Gasgehalt erreichen lassen, itee 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 S3 Ge- -Acil die Diffusionskoeffizienten der Gase in festen wichtsprozent Cu. 14 Gewichtsprozent Ag und ! Ge-Metallen mehrere Größenordnungen unter denen bei 35 wichtsprozent Te, die bei 1100 C im Vakuum geflüssigen Metallen liegen. Läßt man aber die Metall- schmolzen wird. I'm das Verdampfen des T- im Vasehmelze k-ngsam ei starren, 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 grubkristallines 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 r.esterförmig und damit Schmelze wird der Punkt 2 erreicht, wobei sich CuAgunaleichfcrmig 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 Losung. 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 .hase niedrige Ciasgehalt des Werkstoffes durch Abschreck- 50 üb<*r den jeweils vorhandenen Gieichgewichtswert anverfahren verschlechtert wird. sioigt. Der Gleichgewichtszustand wird dann durch Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, Abgabe von Ga<cn aus der Schmelze in das umgebende daß die legierung zusätzlich mindestens ein Hilfs- Vakuum wiederhergestellt, so daß durch diesen I ro ze U metall enthält, das mit dem Basismetall ein Euiek- eine Entgasung der Legierung erreicht wird. Der tikum bildet, wobei die Konzentration desHilfsmetalls, 55 ϊ.:^:.-..;:.-·.- der Entgasung ist dabei ein Diffusicnsbezogen auf die Menge des Basismetalls, so gewählt prozeß, wobei die Entgasung durch den K.onzenist daß das gebildete Eutektikum mindestens 15% trationsunterschied der Gase in der flussigen rnase 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 du Zusatzmetalle im Basismetall oder in Mischkristallen 6° Zusammensetzung der Phase entlang der Kurve ι - ·> pus Basis- und Hilfsmetall höchstens bis zu 5% zum Punkt 3 hin, während der Mischkristall unter gelöst sind und oaß das oder die Zusatzmetalle im gleichzeitiger Vergrößerung entsprechend den aut dem festen Euiektikum a-!s Basis- und Hilfsmetall fein- Zuslandsdiagramm ablesbaren Gesetzmäßigkeiten, verteilt enthalten und bei Raumtemperatur weniger seine Zusammensetzung entlang der Kurve/i-ÄanUeri. als zu 5% gelöst sind. 65 Bei weiterem Absenken der Temperatur wird schließ-Dcr verwendete Lcg:v.-ungsansatz kann dabei sowohl lieh bei Punkt 3 die eutektische Legierungskonzenuntercutcklisch als auch übere.itektisch sein und tration erreicht. Das Eutektikum erstarrt sehr rasch, enthält außerdem die gewünschte Konzentralion an so daß das darin enthaltene Te feinverteilt ausgc-

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

Längliche, äußerst gasarme CuAg-Mischkristalle 1 sind in einer CuAg-Grundmasse 2 eiitektischer Zusammensetzung eingelagert, in der sich die zugegebene Tc-Menge in feiner Verteilung ausgeschieden hat. Der Gasgehalt des Lutektikunis 2 entspricht dem Cleichgewichlswert entsprechend den vorhandenen Vakuumprozcß-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 Gasgchaltsscnkung eingetreten. Gleichzeitig ist durch die Ausscheidung der Mischkristalle 1 von der Größen-Ordnung KK) bis 200 μηι die angestrebte Fcinkörnigkcit gegenüber Legierungen ohne Lutektikuinsbildung eingetreten.

Untersuchungen an CuBi- und CuAgÜi-Lcgierungen ergaben im ersten Fall bei Korngrößen bi» 6000 μιη ao einen Gasgehalt von 26 bis 30 Mol ppm, während sich im zweiten Fall bei Korngrößen bis 400 μιη ein Gasgehalt von 7 bis 11 Mol ppm ergeben hat. Lim einen möglichst geringen Gasgehalt zu erreichen, soll die Menge der cutcktischcn Phase durch den Zusatz des Eutektikums bildenden llilfsmetalls so bemessen sein, daß alle sich ausscheidenden Mischkristalle noch von der eutcktisehcn Masse umhüllt sind, ohne daß es bereits zu isolierten Inseln -ims l-'ninkiikum kommt. Diese Forderung beruht darauf, daß die im Lutektikuni vorhandenen Gase Gelegenheit haben müssen, an die Tiegelwand zu wandern, um in das Vakuum abgegeben zu werden. Gase, die sich jn isolierten Inseln von eiitektischer Masse befinden, werden darin zurückgehalten, da ihre Diffusion an die Ticgelwand 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 Eutcklikums sich nicht berühren sollen, sondern durch Eutektikumsbänder getrennt werden sollen. Dies beruht darauf, daß die Ausbildung isolierter Eutcktikumsinscln vermieden werden muß. Hieraus ergibt sich eine Forderung für das Mengenverhältnis zwischen cutektischer Phase und Basismctall bzw. Mischkristall. Aus Versuchen hat sich ergeben, daß der Anteil des Eutektikums nicht weniger als 15% und aus Gründen eines günstigen Abbrandverhaltens nicht mehr als 5O°/o 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 lnduk ionsspule mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 5 bis 50 mm/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-Gc-Mischkristalle auszuscheiden, während die verbleibende flüssige Phase sich an Ge anreichert und mit culektischcr Zusammensetzung (etwa 24 Gewichtsteile Ge) bei 743 C erstarrt, wobei das Tellui feindispers ausgeschieden wird.

Beispiel 2

Legierungsansatz: CuZr2BiO,5.

Schmelzen und Homogenisieren bei IHK) bis 1200 C.

