DE2357333B2 - Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter mit einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegicrung durchdrungenen gesinterten Metallmatrix dis aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1400⁰C und einer metallischen Nebenkomponente besteht, und mit einer Schmelztemperatur der Tränksubstanz die zwischen 850° C und der jeweiligen Sintertemperatur liegt

Ein derartiges Durchdringungsverbundmetall ist aus der DE-AS 15 58 647, der CH-PS 4 83 710 und der GB-PS 10 79 013 bekannt.

Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter, deren Einsatzgebiet sich auch auf den Bereich höherer Leistungen erstrecken soll, haben als Grundbedingung die Forderungen nach hohen Stromabschaltvermögen (> 10 kA) und guter dielektrischer Festigkeit (>12kV) zu erfüllen. Zugleich müssen derartige Werkstoffe auch eine hohe Lebensdauer, d. h. einen entsprechend niedrigen Abbrand sowie ausreichend geringe Schweißkräfte (<800N) aufweisen. Als Kontaktwerkstoffe werden reine Legierungen auf Kupferbasis oder Sinter-Tränkwerkstoffe verwendet. Diese Sinter-Tränkwerkstoffe bestehen aus einer gesinterten porösen Matrix eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt, die mit einem Metall oder einer Metallegierung mit niedrigeren Schmelzpunkt und größerer elektrischer Leitfähigkeit getränkt ist und ein sog. Durchdringungsverbundmetall bildet. Die aufgeführten Kontaktwerkstoffe erfüllen zwar die Forderungen nach ausreichend hoher Lebensdauer und hohem Abschaltstrom, nicht dagegen die Anforderungen bezüglich einer ausreichend niedrigen Schweißkraft. Es wurde bereits versucht, den genannten Legierungen auf Kupferbasis bzw. den Sinter-Tränkwerkstoffen Wismut oder Tellur als schweißkraftsenkende Bestandteile zuzumischen. Wismut oder Tellur weisen jedoch infolge ihrer niedrigen Siedepunkte (< 2000⁰C) sehr hohe Dampfdrücke auf, wodurch das Löschvermögen des Schalters und damit seine Stromabschaltfähigkeit relativ stark vermindert wird.

Durch die AT-PS 2 94 962 und die DE-PS 12 38 543 sind Maßnahmen bekannt, die eine Versprödung bewirken, und so die die Gefahr der Kontaktverschweißung bei Vakuumschalter-Kontakten reduzieren. So ist z. B. in Ausnehmungen des Kontaktkörpers aus einem Material mit hoher Lichtbogenspannung ein Material mit niedriger Lichtbogenspannung eingesetzt Weiterhin ist bekannt, das Material mit hoher Lichtbogenspannung mit einem Material zu legieren, das eine gewisse Sprödigkeit in die Kontaktfläche bringt Weiterhin ist . bekannt, die Kontaktmaterialien so zu wählen, daß sie bei Lichtbogenbildung zwischen den zusammenwirkenden Kontaktflächen vermischt werden und sprödbrechende Filme an den zusammenwirkenden Kontaktflächen bilden. So besteht z.B. der die Kontaktfläche • umfassende Teil des einen Kontaktes aus Silber-Silizium und der die Kontaktfläche umfassende Teil des anderen Kontaktes aus Silber-Nickel, wobei sich sprödbrechende Filme aus Nickel-Silliziden ergeben.

Durch die CH-PS 4 83 710 ist es auch bekannt bei

. einem heterogenen Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter zum Zwecke einer besseren Benetzung dem Tränkmetall einen Zusatz von z. B. Aluminium beizugeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein : Durchdringungsverbundmetall der eingangs genannten Art als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter zu schaffen, das neben einer guten dielektrischen Festigkeit möglichst niedrige Schweißkräfte und ein hohes Stromabschaltvermögen aufweist

Erfindtingsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Hauptkomponente aus Chrom und die Nebenkomponente aus Aluminium besteht, wobei die Nebenkomponente als Versprödungszusatz dient, daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,5 und 10Gew.% bezogen auf die Hauptkomponente beträgt und daß als Tränkmetall Kupfer vorgesehen ist.

