DE2240493C3 - Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE2240493C3 DE2240493A DE2240493A DE2240493C3 DE 2240493 C3 DE2240493 C3 DE 2240493C3 DE 2240493 A DE2240493 A DE 2240493A DE 2240493 A DE2240493 A DE 2240493A DE 2240493 C3 DE2240493 C3 DE 2240493C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt hoher iM als der der Tränksubstanz., wobei die Metallmjtrix aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1600 C und einer metallischen Nebenkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes der Tranksubstanz besteht und beide Komponenten bei der jeweiligen Sintericmpcratur zumindest teilweise ineinander löslich sind.
An die Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter werden hohe Anforderungen bezüglich Gasfreiheit, hohe Abschaltströmc (^25 kA), niedriger Abreißströme (< 5 A) und ausreichend niedrige Schweißkräfte {- 500 N) gestellt. Die Abbrandfestigkeit muß außerdem genügend groß sein, um auch beim Abschalten \on Kurzsi-hluQströmen eine ausreichende Lebensdauer zu gewährleisten (mehr als 10000 Schaltungen beim Nennstrom und etwa 50 Kurzschlußabschaltungcn).
Durch die britische Patentschrift I 079 013 sind berc'ts Kontaktmaterialien für Vakuumschalter bekannt, die aus einer gesinterten Metailmatrix aus einer Hauptkomponentewie 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 Metailmatrix beim Tränkprozeß auflöst.
Weiterhin ist durch die schweizerische Patentschrift •1X1 710 cm heterogenes Durehdringungsverbundmetail zur Verwendung als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bekannt. Da-i Durchdringunpsverhiindmetall besteht aus einem porcnhaltigen Sintergerüst :iu? wenigstens einem Metal! mit höherem Schmclzpunk! oder wenigstens einer Metallegierung mit höherem Schmelzpunkt, dessen l'oren mit einem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt oder einer Metallegierung mit meilngercni Schmelzpunkt, einem sogenannten Hillmctall. gefüllt sind. Das Sintergerüst besieht eben-
falls 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 oder aus einer Legierung dieser Elemente besteht. Als Tränkwerkstoffe 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 französische Patentschrift 1584 082 ist ein heterogenes Durchdringungsverbundmetall der eingangs genannten Art als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bekannt, das aus einem porenhaltigen Sintergerüst aus einem abbrandfesten Metall wie Wolfram, Molybdän oder Rhenium oder deren Legierungen besieht. Als Zusatz für das abbrandfeste Metall des Sintergerüsts sind dort Silber, Kobolt, Kupfer, " Eisen, Nickel, Titan und Zirkon genannt. Die Poren des Sintergerüstes sind mit einem niedriger schmelzenden Metall oder einer niedriger schmelzenden Metallegierung gefüllt. Das Füllrn stall enthält zur Verbesserung der Benetzung Zusätze von Kobalt, a5 Kupfer, Eisen, Nickel, Titan und/oder Zirkonium. Mit den hier verwendeten Gerüstwerkstoffen sind Abschaltströme von mehr als 25 kA nicht erreichbar, da beim Schalten Loher Ströme von mehr als 10 kA Sekundärelektronenemissior auftrif*, die die Wieder- 3» verfestigung und damit da* Löschvermögen der Schaltstrecke beeinträchtigt.
Durch die deutsche Auslegeschrift 1 640 039 und die britische Patentschrift 1 194 674 sind ferner Sinterverbundwerkstoffe 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 in Kupfer, jedoch niedriger als der von Molybdän und deren Siedepunkt nicht wesentlich höher liegt als 3000° C. Diese Sintertränkwerkstoffe zeigen wegen der Löslichkeit zwischen Matrixmetall und Tränkmetall nur eine schwache Brückenbildung, wobei Bereiche ohne Brückenbildung neben solchen mit Brückenbildung vorkommen. Das Abbrandverhalten liegt dementsprechend zwischen dem eines Einlagerungsverbundwerkstoffs und dem eines Durchdringungsverbundwerkstoffs.
