DE2535184A1

DE2535184A1 - Verfahren zum herstellen porenarm gesinterter fertigformteile auf der basis chrom-kupfer oder vanadium-kupfer

Info

Publication number: DE2535184A1
Application number: DE19752535184
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Nat Haessler; Horst Dr Phil Kippenberg; Horst Prof Dr Techn Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1975-08-06
Publication date: 1977-02-24
Also published as: JPS5220263A; DE2535184B2; JPS6055580B2; GB1550640A

Description

Verfahren zum Herstellen porenarm gesinterter Fertigformteile auf der Basis Chrom-Kupfer oder Vanadium-Kupfer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen porenarm gesinterter Fertigformteile auf der Basis Chrom-Kupfer oder Vanadium-Kupfer für die Verwendung als Kontaktstücke in Vakuummittelspannungsleistungsschaltern, wobei eine Ausgangspulvermischung aus Chrom und Kupfer bzw. aus Vanadium und Kupfer zu einem Preßkörper verdichtet und dieser anschließend im Vakuum gesintert wird.

Als Kontaktwerkstoffe in Vakuummittelspannungsleistungsschaltern haben sich Verbundwerkstoffe auf der Basis Chrom-Kupfer und Vanadium-Kupfer gut bewährt, da sie neben hohem Schaltvermögen, guter Abbrandfestigkeit, ausreichend niedrigem Abreißstrom auch eine hohe dielektrische Festigkeit vor und nach Leistungsschaltungen aufweisen. Diese Werkstoffe werden bisher nach dem Tränkverfahren hergestellt, wobei verschiedene Schwierigkeiten auftreten.

Es lassen sich zwar durch Tränken im Vakuum mit Kupferüberschuß weitgehend fehlerfreie Rohlinge erzielen, wobei jedoch die Reaktionsfreudigkeit des Chroms bzw. Vanadiums zu einem Anlegieren des Tiegelwerkstoffs bzw. der Tränkunterlage führt, die deshalb nur einmal verwendet werden können. Außerdem ist die Bearbeitung der Rohlinge - Abdrehen des Tränküberschusses, Beseitigung von Erosionsztmen und Fräsarbeiten - wegen der ungünstigen Materialzusammensetzung mit einem hohen Anteil grobkörniger Chromkörner (größer als 100 μηΟ aufwendig.

Um den Verlust des Tränktiegels zu vermeiden, wird ein tiegelfreies Tränkverfahren angewendet, bei dem die gesinterten Rohlinge auf kleinflächige Stützer aufgelegt werden. Bei diesem Verfahren kommt es jedoch an den Auflagepunkten des Kontaktrohlings zu

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einer Änderung der Grenzflächenspannung des Tränkkupfers, wodurch ein Ausseigern von Kupfer und Untertränken des Kontaktstückes unvermeidlich ist. Außerdem wurden bei diesem Verfahren im getränkten Rohling Erosionszonen bis zu einer Tiefe von einigen Millimetern beobachtet, die die Herstellung von formgenauen Elektrodenteilen unmöglich machen. Derartige Erosionszonen sollten an sich vermeidbar sein, wenn dem Tränkkupfer Chrom bis zur Sättigungskonzentration bei der entsprechenden Tränktemperatur zugegeben wird. Durch die Sauerstoffaffinität des Chroms tritt jedoch während des Tränkprozesses, selbst im Vakuum, eine Anreicherung der Tränklegierung mit Oxidbestandteilen auf, die zu einer unvollkommenen Tränkung des gesinterten Rohlings führt.

Der Ausweg, einen Pulverpreßkörper aus Chrom- bzw. Vanadium und Kupfer-Pulver formbeständig und hinreichend porenfrei zu sintern, ist nicht gangbar, da die Sinteraktivität des Chrom- bzw. Vanadium-Pulvers insbesondere durch Oxidbelegung zu stark herabgesetzt wird. So ergibt sich z.B. bei einer Sinterung eines Preßkörpers aus Chrom- und Kupfer-Pulver im Verhältnis 1:1 bei einer Temperatur von etwa 130O⁰C nahezu keine Volumenverminderung, so daß der Restporenanteil vor und nach dem Sinterprozeß gleichbleibend ist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, einen aus dem Pulvergemisch mit den Komponenten Chrom bzw. Vanadium und Kupfer vorgeformten Kontaktrohling formbeständig und porenarm zu sintern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ausgangspulvermischung zur Erhöhung der Sinteraktivität des Chrombzw. Vanadiumanteils mindestens 3% eines Kupfers eines Metalls zugesetzt wird, das eine Mindestoxidbildungswärme von -40 kcap/Mol bezogen auf ein Mol 0₂-Zusatz, eine Sintertemperatur von 1300⁰C sowie eine Siedetemperatur von mindestens 25OO°C besitzt, daß dieses Metall mit Chrom bzw. Vanadium eine Mischkristallbildung eingeht, und daß eine Löslichkeit zwischen Kupferphase und Zusatzmetall vorhanden ist.

