DE2349210C3 - Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Vakuumfunkenstrecken - Google Patents
Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und VakuumfunkenstreckenInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff für elektrische Kontaktstücke, mit denen der Stromkreis
durch Öffnen der Kontaktstücke innerhalb eines Vakuumgefäßes in Vakuumschaltern und Vakuumfunkenstrecken
unterbrochen wird.
Derartige Kontaktwerkstoffe müssen eine hohe elektrische Leitfähigkeit, eine zufriedenstellende
Spannungsfestigkeit, eine ausreichende mechanische jo
Festigkeit, einen genügend hohen Dampfdruck und einen hohen Widerstand gegen Verschweißen besitzen
oder auftretende Vwschweißungen leicht lösen lassen. Hinzu kommt die Forderung nach extremer Gasfreiheit
der Kontaktwerkstoffe und nach ganz besonders reinen und gasfreien Oberflächen. Zu diesem Zweck müssen
sich die Kontaktstücke einer Ausheizbehandlung im Vakuum unterziehen lassen.
Reine Metalle, wie Aluminium, Kupfer und Silber besitzen zwar eine hohe elektrische Leitfähigkeit, sidd
aber infolge ihrer geringen mechanischen Festigkeit leicht verformbar und neigen auf Grund ihrer extremen
Reinheit zum Verschweißen. Außerdem ist der Dampfdruck von Metallen wie Kupfer und Silber derart
niedrig, daß der Vakuumbogen bereits bei relativ hohen Stromstärken abreißt, die die geflirchteten Spannungsspitzen
induzieren.
Es ist bekannt, das Abreißen des Vakuumbogens und das Verschweißen der Kontaktstücke auf ein vertretbares
Maß herabzusetzen, indem der Kontaktwerkstoff mit einem solchen Zusatzmetall legiert, vermischt,
getränkt, überzogen oder in anderer geeigneter Weise versehen wird, das einen hohen Dampfdruck aufweist
und das der Kontaktstückoberfläche eine gewisse Sprödigkeit verleiht, um eingetretene Verschweißungen
leicht aufbrechen zu können. Kontaktwerkstoffe mit solchen gewünschten Eigenschaften sind beispielsweise
Aluminium-Wismut, Kupfer-Wismut, Kupfer-Antimon, Kupfer-Magnesium, Kupfer-Wismut-Antimon,
Silber-Wismut und Silber-Antimon. Um die mechanische Festigkeit des Kontaktwerkstoffes zu
erhöhen, ist es bekannt, Kupfer- und Silberwerkstoffen, die Wismut enthalten, Beryllium zuzusetzen. Andere
Zusätze an Metallen, wie Zirkonium, Hafnium, Titan, Thorium, sollen im Schaltbetrieb freiwerdende Gase h5
binden.
Die genannten Kontaktwerkstoffe besitzen jedoch eine Reihe von Nachteilen. Um die gewünschten Eigenschaften
hervorzurufen, muß ein hoher Anteil des Zusatzmetalls im Kontaktwerkstoff vorhanden sein.
Hohe Anteile an Zusatzmetall verschlechtern zunehmend die elektrische Leitfähigkeit und die mechanischen
Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes. Außerdem ist die Wirkung der angegebenen Gettermetalle
unbefriedigend, da sie einen niedrigen Dampfdruck aufweisen. Zusätze an Magnesium oder Antimon
verursachen eine derart hohe Härte und Sprödigkeit, daß die aus solchen Werkstoffen hergestellten Kontaktstücke
der mechanischen Belastung beim Schaltvorgang nicht gewachsen sind, sondern zersplittern. Antimonhaltige
Kontaktwerkstoffe zeigen weiterhin bereits bei mäßigen Antimongehalten ein steiles Abfallen
der elektrischen Leitfähigkeit Binäre Kontaktwerkstoffe, die Magnesium oder Antimon oder Wismut
enthalten, neigen bei der Erstarrung zur Mikroporosität Die in solchen Hohlräumen enthaltenen Gase
lassen sich auch durch eine Wärmebehandlung im Vakuum nicht aus den Kontaktwerkstoff^ entfernen.
Derartige Gasansammlungen fuhren im Schaltbetrieb zu unerwünschten Gasausbrüchen, die das Vakuum
verschlechtern und damit die Spannungsfestigkeit verringern.
