DE2522832C2

DE2522832C2 - Verfahren zur Herstellung von Chrom- Kupfer-Kontakten für Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2522832C2
Application number: DE2522832A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Monroeville Pa. Gainer jun.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-06-03
Filing date: 1975-05-23
Publication date: 1986-06-26
Also published as: ZA752596B; DE2522832A1; GB1510176A; CA1038206A; CH604355A5; JPS5930761B2; US3960554A; JPS515211A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Herstellung von Chrom-Kupfer-Kontakten für Vakuumschalter.

Kontakte von Vakuumschaltern werden durch Lichtbogenbildung bei der Kontaktöffnung stark beansprucht und können außerdem bei hohem Kontaktdruck zu Verschweißungen neigen, die entsprechend hohe mechanische Kräfte ζεγ Kontakttrennung erforderlich machen und die Kontakte dabei auch in erheblichem Maße mechanisch beanspruchen. Kontakte für Vakuumschalter werden daher als Chrom-Kupfer-Kontakte hergestellt, wobei die gesinterte Chrom-Matrix die notwendige mechanische Festigkeit ergibt und der Kupferanteil, der durch Tränken der Chrom-Matrix in den Kontaktkörper eingebracht wird, der Erzielung der notwendigen guten elektrischen Leitfähigkeit dient.

Aus der DE-AS 16 40 039 ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Herstellung von Chrom-Kupfer-Kontakten bekannt, welches zunächst das Verdichten und Vakuumsintern eines Preßkörpers aus

3C Chrompulver umfaßt, wonach der gesinterte poröse Chrompreßkörper mit flüssigem Kupfer getränkt wird. Der vorgesehene Kupferanteil im fertigen Kontakt ist bei dem bekannten Verfahren mit 10 bis 30 Volumenprozent entsprechend einem gewichtsmäßigen Kupferanteil von 12% bis 34% angegeben.

Will man zur Erzielung günstiger elektrischer Eigenschaften, nämlich insbesondere hoher Leitfähigkeit, Chrom-Kupfer-Kontakte nach dem bekannten Verfahren mit einem hohen Kupferanteil, nämlich im Bereich von 40 bis 60 Gewichtsprozent, herstellen, stellt sich das Problem, daß der dann zunächst herzustellende Chrompreßkörper einen entsprechend hohen Porenanteil, also eine entsprechend niedrige Dichte aufweisen müßte. Dies ist insofern problematisch, als ein solcher Chrompreßkörper wegen seiner sehr geringen Rohfestigkeit kaum noch handhabbar ist und dazu neigt, auseinanderzufalten, was schon beim Auswerfen aus der Preßform große Schwierigkeiten bereitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung von Chrom-Kupfer-Kontakten mit einem hohen Kupferanteil, nämlich im Bereich von 40 bis 60 Gewichtsprozent, auf dem Wege der Sinterung einer Chrom-Matrix und anschließenden Tränkung mit Kupfer ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Kombination zweier sich vorteilhaft ergänzender Maßnahmen, nämlich einerseits der Beimischung eines kleineren Teils des Kupferanteils in Pulverform zum Chrompulver zur Herstellung des gesinterten Preßkörpers, um ein Pressen des Preßkörpers in höherem Druck ohne übermäßige Verdichtung des Chroms zu ermöglichen, und andererseits durch eine Verdichtung des Preßkörpers derart, daß sich eine über der Preßkörperquerausdehnung ungleichförmige Porosität ergibt, womit man b».-Upielsweise die

so Randbereiche des Preßkörpers mit geringerer Porosität und damit höherer mechanischer Festigkeit und den Mittenbereich, der dann den kontaktgebenden Bereich des fertigen Kontaktkörpers bildet, mit größerer Porosität, also mit im fertigen Zustand höheren Kupferanteil und hoher Leitfähigkeit, aber im Preßzustand geringerer mechanischer Festigkeit herstellen kann. Die Bereiche geringerer Porosität und höherer mechanischer Festigkeit verleihen dann dem Preßkörper insgesamt eine bessere Stabilität und Handhabbarkeit während der Ferti-

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.

Das erfindungsgemäße pulvermetallurgische Verfahren ermöglicht eine Senkung der Herstellungskosten wegen der verringernden Anzahl von Verfahrensschritten und Bearbeitungsvo^rgängen.

