DE2240493B2

DE2240493B2 - Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2240493B2
Application number: DE2240493A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.Rer.Nat. 8501 Wendelstein Haessler; Hans Joachim Dr.Rer.Nat. 8500 Nuernberg Lippmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-08-17
Filing date: 1972-08-17
Publication date: 1974-08-08
Also published as: CH576696A5; DE2240493C3; JPS4953510A; US3957453A; DE2240493A1; JPS572122B2; GB1421637A; CA1016779A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegienmg mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz, wobei die Metallroatrix aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1600⁰C und einer metallischen Nebenkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes der Tränksubstanz besteht und beide Komponenten bei der jeweiligen Sintertemperatur zumindest teilweise ineinander löslich sind.

An die Kontakiwerkstoffe für Vakuumschalter werden hohe Anforderungen bezüglich Gasfreiheit, hohe Abschaltströme (>25 JcA), niedriger Abreißströrae (<5 A) und ausreichend niedrige Scbweißkräfte (<500 N) gestellt Die Abbrandfestigkeit muß außerdem genügend groß sein, um auch beim Abschal· ten von Kurzschluflströmen eine ausreichende Lebensdauer zu gewährleisten (mehr als !0000 Schaltungen beim Nennstrom und etwa 50 Kun&vftlußabschaltungen).

Durch die britische Patentschrift 1079 013 sind bereits Kontaktmaterialien für Vakuumschalter bekannt, die aus einer gesinterten Metallmatrix aus einer Hauptkomponente wie Wolfram, Molybdän, Rhenium, Niob oder Tantal und aus einer Nebenkomponente wie Zirkon, Titan oder Nickel bestehen. Die Metallmatrix ist mit Tränkwerkstoffen wie Kupfer, Silber oder Gold getränkt. Bei den hier verwendeten Metallen für die Hauptkomponente besteht nicht die Gefahr, daß sich die Metallmatrix beim Tränkprozeß auflöst.

Weiterhin ist durch die schweizerische Patentschrift 483 710 ein heterogenes Durchdringungsverbundmetall zur Verwendung als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bekannt. Das Durchdringungsverbundmetall besteht aus einem porenhaltigen Sintergerüst aus wenigstens einem Metall mit höherem Schmelzpunkt oder wenigstens einer Metallegierung mit höherem Schmelzpunkt, dessen Poren mit einem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt oder einer Metallegierung mit niedrigerem Schmelzpunkt, einem sogenannten Füllmetall, gefüllt sind. Das Sintergerüst besteht ebenfalls aus Wolfram, Rhenium oder Molybdän, so daß auch hier nicht die Gefahr besteht, daß sich beim Tränkprozeß die Metallmatrix auflöst.

Durch die französische Patentschrift 2 019 077 ist weiterhin ein Kontaktmaterial für Vakuumschalter bekannt, das ebenfalls aus einer Metallmatrix aus Wolfram oder Molybdän nder aus einer Legierung dieser Elemente besteht. Als Trink werkstoffe dient z. B. eine Kupfer-Wismutlegierung. Auch hier besteht auf Grund des Materials für die Hauptkomponente der Matrix keine Auflösungsgefahr derselben beim Tränkprozeß.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1 640 039 sind ferner Sinterverbundwerkstoffe als Kontaktwerkstoffe füi Vakuumschalter bekannt. Diese Sinterverbundwerk · stoffe 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 3000⁰C. Chrom hat auf Grund seiner harten bzw. spröden Beschaffenheit den Nachteil, daß es sich auch bei sehr hohem Preßdruck nur schwer zu formstabilen Gerüsten verpressen läßt. Beim Verpressen von Kobalt besteht wegen Duktilität die Gefahr, daß durch eine unerwünschte Verformung der Pulverkörner sich in der Matrix abgeschlossene Bereiche (Lunker) bilden,

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die Oxidreste enthalten. Bei der anschließenden Tran- einem gat leitenden Tränkwerkstoff kombiniert wird,

kung werden derartige Porenberoiche nicht vom wobei sich bekannter Weise ein Abbrand erreichen

Trankmittel Infiltriert. Jlßt, der niedriger ist als der des reinen Gerüstmetalle Smtertrenkwerkstoffe wi© Chrom-Kupfer, Chrom- und Tränkwerkstoffs.

