DE2349210C3 - Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Vakuumfunkenstrecken - Google Patents

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 A_xBj, oder mit dem Hauptbestandteil H und dem Legierungspartner A eine intermetallische Verbindung A_nB_nH₀ oder beide genannten intermetallischen Verbindungen bildet Infolge der Bildung dieser Verbindungen A_XB_}, und A_nB_nH₀ 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.

Tabelle

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)

Patentansprüche:

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.