DE2310317A1

DE2310317A1 - Mehrbereichskontakt fuer vakuumschaltroehren

Info

Publication number: DE2310317A1
Application number: DE19732310317
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Nat Haessler; Horst Prof Dr Techn Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-03-01
Filing date: 1973-03-01
Publication date: 1974-09-05
Also published as: JPS49119179A

Description

Mehrbereichskontakt für Vakuumschaltröhren Die Erfindung bezieht eich auf einen Mehrbereichskontakt für Vakuumschaltröhren in Mittelspannungs-Leistungsschaltern bestehend aus Legierungen mit Kupfer als Basiswerkstoff.
In rakuumsohaltröhren für Mittelspannungs-Leistungsschalter werden meist Mehrbereichskontakte, insbesondere Zweibereichskontakte, verwendet Die Zweibereichskontakte weisen einen erhabenen Bereich auf, der im wesentlichen den Dauerstrom führt und mit dem geschaltet wird. Der Lichtbogen wird durch geeignete Dimensionierung des Eingenmagnetfeldes des abzuschaltenden Stromes auf einen zweiten Elektrodenbereich, der den erhabenen Elektrodenbereich umfaßt, abgelenkt. Dieser Bloktrodenbereich, der nur vom Lichtbogen bei hohen Abschaltströmen beaufschlagt wird, besteht bisher nahezu ausschließlich aus Kupfer mit einem Gaegehalt von < 5 ppl.
Obwohl eich dieser Werkstoff mit dem erwünschten, niedrigen Verunreinigungsgehalt und guter Temperatur- und Stromleitfähigkeit herstellen läßt, verfügt er über eine Reihe von Nachteilen, die einer erfolgreichen Verwendung in Mittelspannungsschaltern hoher Leistung im Wege stehen. So führen die Entgasungs- und Reinigungsverfahren nach den üblicherweise angewendeten Zonensohmelz- oder Bridgeman-Verfahren su einem sehr grobkörnigen Gefüge mit mittleren Korndurchmessern bis über 1 om. Hiermit ist ein ungünstiger Einfluß auf die statistische Verteilung der Abreißströme verbunden, wobei grobkörnige Strukturen zu einer unerwünscht flachen und breiten Verteilungekurve führen. Wird hochentgastes Kupfer mit geringem Verunreinigungsgehalt in Kokillen vergossen, so erhilt man zwar zunächst eine feinkörnige Struktur, die jedoch infolge der niedrig liegenden Rekristallisationstemperatur von etwa 250°C wieder verloren geht, wenn die Kupfer-Elektroden im Schaltrohr auf die erforderliche Aueheiztemperatur von 4500C gebracht werden. Mit diesem Prozeß ist gleichzeitig ein starker Festigkeitsverlust verbunden, der unerwünscht ist, da die zum Aufreißen von Schweißbrücken erforderlichen Öffnungskräfte zu Kontaktderformationen führen oder eehr groß bemessene Querschnitte erfordern, deren massenkräfte einen unwirtschaftlich starken Antrieb erfordern, um die notwendige Öffnungsbeschleunigung sicherzustellen. Darüber hinaus weisen hochgereinigte Kupferqualitäten ein zähplastisches Bruchverhalten auf, das beim Aufreißen von Schweißbrücken zu einer sehr unebenen Kontaktoberfläche führt, die das dielektrische Verhalten des Schalters ungünstig beeinflußt. Neben diesen technologischen Eigenschaften besitzt Kupfer zusätzlich den Nachteil, wegen seiner geringen Oxidationswärme nur eine geringe Getteraktivität für die Hauptverunreinigung Sauerstoff aufzuweisen, so daß bei Schaltern hoher Leistung ( > 25 kA Kurzschlußstrom) Kupfer mit einem Restsauerstoffgehalt von < 1 ppm eingesetzt werden muß, dessen Herstellung entsprechend schwierig und aufwendig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Mehrbereichskontakt zu schaffen, der aus feinkörnigen Kupfer-Legierungen besteht, die bei möglichst hoher Strom- und Temperaturleitfähigkeit verbesserte Festigkeit und erhöhte Rekristallicationsteuperatur von mindestens 450 °C aufweisen und deren Sauerstoff-Getteraktivität gegenüber Kupfer erhöht iet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Kupfer als Legierungskomponenten Stoffe mit einer Osidbildungewärme zwischen - 100 kcal/mol und - 250 kcal/mol bezogen auf 1 Mol O2-Umsatz bei 750 °C in einer Konzentration zwischen 0,5 und 15 Gew.% zugesetzt sind und daß die Stoffe in der erstarrten Legierung im Kupfer nur gering oder nioht löslich sind und/ oder mit dem Kupfer eine sich ausscheidende intermetallische Verbindung hoher Härte bilden und eine kornfeinende Wirkung auf das Kupfer ausüben.