Erstarrungsbeginn etwa bei 1060 C. Primärausscheidung: Cu-Kristallite. Erstarrung des Eutektikums (CuZr9): bei 965 C Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 1.

Beispiel 3

In einem Bornitrid-Tiegel, der mit einem poröser Deckel versehen ist und bei Temperaturen von etw; C im Vakuum aufgeheizt wurde, wird der Le gierungsansatz FcBlBiO,3 bei 1600C induktiv irr Vakuum geschmolzen und homogenisiert. Durcl langsames Abziehen der Heizspule im Bereich voi bis 30 mm/Std. wird eine gerichtete Erstarrung m>ii Boden her eingeleitet. Bei einer Temperatur von CtW₁ 1430"C kommt es zur beginnenden Ausscheidung \<m Fe-Kristalliten, wodurch die flüssige Phase an H zn nimmt, bis die eutektische Zusammensetzung FcH3.S erreicht wird, wobei das eutektische Gemisch lic C erstarrt und das Bi feinverteilt ausgcschiak ■ wird.

Beispiel 4

Lcgicrungsansatz: FeC IBi0,3. Schmelzen und Homogenisieren bei 1600 C. Erstarrungsbeginn bei etwa 1460 C. Primärausscheidung: FeC-Mischkristallitc. Erstarrung des Eutektikums (F*cC4,3) bei

1147 C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 5

Legicrungsansatz: FcNb4,5BiO,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1600C. Erstarrungsbeginn bei etwa 1510⁰C. Primärausscheidung: FeNb-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (FeNbIS) ..ei

136O°C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 6

Legierungsansatz: NiCe3,5Bi0,4. Schmelzen und Homogenisieren bei 1500° C. Erstarrungsbeginn bei 1440° C. Primärausscheidung: Ni-Kristallite. Erstarrung des Eutektikums (NiCe 19) bei

1210⁰C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispiel 7

Legierungsansatz: NiSalOTel. Schmelzen und Homogenisieren bei 1500⁰C. Erstarrungsbeginn bei 1400°C. Primärausscheidung: NiSn-Mischkristallite. Erstarrung des Eutektikums (NiSn.32,5) bei 1130'C.
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispie! 3.

Beispiel 8

Legicrungsansatz: NiTi3Bi0.5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1500"C. E^rstarrungsbegiiin bei 1440¹C.

l'rrnärausscheidung: NiTi-Misch kristallite. Erstarrung des Eutcktikums (NiTi 12) bei 1304"C. Erstarrung des Eutcktikums (NiTiI?.) bei

1304" C.
Alle anderen l.in/clhcitcn wie bei Beispiel 3.

H c i s ρ i e I ')

Legicrungsansal/: CoSn I OTc 1. Schmelzen und Homogenisieren bei 155O¹C. lErstarrungsbcginn bei 1410 C.

Primärausseheidting: CoSn-Mischkristallitc. !Erstarrung des Eutektikums (CoSn34) bei

1112 C
Alle anderen Einzelheiten wie bei Beispiel 3.

Beispi

10

Legierungsansatz: CoSi3PbO,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 155O°C LErstarrungsbcginn bei 144O⁰C. Primärausscheidung: CoSi-Mischkristallite. Erstarrung des lEutcktikums (CoSi 12,5) bei

1195"C.
Alle anderen lEinzclhcitcn wie bei Beispiel 3

Beispiel 11

Legierungsansatz· TiNi5BiO,5. Schmelzen und Homogenisieren bei 1750 C !Erstarrungsbeginn bei 1620"C. Primärausscheidung: TiNi-Mischkristallitc. Erstarrung des lEutcklikums (TiNi28,5) bei

942 ¹C.
Alle anderen !Einzelheiten wie bei Beispiel 3

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

J. Kontaktwerkstoff für Hochleistungs-Vakuumschalter, bestehend aus einer Legierung aus einem S 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich mindestens ein Hilfsmetail enthält, das mit dem Basismetall ein Eutektikum bildet, wobei die Konzentration des Hilfsmetalls, bezogen auf die Menge des Basismetalls, so gewählt ist, dab das gebildete Eutektikum mindestens 15 V₀ und höchstens 50%, vorzugsweise 15 bis 25%, des Gesamtvolumens einnimmt, daß ferner das oder die Zusatzmetalle im Basismetall oder in Mischkristallen aus Basis- und Hilfsmetail höchstens bis zu 5% gelöst sind und daß das oder die Zusatzmelalle im festen Eutektikum aus Basis- und Hilfsmetail feinverteilt enthalten und bei Raumtemperatur weniger als zu 5°/„ gelöst sind. as
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß bei Verwendung von Kupfer als üasismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmeuil Silber, Cer, Germanium, Lanthan, Magnesium, Tj_tan oder Zirkon vorgesehen ist.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Nickel als Basismetall und T.-:iIur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetail Bor, Beryllium, Kohlenstoff, Cer, Lanthan, Magnesium, Zinn oder Titan vorgesehen ist.
4. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnei, daß bei Verwendung von Eisen als Basismetall uiid Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall als Hilfsmetail Beryllium, Bor, Kohlenstoff, Germanium, Niob, Titan oder Zirkon vorgesehen ist.
5. Kontaktwerkstoff nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Kobalt als Basismetall und Tellur, Wismut oder Blei als Zusatzmetall a!s Hilfsmetail 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 Hilfsmetail 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 Wi=-.iut 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 Legierungsansat/ 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 un" 3,5 Gewichtsprozent Niob vorgesehen ist.
15. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierung^p^t?. aus 89 Ge\ ichtsprozent 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 narh Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eu Legierungsansatz aus 94,5 Gewichtsprozent Titan, 0,5 Gewichtsprozent Wismut und 5 Gewichtsprozent Nickel vorgesehen ist.