Chrom hat auf Grund seiner harten bzw. spröden Beschaffenheit den Nachteil, daß es sich auch bei sehr hohem Preßdruck nur schwer zu formstabilen Gerüsten verprcssen 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, die Oxidreste enthalten. Bei der anschließenden Tränkung werden derartige Porenbereiche nicht vom Tränkmittel infiltriert.
Sintertrankwerkstoffe wie Chrom-Kupfer, Chrom-Silber, Kobalt-Kupfer. Koball-Silbcr, Nickel-Kupfer, Nickel-Silber weisen sehr hohe Schwcißkr.ifte auf. So hat / U. OCu40 eine Schwerkraft von mehr als KXK) N, wenn daraus hergestellte Kontakte mit Stmmen von mehr als 15 kA beaufschlagt werden. Hei einem Vakuumschalter mit Kontakten aus CrCu40 !ritt Hei einer Kapazität von .1 n(: parallel zum Schalt-
50 rohr ein Abreißstrom von 10 A immer noch mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 % auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei harten bzw. spröden Matrixwerkstoffen wie Chrom, Zirkon oder Titan 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.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als metallische Hauptkomponente Chrom und als Nebenkomponente Zirkon, Eisen, Nickel, Ko-jalt, Titan oder Mangan vorgesehen sind und daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente, beträgt.
Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht darin, daß als metallische Hauptkomponente Zirkon und als Ncbenkomponente Chrom, Kobalt, Eisen, Nickel, Titan oder Mangan vorgesehen sind und daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente, beträgt.
Eine andere Lösunii der obengenannten Aufgabe besteht darin, daß als'metallische Hauptkomponente Titan und als Nebenkomponente Kobalt, Eisen, Nickel oder Mangan vorgesehen sind und daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente, beträgt.
Nach dem Tränkprozeß bleibt die Struktur der gesinterten Matrix im wesentlichen erhalten.
Als Tränksubstanz dienen vorteilhafterweise Kupfer, Silber, Kupfer-Silber, Kupfer-Wismut, Kupfer-Silber-Wismut, Silber-Wismut, Kupfer-Tellur, Silber-Teliur oder Kupfer-Silber-Tellur.
Das erfindungsgemäße Durciidringjügsverbundme-IaII 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 beriets erwähnt, ist es bekannt, CrCu-Werkstoffe herzustellen, in dem zunächst ein Cr-Gerüst gepreßt und gesintert wird, das in einem nachfolgenden Arbeitsgang mit dem Tränkwerkstoff iCu, 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 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 μΐη), die aus Gründen einer besseren Tränkfähigkeit, geringerem Gasgehallt und geringerer Anfälligkeit gegen Erosion und Teilchenbildung auf Grund 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 Sinterbrückeri aufgelöst, ?"■ daß die Pulverkörner des Gerüstes isoliert im Gefüge vorliegen.
Um die Erscheinung dieser Gerüstauflösung zu beseitigen, wird gemäß der Erfindung dem Gerüstmetall eine Nehenkomponente zugegeben und die Sintertemperatur so gewählt, daß entweder die Nebenkomponente oder eine Legierung zwischen Haupt- und Nebenkomponente während des Sinterns 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 angeiöst, aber nicht vollständig aufgelöst werden.
Der Vorteil dieser Maßnahme besteht in einer intensiveren Brückenbildung und damit einer vermindertem Abbrandrate. Außerdem wird ein 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 ungeträn'.t bleiben können, und als benetzungsaktive Schicht wirken kann. Dieser Vorteil wird insbesondere dann erreicht, wenn die Hauptkomporente des Gerüstes aus einem sehr sauerstoffaffinen Metall wiie Chrom, Titan oder Zirkon besteht und die zur Bildung der flüssigen Phase zugesetzte Nebenkomponenle gegenüber Chrom, Titan oder Zirkon eine geringere Oxidbildungswärme aufweist wie z. B. Eisen, Nickel 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.