Kontaktwerkstoffe, die Wismut enthalten, weisen infolge der geringen Löslichkeit des Wismuts zusammenhängende
Ausscheidungen entlang der Korngrenzen auf, die in schädigender Weise den Gefugeverband
lockern. Beim erforderlichen Ausheizen des Vakuumgefäßes schmelzen diese Wismut-Ausscheidungen
auf und bilden infolge der hohen Oberflächenspannung des Wismuts auf der Kontaktstückoberfläche
Schmelzperlen, die auch nach der Erstarrung erhalten bleiben. Diese Schmelzperlen setzen die Spannungsfestigkeit erheblich herab, so daß die Gefahr eines
Funkendurchschlags besteht. Da Wismut neben einem äußerst niedrigen Schmelzpunkt einen hohen Dampfdruck
aufweist, verdampft es beim Ausheizen übermäßig und schlägt sich innerhalb des Vakuumgefäßes
nieder, so daß dessen Isolation beeinträchtigt wird.
Versuche, die schädliche Auswirkung des Wismuts dadurch auszuschalten, daß der Gehalt an Wismut
vermindert und neben Wismut ein weiteres Zusatzmetall, wie Antimon oder Beryllium, verwendet wird,
haben nicht zum erwarteten Erfolg geführt.
Kontaktwerkstoffe, die Wismut und Antimon enthalten,
neigen ebenso wie binäre Kontaktwerkstoffe bei der Erstarrung zur Mikroporosität. Sie weisen
eine unzureichende Spannungsfestigkeit sowie eine erheblich verminderte elektrische Leitfähigkeit und
eine hohe Härte auf. Diese hohe Härte führt unter der Einwirkung der Schaltstöße zur Zerstörung der
Kontaktstücke.
Wegen der Giftigkeit des Berylliums erfordert der Umgang mit Beryllium zusätzliche umfangreiche und
aufwendige arbeitsschutztechnische Vorkehrungen, die die Herstellung von Kontaktstücken aus solchen
Werkstoffen komplizieren und verteuern.
Zweck der Erfindung ist es, einen Kontaktwerkstoff für Vakuumschalteinrichtungen zu schaffen, der einen
genügend hohen Dampfdruck besitzt, nicht versprödet, ausreichend mechanische Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit
und Spannungsfestigkeit aufweist, der porenfrei erstarrt, dessen Herstellung billig ist und dessen
Verarbeitung zusätzliche arbeitsschutztechnische Vorkehrungen nicht erfordert, der ohne Schädigung der
aus einem solchen Werkstoff hergestellten Kontaktstücke und ohne Beeinträchtigung der Isolation des
Vakuumgefäßes einem Ausheizen unterzogen werden kann und der einen zufriedenstellenden Gashaushalt
des Vakuumgefaßes gewährleistet
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktwerkstoff für Vakuumschalteinrichtungen zu
entwickeln, der ein Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit
als Hauptbestandteil und mehrere Zusatzmetalle als Legierungspartner enthält
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kontaktwerkstoff als Hauptbestandteil H ein
Metall hoher elektrischer Leitfähigkeit und als Legierungspartner A und B solche Metalle hohen Dampfdruckes
enthält, die miteinander eine intermetallische Verbindung bilden und von denen wenigstens der
Legierungspartner A eine große Getterwirkung aufweist und mit dem Hauptbestandteil eine intermetallische
Verbindung mit metallischem Bindungscharakter bildet
Eine solche intermetallische Verbindung mit metallischem Bindungscharakter bewirkt, daß der Kontaktwerkstoff
auch mit wachsendem Zusatz an Legierungspartnern eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
behält Eine gewisse Mindestkonzentration an Legierungspartner A ist erforderlich, um einen genügend
hohen Dampfdruck und eine ausreichende Getterwirkung zu erzielen. Gehalte an Legierungspartner A
und das Vorhandensein der aus dem Hauptbestandteil und dem Legierungspartner gebildeten intermetallischen
Verbindung A4H, verspröden den Kontaktwerkstoff.
Erfindungsgemäß wird eine solche Versprödung dadurch vermieden, daß der Kontaktwerkstoff
einen Legierungspartner B enthält, der mit dem Legierungspartner A eine intermetallische Verbindung
AxBj, oder mit dem Hauptbestandteil H und dem
Legierungspartner A eine intermetallische Verbindung AnBnH0 oder beide genannten intermetallischen
Verbindungen bildet Infolge der Bildung dieser Verbindungen AXB}, und AnBnH0 wird die den Kontaktwerkstoff
versprödende intermetallische Verbindung Aj1H, abgebaut.