Silber, Kobalt-Kupfer, Kobalt-Silber, Niokel-Kupfer, 5 Um diese Eigenschaft zu erreichen, muß jedoch Nickel-Silber weisen sehr hohe Schweißkräfte auf. So sichergestellt werden, daß das GerOstmetall auch nach hat z. B. CrCu40 eine Schweißkraft von mehr als der Trankung noch als zusammenhangende Matrix 1000 N, wenn daraus hergestellte Kontakte mit Strö- vorbanden ist. Dies ist im allgemeinen nur dann der men von mehr als 15 kA beaufschlagt werden. Bei Fall, wenn Matrixraetall und Tränkmetall selbst bei einem Vakuumschalter mit Kontakten aus CrCu40 io der Tränktemperatur nicht oder nur geringfügig meintritt bei einer Kapazität von 3 nF parallel zum Schalt- ander löslich sind. Dies trifft z. B. bei WCu und MoCu, rohr ein Abreißstrom von 10 A immer noch mit einer jedoch nicht bei CrCu und CoCu zu. Handelt es sich Wahrscheinlichkeit von 1 % auf. zudem um eine verhältnismäßig grobkörnige Matrix

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei harten (K omdurchmesser etwa 150 μ), die aus Gründen einer

bzw. spröden Matrixwerkstoffen wie Chrom, Zirkon 15 besseren Tränkfähigkeit, geringerem Gasgenalt und

oder Titan die Verpreßbarkeit zu verbessern und geringerer Anfälligkeit gegen Erosion und Teilchen-

außerdem die Gerüstfestigkeit durch Bildung ausge- bildung auf Grund schlecht verankerter Pulverkörner,

dehnter Sinterbrücken zwischen den Pulverkörnern zu wünschenwert ist, so kommt es beim Pressen und

erhöhen. Bei duktilen Matrixwerkstoffen soll die anschließendem Sintern des Gerüstes (Matrix) nur

Bildung von abgeschlossenen Poren vermieden werden. 30 zu wenigen und schwachen Brücken geringer Ausdeh-

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, nung zwischen den Pulverteilchen. Besteht bei der

daß als metallische Hauptkomponente Chrom, Zirkon Tränktemperatur eine zu große Löslichkeit zwischen

oder Titan vorgesehen ist und d;iß der Anteil der Matrix-Metall und Tränkwerkstoff, so daß sich eine

Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 Gewichts- schmelzfiüssige Legierung bildet, so werden während

prozent bezogen auf die Hauptkomponente bemes- *5 des Tränkvorganges ein großer Teil der Sinterbrücken

sen ist. aufgelöst, so daß die Pulverkörner des Gerüstes

Nach dem Tränkprozeß bleibt die Struktur der ge- isoliert im Gefüge vorliegen,

sinterten Matrix im wesentlichen einalten. Um die Erscheinung dieser Gerüstauflösung zu be-

Unter der Struktur der gesinterten Matrix wird seitigen, wird gemäß der Erfindung dem Gerüstmetall verstanden, daß ein durch Sinterbrücken gebildeter 30 eine Nebenkomponante zugegeben und die Sinter-Zusammenhang aller Pulverkörner untereinander vor- temperatur so gewählt, daß entweder die Nebenhanden ist. komponente oder eine Legierung zwischen Haupt- und

Bei der Verwendung von Chrom al· Hauptkompo- Nebenkomponente während des Sinterns in flüssiger

nente sind als Nebenkomponente besonders die Me- Phase vorliegt. Hierbei kommt es zu einem Wachsen

talle Zirkon, Eisen, Nickel, Kobalt, Titan oder Mangan 35 und einer Verlängerung der Sinterbrücken zwischen

geeignet. den Pulverteilchen. Hierdurch wird erreicht, daß die

Bei der Verwendung von Zirkon als Hauptkompo- Diffusionswege verlängert werden und dadurch beim

nente eignen sich als Nebenkomponente besonders die anschließenden Tränken die Sintef^rücken lediglich

Metalle Chrom, Kobalt, Eisen, Nickel, Titan oder ange'.öst, aber nicht vollständig aufgelöst werden.

Mangan. 40 Der Vorteil dieser Maßnahme besteht in einer Ver-

Bei der Verwendung von Titan als Hauptkompo- festigung des Gerüstes und damit einer verminderten

nente eignen sich als Nebenkomponente besonders Abbrandrate. Außerdem wird einem Herausbrechen

die Metalle Kobalt, Eisen, Nickel oder Mangan. isolierter Pulverteilchen entgegengewirkt, die als Flitter

Als Tränksubstanz dienen vorteilhafterweise Kupfer, zwischen den Elektroden die dielektrische Festigkeit

Silber, Kupfer-Silber, Kupfer-Wismut, Kupfer-Silber- *5 des Vakuumschalters verschlechtern. Ein weiterer