Als Legierungskomponenten sind besonders geeignet Bor, Zirkon, Lanthan, Cer und Chrom.
Die gemäß der Erfindung dem Basiswerkstoff Kupfer zugesetzten Legierungskomponenten lösen sich in der erstarrten Legierung im Kupfer nur gering oder gar nicht und/oder bilden mit dem Kupfer eine sich ausscheidende intermetallische Verbindung hoher Härte, wodurch die elektrische Leitfähigkeit weitgehend erhalten bleibt. Ferner haben die Legierungszusätze eine kornfeinende Wirkung auf das Kupfer, eo daß auch bei geringen Erstarrungsgeschwindigkeiten geringe Korngröße und feinteilige Ausscheidung gewährleistet ist. Die Festigkeitssteigerung und die Erhöhung der Rekristallisationstemperatur beruht ähnlich wie bei oxidverstärkten Verbundwerkstoffen auf dem Blockieren von Versetzungen durch die harten, feinverteilten Legierungsbestandteile, die an den Korngrenzen der primären Kupfer-Kristallite ausgeschieden werden. Weiterhin haben die Legierungszusätze nach der Erfindung die Eigenschaft, daß sie sich durch Hochvakuumschmelzen bei Temperaturen unterhalb 2000 cc in Graphittiegeln mit geringem Gasgehalt herstellen lassen.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse an einer Reihe von Beispielen aufgezeigt. In allen Fällen wurden die Legiernngen in abgedeckten Graphit-Tiegeln induktiv im Vakuum erschiolzen und anschließend durch langsames Verschieben der Heizzone gerichtet erstarrt. Durch chemische Analysen wurde dabei nachgespiesen, daß die Legierungen trotz des Schmelzvorganges im Graphit-Tiegel weder freien noch gebundenen Kohlenstoff enthielten. Die Schmelztemperaturen lagen bei CuB2 bei 17000C, bei CuZr1,5 bei 1500 cc und bei den übrigen bei 1200 cc. Mach Glühungen bei Temperaturen oberhalb 500 cc blieb die Festigkeit und das Gefüge unverändert, so daß die Forderung nach ausreichend hoher Rekristallisations temperatur erfüllt ist. Der Restgasgehalt konnte bei allen Legierungen kleiner 5 ppm gehalten werden.
Legierung Härte Leitfähigkeit mittl. Korngröße N#mm-2 m##-1#mm-2 µm Cu-rein 430 59 15.000 CuZr0,5 600 43 500 CuZrl 700 39 250 CuZr4,5 1100 30 100 CuB2 780 52 250 CuCr1,5 740 35 200 CuCe3 690 33 150 CuLa3 700 29 200 CuZr12 2200 15 30 14 Patentansprüche O Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Mehrbereichekontakt für Vakuumschaltröhren in Mittelspannungs-Leistungsschaltern bestehend aus Legierungen mit Kupfer als Basiswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kupfer als Legierungekomponenten Stoffe mit einer Oxidbildungewärme zwischen - 100 kcal/mol und - 250 koal/mol bezogen auf 1 Mol 02-Umeatz bei 750 cC in einer Konzentration zwischen 0,5 und 15 Gew.% zugesetzt sind und daß die Stoffe in der erstarrten Legierung im Kupfer nur gering oder nicht löslich sind und/oder mit dem Kupfer eine sich ausscheidende intermetallische Verbindung hoher Härte bilden und eine kornfeinende Wirkung auf das Kupfer ausüben.
2. Mehrberetohskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungskomponente Bor vorgeeehen ist.
3. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungskomponente Zirkon vorgesehen iet.
4. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungskomponente Lanthan vorgesehen ist.
5. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungskomponente Cer vorgesehen ist.
6. Mehrbereichakontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungskomponente Chrom vorgesehen ist.
7. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung CuB2 vorgesehen ist.
8. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung CuZr 0,5 vorgeeehen ist.
9. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung CuZr1 vorgegehen ist.
10. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung CuZr4,5 vorgesehen ist.
11 Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung CuZr12 vorgesehen ist.
12. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung OuLa3 vorgesehen iet.
13. Mehrbereichskontakt nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupferlegierung CuCe3 vorgesehen ist.