Ein wachsender Zusatz an Legierungspartner B baut die Versprödung und die Härte des Kontaktwerkstoffes
so weit ab, bis bei Gehalten der Legierungspartner A und B, die etwa der stöchiometrischen Zusammensetzung
der intermetallischen Verbindung Α,,Β, entsprechen,
ein Minimum an Sprödigkeit und Härte erreicht wird. Ein steigender Gehalt an Legierungspartner B verursacht bei konstantem Gehalt an A
lediglich bei geringen Gehalten an B ein etwas stärkeres Absinken der elektrischen Leitfähigkeit, während bei so
höheren Konzentrationen an B die elektrische Leitfähigkeit über größere Konzentrationsbereiche hinweg
nahezu konstant bleibt. Bei konstantem Gehalt an B und zunehmendem Gehalt an A verläuft die elektrische
Leitfähigkeit über ein Maximum. Es ist daher tnög-Hch,
je nach den Schaltbedingungen eine solche Zusammensetzung des Kontaktwerkstoffes zu wählen, die
ein Optimum hinsichtlich der elektrischen und der mechanischen Eigenschaften aufweist.
Der Hauptbestandteil H des Kontaktwerkstoffes besteht aus Kupfer. Der Legierungspartner A besteht
aus Magnesium. Sein Anteil am Kontaktwerkstoff beträgt 0,4 bis 20 Masse-%.
Der Legierungspartner B besteht aus Antimon. Der Gehalt des Kontaktwerkstoffes an Legierungspartner B
beträgt 0,4 bis 35 Masse-%.
Der erfindungsgemäße Werkstoff zeigt hinsichtlich der Spannungsfestigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit,
der mechanischen Festigkeit und des Dampfdruckes die für Kontaktwerkstoffe von Vakuumeinrichtungen
gewünschten optimalen Eigenschaften.
Der erfindungsgemäße Werkstoff weist eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit auf, die auch bei
möglichen hohen Gehalten an Legierungspartnern erhalten bleibt Ein hoher Anteil an Legierungspartnern
bewirkt keine unerwünschte Versprödung des Kontaktwerkstoffes, sondern verleiht ihm eine solche Härte
und mechanische Festigkeit, daß die aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellten Kontaktstücke
durch die Schaltstöße nicht beschädigt, Verschweißungen aber leicht voneinander getrennt werden
können. Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffes ist ein günstiges Bogenlaufverhalten, das
sowohl einen flächenhaften und verminderten Kontaktstückabtrag als auch ein hohes Abschaltvermögen
bewirkt. Da der Kontaktwerkstoff mindestens einen Bestandteil hohen Dampfdruckes enthält, besitzt er
einen ausreichend niedrigen Abschaltstrom. Durch den hohen Dampfdruck des getternd wirkenden Legierungspartners
verdampft dieser in ausreichendem Maße, so daß nicht nur aus dem Kontaktwerkstoff
gegebenenfalls freiwerdende Gase, sondern auch aus den Teilen des Vakuumgefaßes freigesetzte Gase
gebunden werden. Der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff erstarrt porenfrei, er weist daher Hohlräume,
die Gaseinschlüsse enthalten können, nicht auf. Da zusammenhängende Ausscheidungen im Kontaktwerkstoff
nicht auftreten, können Aufschmelzungen, die den Gefugeverband beeinträchtigen und die Spannungsfestigkeit
herabsetzen, nicht eintreten. Außerdem können im erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff
solche Metalle in gewünschten Anteilen verwendet werden, die innerhalb binärer Legierungen in gleicher
Konzentration wegen der ungünstigen Beeinflussung der Schalteigenschaften in gleicher Konzentration nicht
verwendbar werden. Eine Komplizierung der erforderlichen Ausheizbehandlung und eine Beeinträchtigung
der Isolation des Vakuumgefaßes tritt dadurch nicht ein. Der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff weist ein
gutes Benetzungsverhalten auf, so daß er gegebenenfalls ohne Zusatz, eines Infiltrationsaktivators zur
Tränkung metallischer oder/und nichtmetallischer Skelette und Schüttungen aus Pulver, Körnern, Granulaten,
Spänen, Fasern od. dgl. geeignet ist. Auf diese Weise lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften des
Skelettwerkstoffes mit denen des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffes verbinden.