Als besonders vorteilhaft haben sich Eisen-, Kobalt- oder Nickel-

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zusätze erwiesen.

Es hat sich gezeigt, daß die Aktivierung des Sinterprozesses dann eintritt, wenn das Zusatzmetall die Oxidbelegung des Chrom- bzw. Vanadiumpulvers anlösen bzw. durchdringen kann. Die Obergrenze der zulässigen Oxidbildungswärme wird von den entsprechenden Oxidbildungsenthalpien der Metalle Chrom bzw. Vanadium selbst gebildet. Größere Enthalpiewerte der Zusatzmetalle führen zu stabilen Oxiden dieser Elemente, die dann den Sintervorgang behindern. Die geforderte Mischkristallbildung zwischen Zusatzmetallen und Chrom bzw. Vanadium aktiviert den Sintervorgang. Um diesen Prozeß in wirtschaftlich vertretbaren Zeiten (etwa 1 Stunde) ablaufen zu lassen, muß gleichzeitig eine Löslichkeit zwischen der Kupferphase und dem Zusatzmetall vorhanden sein, um einen Transport der Zusatzmetalle durch Diffusion in der flüssigen Kupferphase sicherzustellen.

Im Gegensatz zu Legierungssystemen wie Wolfram/Kupfer und Molybdän/Kupfer, wo eine Sinteraktivierung bereits bei wenigen hundertstel Prozent Nickel eintritt, müssen bei den vorliegenden Werkstoffkombinationen Zusätze von mindestens 3% zugesetzt werden, um eine Restporosität von < 3% zu erreichen. Dies beruht darauf, diß der Aktivierungsprozeß bei Molybdän und Wolfram grundsätzlich anderer Natur als bei Chrom und Vanadium ist. Bei Wolfram und Molybdän liegt die Bedeutung der schon in sehr geringen Konzentrationen wirkenden Zusätze in erster Linie in einer Erhöhung der Sintergeschwindigkeit, die bei Molybdän und Wolfram bei den hier infragekommenden Temperaturen von etwa 1200 bis 14OO°C zu gering in Relation zum Schmelzpunkt ist. Dagegen liegt die Wirkung der genannten Zusatzmetalle bei Chrom und Vanadium hauptsächlich in einer Anlösun^ der sinterhemmenden Oxidschichten.

Anhand von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

Chrompulver mit einer Korngröße < 70 pm wird mit 45% Kupfer- und 10% Kobalt-Pulver vergleichbarer Korngröße gemischt und mit einem Preßdruck von 4 Mp/cm verdichtet. Der Preßkörper wird an-.schließend in einem Vakuum von < 10" Torr eine Stunde bei 1300⁰C gesintert. Hierbei verringert sich die ursprünglich etwa

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25 Vol.% betragene Porosität auf weniger als 3 Vol.%. Der Wärmebehandlungsprozeß ergibt einen formgetreuen Sinterkörper, so daß auch komplizierte Strukturen bereits angepreßt werden können.

Beispiel 2

Chrompulver mit einer Korngröße < 70 μΐη wird mit 40% Kupfer-Pulver und 1596 Eisen-Pulver vergleichbarer Korngröße gemischt und mit einer Preßkraft von 5 Mp pro cm verpreßt. Der Preßkörper mit einer Porosität von etwa 20 Vol.96 wird anschließend 3 Stunden

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im Vakuum von <10 Torr bei 1300 C gesintert. Auch in diesem Falle wird nach dem Sinterprozeß ein formgetreuer Sinterkörper erhalten, dessen Restporosität kleiner als 3 Vol.96 ist.

2 Patentansprüche
0 Figuren

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Claims

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1. Verfahren zum Herstellen porenarm gesinterter Fertigformteile auf der Basis Chrom-Kupfer oder Vanadium-Kupfer für die Verwendung als Kontaktstücke in Vakuiimmi tt el spannungsl ei stungsschaltern, wobei eine Ausgangspulvermischung aus Chrom und Kupfer bzw. aus Vanadium und Kupfer zu einem Preßkörper verdichtet und diese anschließend im Vakuum gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangspulvermischung zur Erhöhung der Sinteraktivität des Chrom- bzw. Vanadiumanteils mindestens 39<> eines Pulvers eines Metalls zugesetzt wird, das eine Mindestoxidbildungswärme von -40 kcal pro Mol bezogen auf ein Mol 0₂-Zusatz, eine Sintertemperatur von 1300°C sowie eine Siedetemperatur von mindestens 2500⁰C besitzt, daß dieses Metall mit Chrom bzw. Vanadium eine Mischkristallbildung eingeht und daß eine Löslichkeit zwischen Kupferphase und Zusatzmetall vorhanden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangspulvermischung Eisen-, Kobalt- oder Nickelpulver zugesetzt wird.

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