Wismut, Silber-Wismut, Kupfer-Tellur, Silber-Teüur Vorteil besteht darin, daß die sich ausbildende flüssige

oder Kupfer-Siiber-Tellur. Legierungsphase Mikroporen füllt, die bei der nach-

Das erfindungsgemäße Durchdringungsverbundme- folgenden Tränkung wegen Benetzungsschwierigkeiten

tall wird gemäß weiterer Erfindung dadurch herge- ungetränkt bleiben können, und als benetzungsaktive

stellt, daß die Haupt- und Nebenkomponente in PuI- 5° Schicht wirken kann. Dieser Vorteil wird insbesondere

verform gemischt und anschließend zu einem Form- dann erreicht, wenn die Hauptkomponente des Ge-

körper kalt verpreßt werden, daß dann der Formkörper rüstes aus einem sehr sauerstoffaffinen Metall wie

drucklos unter zwischenzeitlicher Bildung einer örtlich Chrom, Titan oder Zirkon besteht und die zur Bildung

begrenzten flüssigen Phase aus Legierungen zwischen der flüssigen Phase zugesetzte Nebenkomponente

der Haupt- und Nebenkomponente unterhalb der 55 gegenüber Chrom, Titan oder Zirkon eine geringere

Schmelztemperatur der Hauptkomponente und ober- Oxidbildungswärme aufweist wie z. B. Eisen, Nickel

halb der Schmelztemperatur der Nebenkomponente oder Kobalt. Damit läßt sich erreichen, daß eine

bzw. oberhalb der niedrigsten Schmelztemperatur bessere Benetzung bzw. Legierungsbildung zwischen

einer Legierung zwischen Haupt- und Nebenkompo- Haupt- und Nebenkomponente des Gerüstes erfolgt

nente gesintert wird und daß die Matrix mit einem ^6o und bei der entsprechenden Tränktemperatur eine

Tränkmetall unterhalb der Schmelztemperatur der einwandfreie Benetzung zwischen Tränkmetall und

Haupt- und Nebenkomponente getränkt wird. Matrix möglich ist.

Wie beriete erwähnt, ist es bekannt, CrCu-Werk- An Hand von Beispielen wird die Erfindung näher

stoffe herzustellen, in dem zunächst ein Cr-Gerüst erläutert.

gepreßt und gesintert wird, das in einem nachfolgenden ⁶5 In allen Beispielen beträgt die Korngröße des ver-

Arbeitsgang mit dem Tränkwerkstoff (Cu, Ag) infil- wendeten Cr, Zr, Ti-Pulvers maximal 150 μ und der

triert wird. Der Vorteil dieser Werkstoffe besteht Preßdruck 2 bis 4 · 10⁴ N/cm*. Die Sinterung erfolgt

rfarin. daß eine abbrandfeste Matrix (Gerüst) mit im Vakuum.

2 240 495 ^l

„, , . , Vakuum gesintert, Qei der Smtertemperatttr liegt

Beispiel ^l Nickel in flüssiger Phase vor. Dw schmelzflOssige

Aus einer Mischung von Chrom-Pulver mit 8% Zir- Qereich der sich ausbildenden ZrNM-egierung reicht kon wird ein poröses Gerüst gepreßt, das im Vakuum bei ISOO⁰C von Reinntekel bis ZrNfSO und ZrNi 5 bei 1500⁰C eine Stunde lang gesintert und anschließend 5 bis ZrNi45. Pie beiden Bereiche sind hierbei durch die mit CuQi 0,3 oder AgQi 0,3 oder AgCuIOQi 0,3 oder pentektisch gebildeten intermetallischen Phasen ZrNi₃ CuTe 0,5 oder AgTe 0,5 oder AgCu 10Te 0,5 getränkt und ZrNi₄ mit Schmelzpunkten oberhalb 1600⁰C wird. W&hrend des Sraterprozesses bildet sich zwi- getrennt. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entschen Cr und Zr eine niedrigschmelzende Legierung sprechen Beispiel 1.
aus, die bei der Sinterteraperatur von 1500° C und bei w . . . ,

Zusammensetzungen zwischen ZrCr 13 und ZrCr35 Beispiel ο

flüssig ist. Die Tränkung erfolgt zweckmäßigerweise in Aus einer Pulvermischung von Zirkon mit 6 % Titan Keramik-Tiegeln bei etwa 1150⁰C bei CuQi 0,3 oder wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1650° C im CuTe 0,5 und etwa 1050° C bei AgBi 0,3 oder AgTe 0,5 Vakuum gesintert. Zirkon und Titan bilden bei dieser oder AgCu 10 Bi03 oder AgCuIO Te 0,5. Die Tränk- 15 Temperatur eine flüssige Phase im Zusammensetzungsatmosphäre besteht aus Wasserstoff, der nach abge- bereich TiZr 35 bis TiZr60. Tränkwerkstoffe und schlossener Tränkung, jedoch vor Erstarren der Tränkmethode entsprechen Beispiel 1.
Tränklegierung, wieder abgepumpt wird. Um den

dabei auftretenden Bi- oder Te-Verlust der Tränk- Beispiel 7

legierung gering zu halten, müssen die Keramik-Tiegel »° . „ , . , „. . -. . _co/

mit porösen, gasdurchlässigen Deckeln verschlossen ^Aus einer Pulvermschung von Zukommt 1,5/,

werden, die für Metalldämpfe undurchlässig sind. Mangan wird em poröses Thrust gepreßt und bei Geeignet hierfür sind z. B. Graphit und Al₂O₃ 1500⁰Cm Vakuum gesintert Bei ler Sintertemperatur