Das Herstellungsverfahren weist folgende Verfahrensschritte auf;

1. Mischen von Chrompulver mit bis zu 10 Gewichtsprozent Kupferpulver; H

2. Verdichten des Pulvergemisches mit einem Preßdruck von etwa 230 N/mm² in die gewünschte Form und 'i Auswerfen des Preßkörpers aus der Preßform; _;i;j

3. Vorsintern des Preßkörpers ■!

a) während einer Stunde bei 1050⁰C, falls eine Bearbeitung erforderlich ist, oder ,.j

b) während einer Stunde bei 1200⁰C, wenn eine Entgasung und eine erhöhte Verschweißung der Chrom- ; teilchen erwünscht ist: S

4. Bearbeiten des vorgesinterten Preßkörpers, falls notwendig;

5. Hochtemperatur-Vakuumsintern des Preßkörpers und Tränken mit Kupfer bei 1200° C und

6. Oberziehen oder Oberflächenbehandlung des Sinterkörpers, falls erforderlich.

Das obige Verfahren wurde mit Kupferpulverbeimengungen von 2%, 4%, 8% und 10% experimentell untersucht Mit steigendem Kupfergehalt und/oder größer werdendem Verdichtungsdruck werden die Dichte des Preßkörpers und die Bruchfestigkeit erhöht. Die Scherbruchfestigkeit des Preßkörpers wird in einer Dreipunkt-Bruchprüfmaschine bestimmt. Die folgende Tafel zeigt die Scherbruchfestigkeit als Funktion der Kupferbeimengung und des Verdichtungsdruckes.

Tafel 1

Eigenschaften des rohen Preßkörpers

Pulverzusammen	98 CR + Glidden	150RXLCu	98Cr + WhitakerCu	Scherbruchfestigkeit (N/mm²)
setzung und Preßdruck (N/mm²)	Dichte g/cm³	Scherbruchfestigkeit (N/mm²)	Dichte g/cm³
Cr 10% Cu 310 230 155	5,12 bis 5,20 4,84 bis 4,89 4,55 bis 4,63	0,83 bis 0,96 035 bis 0,46 0,07 bis 0,18		0,76 bis 0^0 0,21 bis 0,23 0,14
Cr 8% Cu 310 230 155	5,12 bis 5,13 4,69 bis 4,82 4,53 bis 4,60	0,83 bis 0,90 0,28 bis 037 0,08 bis 0,14	4,84 und 438 4,56 und 4,57 4,40 und 4,48	0,48 bis 0,55 0,07 bis 0,14 0,07
Cr 4% Cu 310 230 155	5,02 bis 5,03 4,66 bis 4,71	0,46 bis 037 0,68 bis 0,17	4,80 und 4,E3 4,44 4,27	035 0,07 0,02
Cr 2% Cu 310 230 155			4,70 und 4,76 435 und 439 4,16	0 keine Preßkörper keine Preßkörper
Cr 310 230 155			4,69

Der Kupferzusatz verbessert die Rohfestigkeit des Preßkörpers und ermöglicht das Ausstoßen aus der Preßform, ohne daß von der gewünschten 35%igen bis 65%igen Porosität der Chrommatrix wesentlich abgewichen werden muß. Der niedrige Prozentsatz der Kupferbeimengung und der geringfügig höhere Verdichtungsdruck beeinflussen das Sintern des Chromes und die Endeigenschaften des fertigen Kontaktes nicht nachteilig.

Beispiel eines Prsßkörpers

Preßkörpervolurnen: 42,6 cm³ Preßkörpergewicht: 184 g Kupferbeimengung: 10% Kupfergewicht: 0,10 χ 184 g = 18g Chromgewicht: =166g

Chromvolumen: 166 :7,19 g/cm³ = 23,1 cm³ = 54%

Verfügbares Gesamtvolumen für Kupfer: = 19,5 cm³ = 46%

Gewichtsverhältnis Kupfer/Chrom: 1,05/1

Die Herstellung eines Preßkörpers findet typischerweise folgendermaßen statt:

Wiegen der erforderlichen Menge von Chrompulver und Kupferpulver;

Mischen während etwa 5 Minuten;

Füllen des Preßformhohlraums mit Pulver, Einsetzen des oberen Preßstempels und Pressen mit geringer

Preßgeschwindigkeit bis auf einen vorgegebenen Druck; 65

Aufrechterhalten des Druckes während etwa 15 Sekunden;

Druckentlastung und Ausstoßen des rohen Preßkömers.

Die interessierenden Eigenschaften des verdichteten Chrom-Preßkörpers sind die Dichte und die Scherbruchfestigkeit Diese Eigenschaften sind für verschiedene Mischungen in der obigen Tafel 1 zusammengestellt

Der Vorteil des Kupfers als Binder und der geringen Erhöhung des Verdichtungsdruckes geht klar aus den Ergebnissen hervor. Eine Vergrößerung der Kupferzugabe und/oder des Verdichtungsdruckes erhöht die Dichte und die Rohfestigkeit des Preßkörpers. Veränderungen im Kupferpulver und/oder im Chrompulver können diese Werte verschieben. Ein guter Kupfer/Chrom-Preßkörper weist eine geringe Dichte bzw. eine hohe Porosität und eine große Rohfestigkeit auf. Die gemäß der Erfindung hergestellten Preßkörper lassen sich leicht aus der Preßform auswerfen und können ohne Beschädigung gehandhabt werden.

