DE2240493A1 - Durchdringungsverbundmetall als kontaktwerkstoff fuer vakuumschalter und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Durchdringungsverbundmetall als kontaktwerkstoff fuer vakuumschalter und verfahren zu seiner herstellung

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DE2240493A1 DE2240493A DE2240493A DE2240493A1 DE 2240493 A1 DE2240493 A1 DE 2240493A1 DE 2240493 A DE2240493 A DE 2240493A DE 2240493 A DE2240493 A DE 2240493A DE 2240493 A1 DE2240493 A1 DE 2240493A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, 15.August 1972 Berlin und München Werner-von-Siemens-Str.50
2240Λ93
VPA 72/7558 Wb/Dm
Dur chdringungsverbundmeta.il als Kontaktwerkstoff für Vakuumsehalter und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bes'tehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz.
An die Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter werden hohe Anforderungen bezüglich Gasfreiheit, hohe Abs ehalt ströme ( >25 kA), niedriger Abreißströme (<5 A) und ausreichend niedrige Schweißkräfte C < 500 U) gestellt. Die Abbrandfestigkeit muß außerdem genügend groß sein, um auch beim Abschalten von Kurzschlußströmen eine ausreichende Lebensdauer zu gewährleisten (mehr als 10 000 Schaltungen beim Uennstrom und etwa 50 Kurzschlußabschaltungen).
Durch die deutsche Auslegeschrift 1 640 039 sind Sinterverbund-werkstoffe als Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter bekannt. Diese Sinterverbundwerkstoffe bestehen aus einer Sintermatrix aus Chrom oder Kobalt, die mit Kupfer oder Silber getränkt ist. Für die Matrix werden Metalle verwendet, deren Schmelzpunkt wesentlich höher liegt als der von Kupfer, jedoch niedriger als der von Molybdän und deren Siedepunkt nicht wesentlich höher liegt als 3OQO0Q, Chrom hat aufgrund seiner harten bzw. spröden Beschaffenheit den Kachteil, daß es sich auch bei sehr hohem Preßdruek nur schwer zu formstabilen Gerüsten verpressen läßt. Beim Verpressen von Kobalt besteht wegen Duktilität die Gefahr, daß durch eine unerwünschte Verformung der Pulverkörner sieh in der Matrix abgeschlossene -Bereiche (Lunker) bilden» die Oxidreste enthalten. Bei der anschließenden Tränkung werden derartige Porenbereiohe nicht vom Tränkmittel infiltriert.
- 2 - VPA 72/7558
Sintertränkwerkstoffe wie Chrom-Kupfer, Chrom-Silber, Kobalt-Kupfer, Kobalt-Silber, Nickel-Kupfer, Wickel-Silber weisen sehr hohe Schweißkräfte auf. So hat z.B. CrCu40 eine Schweißkraft von mehr als 1000 N, wenn daraus hergestellte Kontakte mit Strömen von mehr als 15 kA beaufschlagt werden. Bei einem Vakuumschalter mit Kontakten aus CrCu40 tritt bei einer Kapazität von 3 nP parallel zum Schaltrohr ein Abreißstrom von 10 A immer noch mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 $> auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei harten bzw. spröden Matrixwerkstoffen die Verpreßbarkeit zu verbessern und außerdem die Gerüstfestigkeit durch Bildung ausgedehnter Sinterbrücken zwischen den Pulverkörnern zu erhöhen. Bei duktilen Matrixwerkstoffen soll die Bildung von abgeschlossenen Poren vermieden werden.
Erfindungsgemäß v.ird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Metallmatrix aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem
Schmelzpunkt oberhalb 1600 C und einer metallischen Nebenkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes der Tränksubstanz besteht, daß beide Komponenten bei der jeweiligen Sintertemperatur zumindest teilweise ineinander löslich sind, daß der Anteil der Nebenkomponente sswischen 0,2 und 15 Gew.# bezogen auf die Hau pt komponente beträgt und daß nach dem Tränkprozeß die Struktur der gesinterten Matrix im wesentlichen erhalten ist.
Unter der Struktur der gesinterten Matrix wird verstanden, daß ein durch Sinterbrücken gebildeter Zusammenhang aller Pulverkörner untereinander vorhanden ist.
Als Hauptkomponente sind vorzugsweise die Metalle Chrom, Zirkon und Titan vorgesehen.
Bei der Verwendung von Chrom als Hauptkomponente sind als Hebenkomponente besonders die Metalle Zirkon, Eisen, Nickel, Kobalt, Titan oder Mangan geeignet.