An Hand von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.
In allen Beispielen beträgt die Korngröße des verwendeten Cr, Zr, Ti-Pulvers maximal 150 μπι und der Preßdruck 2 bis 4 · 104 N/cm!. Die Sinterung erfolgt im Vakuum.
Beispiel I
Aus einer Mischung von Chrom-Pulver mit K "„ Zirkon wird ein poröses (icriisl gepreßt, das im Vakuum bei I 5(K) (' eine Stunde lang gesintert und anv.-hlicßend mil CuDi 0.3 oder AgIIi (U oder AgCu KlIIi 0.3 odi-r (nie 0.5 oder AgTr ci.5 oder AgCu 107c 0.5 gelranXt wird. Wahrend des Suiterpro/csses bildet sich /tischen. Cr und Zr cmc Micdrigschmcl/cndc I cgierung aus. die hei der Siiil "cmncra'.ur \on 1500 ( und bc-i Zusammensetzungen zwischen ZrCr 13 und ZrCr35 flüssig ist. Die Tränkung erfolgt zweckmäßigerweisc in Keramik-Tiegeln bei etwa 1150 C bei CuBi 0,3 oder CuTe 0,5 und etwa 1050 C bei AgBi 0,3 oder AgTe 0.5 5 oder AgCul0Bi03 oder AgCu IO Te 0,5. Die Tränkatmosphäre besteht aus Wasserstoff, der nach abgeschlossener Tränkung, jedoch vor lirstarren der 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 Metalldämpfe undurchlässig sind. Geeignet hierfür sind z. B. Graphit und AI,OU.
Beispiel 2
Aus einer Mischung von Chrom-Pulver mit 6"„ Nickelpulver wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1500 C im Vakuum gesintert. P-i der Sintertemperatur ist die Nickelnhnse flüssig "ind kann «jhtnc!.'-flüssige Legierungen im Zusammensetzungsbereich von Reinnickel bis CrNi36 bilden. Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen denen im Beispiel I.
Beispiel 3
Aus einer Pulvermischung von Chrom mit 4 "„ Titan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1500 C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur bildet sich zwischen Cr und Ti eine flüssige Phase im Zusammensetzungsbereich TiCr27 bis TiCr67 aus. Tränkwer'r,-stoffe und Tränkmethode entsprechen denen im Beispiel i.
Beispiel 4
Aus einer Pulvermischung von Chrom rr.it 10''„ Mangan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1400 C im Vakuum gesintert. Bei der Sintcrtcnperatur liegt das Mangan in flüssiger Phase vor (Schmelzpunkt 1244 C) und kann als flüssige Legierungsphase bei dieser Temperatur 28% Cr (MnCr28) lösen Tränk-Werkstoffe und Tränkmethode entsprechen denen im
Beispiel 1. Beispiel 5
Aus einer Pulvermischung von Zirkon mit I '_,'„ Nickel wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1500 C im Vakuum gesintert. Bei der Sintertemperatur liegt Nickel in flüssiger Phase vor. Der schmelzflüsMge Bereich der sich ausbildenden ZrNi-Lcgicrung reicht bei 15(X) C von Rcinnickcl bis ZrNiSO und" ZrNi^ bis ZrNi45. Die beiden Bereiche sind hierbei durcl. die peritektisch gebildeten intermetallischen Phasen ZrNi1 uiid ZrNi, mit Schmelzpunkten oberhalb IWM) C getrennt. Tränkwcrkstoffe und Tränkmethode entsprechen Beispiel 1
55
Beispiel 6
Aus einer Puivermischung von Zirkon mit 6"„ Titan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 1650 C im
Vakuum gesintert Zirkon und Titan bilden bei dieser Temperatur emc flussige Phase im Zusammenset/ungsbercich Ti/r35 bis TiZrM). Tränkwerkstoffe und T rankmethode entsprechen Beispiel I.