Nachdem der rohe Preßkörper aus der Preßform ausgeworfen worden ist, wird er zur Bildung einer Chrommatrix gesintert. Das genannte Preßverfahren mit Kupfer als Bindemittel und das anschließende Sintern ergibt einen Körper, der nicht oder nur geringfügig nachbearbeitet werden muß.

Nach dem Sintern des Preßkörpers wird dieser zur Herstellung des Chrom-Kupfer-Kontaktes mit Kupfer getränkt

Eine befriedigende Tränktechnik besteht darin, den Preßkörper mit der gesinterten Kontaktfläche nach unten in einen Tiegel mit Aluminiumoxydpulver zu legen, und eine geschmiedete Kupferscheibe auf der Rückfläche des Kontaktes im Vakuum auf die Tränktemperatur zu erhitzen. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann der Kontakt vollständig ohne Zerstörung und ohne schädliche Beeinflussung der Kontaktfläche getränkt werden. Das Aluminiumoxydpulver kann mit befriedigenden Ergebnissen wiederholt verwendet werden.

Mit Hilfe der Pulvermetallurgie ist es auch möglich, einen Kontakt herzustellen, bei welchem die Porosität bzw. die Dichte absichtlich ungleichförmig ist So soll der rohe Kontakt entweder eine höhr'c: Porosität in der Kontaktmine als am Rand des Kontaktes haben. Nach dem Tränken v/eisen dann die äußeren Kontaktbereich.e ein großes Chrom/Kupferverhältnis zur !verstellung einer guten mechanischen Festigkeit und der Mittelteil des Kontaktes einen großen Kupferanteil zur Herstellung einer guten Leitfähigkeit auf. Ein Vorteil dieser Konstruktion liegt darin, daß die eine große Dichte aufweisenden äußeren Kontaktbereiche dem eine geringe Dichte aufweisenden Kontaktmittelteil beim Auswerfen aus der Preßform zusätzlichen Halt geben.

Die Beimengung von Kupfer zum Chrompulver verbessert aie Rohfestigkeit und die Handhabungsfähigkeit

des Preßkörpers und ermöglicht es, auch kompliziertere Kontaktformen durch Formpressen herzustellen.

Preßdrücke bis zu 310 N/mm² in Verbindung mit der Kupferbeimengung ergeben rohe Preßkörper mit erhöhter Rohfestigkeit und mit der erforderlichen Porosität. Es ist festgestellt worden, daß der Prozentratz der Kupferbeimengung nur geringen Einfluß auf die Eigenschaften des Preßkörpers nach der ersten Wärmebehandlung hat.

Bei geeigneter Konstruktion kann ein formgepreßter Kontakt mit veränderlicher Dichte hergestellt werden, der eine gleich gute oder größere Leistungsfähigkeit als die bisher verwendeten Chrom-Kupfer-Kontakte besitzt.

Das Formpressen verringert den Umfang der Bearbeitung und stellt ein gegenüber bisher gebräuchlichen Fertigungsverfahren kostensparendes Verfahren dar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Chrom-Kupfer-Kontakten mit einem Chromanteil zwischen 40 und 60 Gewichtsprozent für Vakuumschalter, wobei Chrompulver in einer Preßform verdichtet und anschließend gesintert und der gesinterte Preßkörper mit Kupfer getränkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleinerer Teil des Kupferanteils in Pulverform dem Chrompulver zur Herstellung des gesinterten Preßkörpers beigemischt, das Chrom-Kupfer-Pulvergemisch mit einem Preßdruck von weniger als 31 kN/cm² bis auf einen dem restlichen Kupferanteil entsprechenden Porengehalt derart verdichtet, daß sich eine über der Preßkörperquerausdehnung ungleichförmige Porosität ergibt, die im Mittenbereich größer ist, weiter der so hergestelle, aus der Preßform herausgenommene Preßkörper zur Bildung einer Chrom-Matrix vorgesintert, anschließend nochmals gesintert und dann mit dem restlichen Kupferanteil getränkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrom-Kupfer-Pulvergemisch weniger als 10 Gewichtsprozent Kupfer enthält

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgesinterte Preßkörper vor dem Nachsintern und Tränken mit dem restlichen Kupferanteil zur Herstellung der gewünschten Form bearbeitet wird.