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Bei der Verwendung von Zirkon als Hauptkomponente eignen sich als Nebenkomponente besonders die Metalle Chrom, Kobalt, Eisen, Nickel, Titan oder Mangan.
Bei der Verwendung von Tital als Hauptkomponente eignen sieh als Nebehkomponente besonders die Metalle Kobalt, Eisen, Nickel oder Mangan.
Als Tränksubstanz dienen vorteilhafterweise Kupfer, Silber, Kupfer-Silber, Kupfer-Wismut, Kupfer-Silber-Wismut, Silber-Wismut, Kupfer-Tellur, Silber-Tellur oder Kupfer-Silber-Tellur.
Das erfindungsgemäße Durchdringungsverbundmetall wird gemäß weiterer Erfindung dadurch hergestellt, daß die Haupt- und Nebenkomponente in Pulverform gemischt und anschließend zu einem Formkörper kalt verpreßt werden, daß dann der Formkörper drucklos unter zwischenzeitlicher Bildung einer örtlich begrenzten flüssigen Phase aus Legierungen zwischen der Haupt- und Nebenkomponente unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponente und oberhalb der Schmelztemperatur der Nebenkomponente bzw. oberhalb der niedrigsten Schmelztemperatur einer Legierung zwischen Haupt- und Nebenkomponente gesintert wird und daß die Matrix mit einem Tränkmetall unterhalb der Schmelztemperatur der Haupt-und Nebenkomponente getränkt wird.
Wie bereits erwähnt, ist es bekannt, CrCu-Werkstoffe herzustellen, in dem zunächst ein Cr-Gerüst gepreßt und gesintert wird, das in einem nachfolgenden Arbeitsgang mit dem ÜCränkwerkstoff (Cu, Ag) infiltriert wird. Der Vorteil dieser Werkstoffe besteht darin, daß eine abbrandfeste Matrix (Gerüst) mit einem gut leitenden Tränkwerkstoff kombiniert wird, wobei sich bekannter Weise ein Abbrand erreichen läßt, der niedriger ist als der des reinen Gerüstmetalls und Tränkwerkstoffs.
Um diese Eigenschaft zu erreichen, muß jedoch sichergestellt werden, daß das Gerüstmetall auch nach der Tränkung noch als zusammenhängende Matrix vorhanden ist. Dies ist im allgemeinen
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nur dann der Fall, wenn Matrixmetall und Tränkmetall selbst bei der Tränktemperatur nicht oder nur geringfügig ineinander löslich sind. Dies trifft z.B bei WCu und MoCu, jedoch nicht bei CrCu und CoCu zu. Handelt es sich zudem um eine verhältnismäßig grobkörnige Matrix (Korndurchmesser etwa 150 μ), die aus Gründen einer besseren Tränkfähigkeit, geringerem Gasgehalt und geringerer Anfälligkeit gegen Erosion und Teilchenbildung aufgrund schlecht verankerter Pulverkörner, wünschenswert ist, so kommt es beim Pressen und anschließendem Sintern des Gerüstes (Matrix) nur zu wenigen und schwachen Brücken geringer Ausdehnung zwischen den Pulverteilchen. Besteht bei der Tränktemperatur eine zu große Löslichkeit zwischen Matrix-Metall und Tränkwerkstoff, so daß sich eine schmelzflüssige Legierung bildet, so werden während des Tränkvorganges ein großer Teil der Sinterbrücken aufgelöst, so daß die Pulverkörner des Gerüstes isoliert im Gefüge vorliegen.
TJm die Erscheinung dieser Gerüstauflösung zu beseitigen, wird gemäß der Erfindung dem Gerüstmetall eine ÜTebenkomponente zugegeben und die Sintertemperatur so gewählt, daß entweder die Nebenkomponente oder eine Legierung zwischen Haupt- und ITebonkomponente während des SinteriB in flüssiger Phase vorliegt. Hierbei kommt es zu einem Wachsen und einer Verlängerung der Sinterbrücken zwischen den Pulverteilchen. Hierdurch wird erreicht, daß die Diffusionswege verlängert werden und dadurch beim anschließenden Tränken die Sinterbrücken lediglich angelöst, aber nicht vollständig aufgelöst werden.