Au:, einer Pul-.ernnuhimg von Zirkon mit 1.5"., Mangan wird ein ρ..ιο-es (ieriist gepreßt und b-i IS(Ki ( it'i '■ Λ ip,r · ,ι- i.i'rt! llii «!er Smicrlcriprr.it ,;Γ
Ιίι.'μΙ Mangan in fliissigei I'h.ise '.or. Die schmel/.-fliissijii'ii Legierungen erstrecken sich von Kemniangan his /rMnl'i. I rankwerkstoffc und Ί riinkmeth"de entsprechen Itcispicl 1
Beispiel K
/\iis einer l'iiker mischung win 11 tan und .V1,, hisen wird em poröses (ieiiist gcpielH und bei 14(K) C im Vakuum gesintert. Hei dieser temperatur bilden sich flüssige !'basen im /usaiiimcnset/.ungsbcrcich l-'c'I'i'J his K-TiIK und Lc!i40 his IeIiKK aus. Die beiden schmel/fliissigcn Bereiche sind durch die bei I 5(K) C schmcl/cndc pcritcktische gebildete intermetallische !'hase "lilc2 getrennt. I rank werkstoffe und Tränkmethode entsprechen Itcispicl I
Beispiel ''
Aus einer Pulveimischung son titan mit }',. Nickel wird ein piiröscs (ierüst gepreßt uml bei NOO C im Vakuum gesintert. Hei tier Smtcrtemperatur erstreckt sich der sehmel/flüssige Dereich win IiNiIS bis IiNic>5. 'I'ränkwerkstoffe und 1 riinkmctliode entsprechen Heispiel I.
Beispiel 10
Aus einer Pulvermischung von Titan und J "„ Mangan wird ein poröses Gerüst gepreßt und bei 14(K) C im Vakuum gesintert. Hei der Sintertemperatur kann sich eine schmel/flüssigc Phase im Zusammcnseuungsbercich von TiMn25 bis Reinmangan !l'K-hjliJcn.
• 5 Tränkwerkstoffe und Tränkmethode entsprechen Heispiel I.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz, wobei die Metallmatrix aus einer metallischen Haupt- 1Q komponente 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 teilweise ineinander löslich sind, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Hauptkomponente Chrom und als Ncbeitiiomponente Zirkon, Eisen, Nickel, Kobalt, Titan oder Mangan vorgesehen sind und daß der aü Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente, beträgt.
2. Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz, wobei die Metailmatrix aus einer metallischen Haupt-Jcomponente 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 teilweise ineinander löslich sind, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Hauptkomponente Zirkon und a!s Nebenkomponente Chrom, Kobalt, Eisen, Nickel, Titan oder Mangan vorgesehen sind und daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente, beträgt.
3. Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung mindestens teilweise durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz, wobei 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 und beide Komponenten bei der jeweiligen Sinter- vs temperatur zumindest teilweise ineinander löslich sind, dadurch gekennzeichnet, daß als metallisch; Hauptkomponente Titan und als Nebenkomponente Kobalt, Eisen, Nickel oder Mangan vorgesehen sind und daß der Anteil der Neben- "" komponente zwischen 0,2 und 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Hauptkomponente, beträgt.
4. Durchdringungsvcrbundmetall nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Tränksubstanz Kupfer, Silber, R5 Kupfer-Silber, Kupfer-Wismut, Kupfer-Silber-Wismut, Silber-Wismut, Kupfer-Tellur, Silber-Tellur oder Kupfer-Silbcr-Tellur vorgesehen ist.
5. Verfahren zum Herstellen eines Durchdringungsverbundmetalls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dall 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 tier Schmelztemperatur der Hauptkomponente und oberhalb der Schmelztemperatur der Nebenkoniponente bzw. oberhalb der niedrigsten Schmelztemperatur einer Legierung zwischen Haupt- und Nebenkomponente gesintert wird und daß die Matrix mit einem Tränkmetall 'interhalb der Schmelztemperatur der Haupt- und Nebenkomponeme getränkt wird.
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