Durch die Vermeidung der Verwendung von Metallen, die eine schädigende Wirkung auf den menschlichen
Organismus ausüben, sind kostspielige zusätzliche arbeitsschutztechnische Vorkehrungen bei der
Herstellung und Bearbeitung des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff nicht erforderlich. Vorteilhaft ist
ferner, daß der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff aus billigen und leicht beschaffbaren Metallen besteht.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffes erfolgt auf schmelzmetallurgischem oder
pulvermetallurgischem Wege oder mittels Infiltration nach bekannten Verfahren. Es ist nicht erforderlich,
daß die in Vakuumschalteinrichtungen eingesetzten Kontaktstücke vollständig aus dem erfindungsgemäßen
Werkstoff bestehen. Für viele Fälle ist es ausreichend, lediglich Teile der Kontaktstücke oder der Kontaktstückflächen
mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff zu versehen. Dabei können aus dem erfindungsgemäßen
Kontaktwerkstoff auf schmelzmetall-
urgischem oder pulvermetallurgischem Wege oder
mittels Tränken hergestellte Einsatzkörper in Vertiefungen, die auf der Kontaktfläche vorgesehen sind,
eingepreßt, eingeschweißt oder eingelötet werden. Es ist auch möglich, den erfindungsgemäßtm Kontaktwerkstoff
schmelzflüssig in solche Vertiefungen einzubringen, oder in solchen Vertiefungen bis zum
Schmelzfluß zu erwärmen und danach erstarren zu lassen.
Weiterhin kann der erfindungsgemäße Kontaktwerk- m
stoff auf die gesamte Kontaktstückfläche oder Teile davon schmelzflüssig oder in Form eines Halbzeuges
aufgebracht und aufgeschmolzen oder als Formteil aufgeschweißt, aufgepreßt oder aufgelötet oder aufgedampft
oder in anderer geeigneter Weise aufgebracht werden.
Es ist weiterhin nicht erforderlich, daß die Kontaktstücke
eines Kontaktstückpaares aus dem gleichen Werkstoff bestehen. So kann beispielsweise ein Kontaktstück
aus Kupfer/Antimon/Magnesiuiu bestehen,
während das Gegenkontaktstück aus reinem Kupfer besteht Ebenso ist es möglich, daß die Legierungspartner Magnesium und Antimon in den Kontaktstücken
eines Kontaktstückpaares in unterschiedlicher Konzentration enthalten sind.
Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Werkstoffe auf Kupferbasis, die unterschiedliche
Anteile an Magnesium und Antimon enthielten, wurden mittels spanender Verfahren zu
Kontaktstücken umgeformt und mehrfach die elektrische Leitfähigkeit und die Härte gemessen. Die
Mittelwerte aus diesen Messungen sind in der Tabelle dargestellt.
Elektrische Leitfälligkeit und Härte von CuMgSb-Kontaktwerkstoffen
Masse-% | Mg | Sb | Elektrische | Härte |
10 | 3 | Leitfähigkeit | ||
Cu | 10 | 10 | κ (m/i > · mm2) | kp/mm2 |
87 | 10 | 15 | 7,7 | 276 |
80 | 10 | 20 | 5,9 | 246 |
75 | 10 | 25 | 5,3 | 187 |
70 | 10 | 30 | 5,2 | 142 |
65 | — | 30 | 5,0 | 93 |
60 | 4,9 | 108 | ||
70 | kleiner 1 | 260 | ||
Es ist ersichtlich, daß die Zunahme des Antimongehaltes
eines erfindungsgemäßen Kupfer/Magnesium/Antimon-Kontaktwerkstoffes
die elektrische Leitfähigkeit nur unwesentlich beeinflußt, während
die Härte stetig abnimmt und bei einer Zusammensetzung, die nahe beim stöchiometrischen Verhältnis
der intermetallischen Verbindung Mg3Sb2 Hegt, ein
Minimum erreicht. Die Wahl der Werkstoffzusammensetzung kann dadurch derart erfolgen, daß die für die
vorliegenden SchaJtbedingungen günstigsten mechanischen Eigenschaften der Kontaktstücke erzielt
werden. Ein vergleichsweise angegebener bekannter Kupfer/Antimon-Kontaktwerkstoff ist unbrauchbar.
Claims (2)
1. Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und -funkenstrecken aus Kupfer als Hauptbestandteil
mit Legierungspartnern, von denen mindestens einer einen hohen Dampfdruck besitzt, dadurch
gekennzeichnet, daß er aus 0,4 bis 20% Magnesium als getternder und mit dem Hauptbestandteil
Kupfer eine intermetallische Verbindung mit metallischem Bindungscharakter bildender Legierungspartner
A und aus 0,4 bis 35% Antimon als mit dem Hauptbestandteil und dem Legierungspartnsr
A eine intermetallische Verbindung bildender Legierungspartner B besteht.
2. Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 als Tränklegierung fur ein Sinterskelett aus metallischen
und/oder nichtmetallischen Teilchen.
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