Der Vorteil dieser Maßnahme besteht in einer Verfestigung des Gerüstes und damit einer verminderten Abbrandrate. Außerdem wird einem Herausbrechen isolierter Pulverteilchen entgegengewirkt, die als Flitter zwischen den Elektroden die dielektrische Festigkeit des Vakuumschalters verschlechtern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die sich ausbildende flüssige Legierungsphase Mikroporen füllt, die bei der nachfolgenden Tränkung wegen BenetzungsSchwierigkeiten ungetrankt bleiben können, und als benetzungsaktive Schicht wirken kann. Dieser
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- 5 - VPA 72/7558
Vorteil wird insbesondere dann erreicht, wenn die Hauptkomponente des Gerüstes aus einem sehr sauerstoffaffinen Metall, wie Chrom, Titan oder Zirkon besteht und die zur Bildung der flüssigen Phase zugesetzte ETebenkomponente gegenüber Chrom, Titan oder Zirkon eine geringere öxidbildungswärme aufweist wie z.B. Eisen, Mekel oder Kobalt. Damit läßt sich erreichen, daß eine bessere Benetzung bzw. Legierungsbildung zwischen Haupt- und Nebenkomponente des Gerüstes erfolgt und bei der entsprechenden Tränktemperatur eine einwandfreie Benetzung zwischen Tränkmetall und Matrix möglich "ist.
Anhand von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.
In allen Beispielen beträgt die Korngröße des verwendeten Cr, Zr, Ti-Pulvers maximal 150 μ.und der Preßdruck 2 bis
4/2
4.10 Έ/cm . Die Sinterung erfolgt im Vakuum.
Beispiel 1 ' ' " ■
Aus einer Mischung von Chrom-Pulver mit 8 $ Zirkon wird ein poröses Gerüst gepreßt, das im Vakuum bei 15000C eine Stu.-...".y lang gesintert und anschließend mit CuBi 0,3 oder AgBi 0,s3 oder Ag CuIOBi "0,3 oder CuTe 0,5 oder AgTe 0,5 oder AgCuIO Te 0)5 getränkt wird. Während des Sinterprozesses-bildet sich zwischen Cr und Zr eine niedrigschmelzende. Legierung aus, die bei der Sintertemperatur von 15000C und bei Zusammensetzungen zwischen ZrCrI3 und -ZrCr35 flüssig ist. Die· Tränkung erfolgt zweckmäßigerweise in Keramik-Tiegeln bei etwa 11500C bei CuBi 0,3 oder CuTe 0,5 und etwa 10500C bei AgBi 0,3 oder AgTe 0,5 oder AgQuIOBiO3 oier AgCuIQ Te 0r5° Die Tränkatmosphäre besteht aus Wasserstofft der nach abgeschlossener Tränkung, jedoch vor Erstarren dej Tränklegierung, wieder .abgepumpt-wird. Um den dabei auftretenden Bi- oder Te-Verlust der Tränklegierung gering zu halten, müssen die Keramik-Tiegel mit porösen, gasdurchlässigen Deckeln verschlossen werden? die für Metalldampfe undurchlässig sind. Geeignet hierfür sind z.B. Graphit und AIpO,. ' ■ -.-. ■
-6-4098 11/OB 7S
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Beispiel 2
Aus einer Mischung von Chrom-Pulver mit 6 $> Nickelpulver wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei '150O0C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur ist die Nickelphase flüssig und kann schmelzflussige Legierungen im Zusammensetzungsbereich von Reinnickel bis CrNi36 bilden. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen denen im Beispiel 1.
Beispiel 3
Aus einer Pulvermischung von Chrom mit 4 $> Titan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 15OC-0C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur bildet sich zwischen Cr und Ti eine flüssige Phase im Zusammensetzungsbereich TiCr27 bis TiCr67 aus. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen denen im Beispiel 1.
Beispiel 4
Aus einer Pulvermischung von Chrom mit 10 # Mangan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1400 C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur liegt das Mangan in flüssiger Pi:,. ^o vor (Schmelzpunkt 12440C) und kann als flüssige Legierung^.-phase bei dieser Temperatur 28 $> Cr (MnCr28) lösen. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen denen im Beispiel 1.
Beispiel 5
Aus einer Pulvermischung von Zirkon mit 1 % Nickel wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 15000C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur liegt Nickel in flüssiger Phase vor. Der schmelzflüssige Bereich der sich ausbildenden ZrNi-Legierung reicht bei 15000C von Reinnickel bis ZrNi80 und ZrNi5 bis ZrNi45. Die beiden Bereiche sind hierbei durch die peritektisch gebildeten intermetallisch.,·]:: Phasen ZrNi, und
rs ι*
ZrNi'. mit Schmelzpunkten oberhalb I6OO C getrennt. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen Beispiel 1.