^y ^{2 3} liegt Mangan in flüssiger Phase vor. Die schmelz-

Beispiel 2 _a5 flüssigen Legierungen erstrecken sich von Reinmangan

Aus einer Mischung von Chrom-Pulver mit 6% ^bis Z'MnlO. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode Nickelpulver wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei entsprechen Beispiel 1.
1500⁰C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertempe- Beispiel 8

ratur ist die Nickelphase flüssig und kann schmelz- . , . , _. , _„, ,--

flüssige Legierungen im Zusammensetzungsbereich 3° Aus einer Pulvermischung von Titan und 2^ Eisen von Reinnickel bis CrNi 36 bilden. Tränkwerkstoffe *^ir,^{d ein} P^oroses Gerüst gepreßt und bei 1400 C im und Tränkmethode entsprechen denen im Beispiel 1. y,^akuum Sintert. Bei dieser Temperatur bilden sich

^y flüssige Phasen im Zusammensetzungsbereich FeTi 9

Beispiel 3 bis FeTi 18 und FeTi40 bis FeTi88 au*. Die beiden

Aus einer Pulvermischung von Chrom mit 4% Titan 35 schmelzflüssigen Bereiche sind durch die bei 1500'-C wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1500⁰C im schmelzende peritektische gebildete intermetallische Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur bildet sich ^Phase J^iFc* getrennt Trankwerkstoffe und Trankzwischen Cr und Ti eine flüssige Phase im Zusammen- methode entsprechen Beispiel 1.
Setzungsbereich TiCr27 bis TiCr67 aus. Tränkwerk- ...

stoffe und Tränkmethode entsprechen denen im *° Beispiel V

Beispiel 1. Aus einer Pulvermischung von Titan mit 3% Nickel

. . wird ein poröses Gerüst gepreßt u^d bei 1400^cC im

Beispiel 4 Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur erstreckt

Aus einer Pulvermischung von Chrom mit 10% sich der schmelzflüssige Bereich von TiNi 15 bis Mangan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei ** TiNi95. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entspre-1400° C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur chen Beispiel 1.
liegt das Mangan in flüssiger Phase vor (Schmelzpunkt . · , _Ifl

1244⁰C) und kann als flüssige Legierungsphase bei Beispiel iu

dieser Temperatur 28% Cr (MnCr28) lösen. Tränk- Aus einer Pulvermischung von TiUn und 3% Man-

werkstoffe und Tränkmethode entsprechen denen im 5° gan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1400 C Beispiel 1. im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur kann

_ . . sich eine schmelzflüssige Phase im Zusammensetzungs-

Beispiel 5 bereich von TiMn25 bis Reinmangan ausbilden.

Aus einer Pulvermischung von Zirkon mit 1 % Nickel Tränkwerks'.offe und Tränkmethode entsprechen Beiwird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1500⁰C im 55 spiel 1.

Claims

Patentansprüche:

1. DttrchdrlngungsverbundmetaU als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bestehend aus einer von einem Trankmetall oder einer Tränk metalllegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tranksubstanz, wobei die Metallmatrix aus einer metallischen Hauptkompo- %o nente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1600° C und einer metallischen Nebenkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes der Tränksubstanz besteht und beide Komponenten bei der jeweiligen Sintertemperatur zumindest teil- »5 weise ineinander löslich sind, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Hauptkomponente Chrom, Zirkon oder Titan vorgesehen ist und daß der Anteil der Neben komponente »wischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente bemessen ist.

2. Durchdringungsverbundmetall nach An-Ipruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Chrom als Hauptkomponente als Nebenkomponente Zirkon, Eisen, Nickel, Kobalt, Titan oder Mangan vorgesehen ist.

3. Durchdringungsverbundmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Zirkon als Hauptkomponente als Nebenkomponente Chrom, Kobalt, Eisen, Nickel, Titan oder Mangan vorgesehen ist.

4. Durchdringungsverbundmetall nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Titan als Hauptkomponente als Nebenkomponente Kobalt, Eisen, Nickel oder Mangan vorgesehen ist.

5. Durchdringungsverbundmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Tränksubstanz Kupfer, Silber, Kupfer-Silber, Kupfer-Wismut, Kupfer-Silber-Wismut, Silber-Wismut, Kupfer-Tellur, Silber-Tellur oder Kupfer-Silber-Tellur vorgesehen ist.

6. 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 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.

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