Die Möglichkeit der Verwendung von Aluminium als Versprödungszusatz bei einem Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter war überraschend, da Aluminium im allgemeinen die Sinteraktivität des gerüstbildenden Materials stark reduziert. Dies beruht auf der hohen Sauerstoffaffinität des Aluminiums, so daß es praktisch unmöglich ist, ein Vakuum zu erzeugen, bei welchem Aluminium nicht oxidiert. Bei 1000 C müßte das Vakuum besser als 10-³⁰ITIb sein. Die damit sich bildenden Oxidpartikel wirken rekristallisationsbehindern und erschweren das erwünschte Kornwachstum und die Ausbildung stabiler Sinterbrücken. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in Kombination mit Chrom diese Schwierigkeiten nicht beobachtet werden, weil die Bildung der versprödenden intermetallischen Chrom-Aluminium-Phase mit stark exothermer Wärmetönung verläuft und bei diesem Vorgang offenbar die diffusionsbehindernden Oxidhäute auf den Metallpulverkörnern zerstört werden, so daß der Sintervorgang ablaufen kann.

Das erfindungsgemäße Durchdringungsverbundmetall kann dadurch hergestellt werden, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz in Pulverform gemischt und zu einem Formkörper kaltverpreßt werden, daß der Formkörper bei einer Temperatur oberhalb 1200° C gesintert wird und daß die gesinterte Metailmatrix mit der Tränksubstanz bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur getränkt wird.

Eine andere Art, das erfindungsgemäße Durchdringungsverbundmetall herzustellen, besteht darin, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz in Pulverform gemischt, in eine Form eingefüllt und unverpreßt bei einer Temperatur oberhalb 1200°C zu einer Metallmatrix gesintert werden und daß die gesinterte Metallmatrix mit einer Tränksubstanz bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur getränkt wird.

Der Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung zeichnet sich insbesondere durch seine geringen Schweißkräfte und sein hohes Stromabschaltvermögen aus. Die Senkung der SchweiBkräfte wird durch spröde intermetallische Phasen bzw. Mischkristalle erreicht, die sich zwischen Hauptkomponente und Versprödungszusatz bei Sintertemperaturen oberhalb 1200° C durch Diffusion bilden, während die Stromabschaltfähigkeit dadurch sichergestellt wird, daß die Siedepunkte sämtlicher Komponenten oberhalb 2000⁰C liegen. Das Aluminium führt bereits in geringen Beimengungen die erwünschte Versprödung der Metallmatrix herbei. Um das für eine ausreichende Tränkung erforderliche Porenvolumen der Metallmatrix von mindestens 20 VoL% zu erhalten, muß der Schmelzpunkt der Hauptkomponente wenigstens 200° C über der Sintertemperatur liegen, d.h. größer als 1400⁰C sein. Die Schmelztemperatur der Tränksubstanz soll über der zum Hartlöten des Kontaktwerkstoffes erforderlichen Temperatur von etwa 850⁰C liegen, darf jedoch nicht höher sein als die jeweilige Sintertemperatur.

Anhand eines Beispiels wird die Erfindung näher erläutert

Eine Mischung aus 99 Gew.% Chrompulver mit einer Korngröße unter 100 μπι und 1 Gew.% Aluminiumpulver wird in Graphitformen eingefüllt und unverpreßt unter Vakuum bei 1200° C eine Stunde lang gesintert Während des Sinterprozesses bilden sich zwischen Chrom und Aluminium spröde intermetallische Phasen bzw. Mischkristalle aus. Der Sinterkörper wird anschließend etwa 30 Min. lang bei 1150° C mit Kupfer getränkt Die Tränkatmosphäre besteht aus Wassers toi f, der nach abgeschlossener Tränkung, jedoch vor Erstarren des Kupfers, wieder abgepumpt wird.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter mit einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, die aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1400⁰C und einer metallischen Nebenkomponente besteht, und mit einer Schmelztemperatur der Tränksubstanz, die zwischen 850⁰C und der jeweiligen Sintertemperatur liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente aus Chrom und die Nebenkomponente aus Aluminium besteht, wobei die Nebenkomponente als Versprödungszusatz dient, daß der Anteil der Nebenkomponente zwischen 0,5 und lOGew.% bezogen auf die Hauptkomponente beträgt und daß als Tränkmetall Kupfer vorgesehen ist.