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- 7 - YPA 72/7558'
Beispiel 6
Aus einer Pulvernd sehung von Zirkon mit 6 <fo Titan wird ein poröses G-erüst gepreßt und bei 1650 C im .Vakuum gesintert. Zirkon und Titan "bilden. Tdei dieser Temperatur eine flüssige Phase im Zusammensetzungsbereich TiZr35 "bis TiZröO. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen Beispiel 1.
Beispiel, 7 . " . .
Aus einer Pulvermischung von Zirkon mit 1,5 i° Mangan wird ein poröses Gerüst gepreßt und "bei 15000O im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur liegt Mangan in flüssiger Phase vor. Die schmelzflüssigen Legierungen erstrecken sich von Reinmangan bis ZrMnIO. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen Beispiel 1. ". -
Beispiel 8
Aus einer Pulvermischung von Titan und 2 fo Bisen wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei HOO0C im Vakuum gesintert. Bei dieser Temperatur bilden sich flüssige Phasen im Zusammen- ■ Setzungsbereich FeTi9 bis IeTi 18. und FeTi40 bis FeT188 aus. Die beiden schmelzflüssigen Bereiche sind durch-die-bei 15GO0O schmelzende per it ekt is ehe gebildete intermaballische Phase TiPe2 getrennt. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen Beispiel 1. ' ■
Beispiel 9
Aus einer Pulvermischung von Titan mit 3 i<> Nickel wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei HOO0O im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur erstreckt sich der schmelzflüssige Bereich von TiM 15 bis TiNi95. Trärikw-erkstoffe und" Tränkmethode entsprechen Beispiel 1.
Beispiel 10
Aus einer Pulvermischung von Titan und 3 $ Mangan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei HOO0C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur kann sich eine schmelzflüssige Phase im Zusammensetzungsbereich von TiMn25 bis Reinmangan ausbilden. Tränkwerkstoffe-und Tränkmethode entsprechen Beispiel 1.
6 Patentanspruch'-; -8-
0 Figuren 4098117 0S 7 S

Claims (5)

  1. - 8 - VPA 72/7558
    _ Patentansprüche
    .1 Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuum- ^-S schalter bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 160O0C und einer metallischen Uebenkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes der Tränksubstanz besteht, daß beide Komponenten bei der jeweiligen Sintertemperatur zumindest teilweise ineinander löslich sind, daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 ffew.# bezogen auf die Hauptkomponente beträgt und daß nach dem Tränkprozeß die Struktur der gesinterter! Matrix im wesentlichen erhalten ist.
  2. 2. Durchdringungsverbundmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptkomponente Chrom und als Nebenkomponente Zirkon, Bisen, Nickel, Kobalt, Titan oder Mangan vorgesehen ist.
  3. 3. Durchdringungsverbundmetall nach Anspruch 1, dadurch ,■gekennzeichnet, da? als Hauptkomponente Zirkon und als Nebenkomponente"Chrom, Kobalt, Eisen, Nickel. Titan oder Mangan vorgesehen ist.
  4. 4. Durchdringungsverbundmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptkomponente Titan und als Nebenkomponente Kobalt, Tjteen, Nickel eier Mangan vorgesehen ist.
  5. 5. Durchdringungsverbunämetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, da? als Tränksubstanz Kupfer, Silber. Kupfer-Silber, Kupf?r-üTis3iut, Kupfer-Silber-Wismut, Silber-Wismut, Kupfer-Tellur, Silber-Tellur oder Kupfer-Silber-Tellur vorgesehen ist.
    -9-40981W0575
    -9 - . - VPA
    Verfahren zum Herstellen eines Durchdringungsverbundmetalls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- und Nebenkomponente in Pulverform gemischt und anschließend zu einem Formkörper kalt verpreßt v/erden, daß dann der Formkörper drucklos unter zwischenzeitlicher Bildung einer örtlich begrenzten flüssigen Phase aus Legierungen zwischen der Haupt- und Nebenkomponente unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponente und oberhalb der Schmelztemperatur der Nebenkomponente bzw. oberhalb der niedrigsten Schmelztemperatur einer Legierung zvischen Haupt- und Nabenkomponente gesintert wird und daßdie Matrix mit einen? Tränkmetall unterhalb der Schmelztemperatur der Haupt"- and Nebenkomponente getränkt wird.
    40981 1 /0575
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