DE2536153A1

DE2536153A1 - Verfahren zum herstellen mehrschichtiger kontaktstuecke fuer vakuummitelspannungsleistungsschalter

Info

Publication number: DE2536153A1
Application number: DE19752536153
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Nat Haessler; Horst Dr Phil Kippenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1975-08-13
Publication date: 1977-02-17
Also published as: JPS5951691B2; GB1504644A; US4067379A; DE2536153B2; JPS5222769A

Description

Verfahren zum Herstellen mehrschichtiger Kontaktstücke für Vakuummittelspannungsleistungsschalter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mehrschichtiger Kontaktstücke für Vakuummittelspannungsleistungsschalter bestehend aus einer Kontaktschicht aus kupferhaltigen Verbundwerkstoffen mit mindestens 35 Vol.% Chrom oder Vanadium oder Mischungen dieser Werkstoffe mit Kobalt, Nickel oder Eisen und einer löt- oder schweißbaren Trägerschicht, wobei ein Pulverpreßling oder ein Sinterkörper dieser Metalle unter Vakuum in einem Tiegel mit flüssigem Kupfer porenfrei getränkt wird.

Bei Kontaktwerkstoffen für Vakuummittelspannungsschalter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, anstelle der früher meist verwendeten Cu-Basis-Legierungen Verbundwerkstoffe mit abbrandvermindernden und aus Gründen der Restgasbindung getteraktiven Komponenten einzusetzen. Um gleichzeitig eine möglichst hohe dielektrische Festigkeit auch nach Leistungsschaltungen zu gewährleisten, soll das Kontaktmaterial auch nach Schaltbeanspruchung eine glatt verschmolzene Oberfläche aufweisen und darf nicht zur Spitzenbildung oder zur Bildung von Tröpfchen und losen Füttern neigen. Es hat sich gezeigt, daß diese Forderungen gleichzeitig von einem kupferhaltigen Verbundwerkstoff mit mindestens 35 Vol.96 Chrom oder Vanadium oder Mischungen dieser Werkstoffe mit Kobalt, Nickel oder Eisen erfüllt werden können.

Die Verwendung von Zusatzmetallen mit einem Schmelzpunkt unter 1400⁰C kann nicht erfolgen, da dann die Abbrandfestigkeit zu niedrig ist. Metalle mit einem Schmelzpunkt von über 2000⁰C führen dagegen nach Schaltbeanspruchung wegen ihres hohen Schmelzpunktes nicht mehr in jedem Fall zu glatt verschmolzenen Oberflächen, so daß die dielektrische Festigkeit beeinträchtigt wird. Die weiteren im Anwendungsbereich zwischen 1400⁰C und 2000⁰C liegenden Metalle wie Zirkon und Titan können nicht verwendet

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werden, da sie mit der Kupferphase niedrigschmelzende intermetallische Verbindungen mit geringer Abbrandfestigkeit bilden.

Das Herstellen der genannten Werkstoffe erfolgt nach dem bekannten Vakuum-Sintertränkverfabrsn, wobei ein Pulverpreßling oder ein Sinterkörper aus den angegebenen Metallan mit flüssigem Kupfer oberhalb der Cu-Schmelztemperatur getränkt wird. Bei der Verwendung eines Tränktiegels oder großflächiger Tränkunterlagen treten erhebliche Schwierigkeiten auf, da die im Werkstoff enthaltenen reaktiven Metalle, insbesondere Chrom und Vanadium, zu einer Reaktion mit allen bekannten Tiegelwerkstoffen führen. Durch diese Reaktion (Anlegieren) ist damit zu rechnen, daß unerv/ünschte Bestandteile des Tiegelmaterials in den Kontaktwerkstoff durch Diffusion eingeschleppt werden.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, kann die Tränkung auch tiegelfrei durchgeführt werden, wobei der zu tränkende Kontaktrohling auf kleinflächige Stützer aufgelegt wird. Bei diesem Verfahren kommt es Jedoch an den Auflagepunkten des Kontaktrohlings zu einer Änderung der Grenzflächenspannung des Tränkkupfer3, wodurch ein Ausseigern von Kupfer und Untertränken des Kontaktstückes unvermeidlich sind.

Bei der Verbindung der Kontaktstücke mit den Trägerbolzen treten weitere Schwierigkeiten auf, da die enthaltenen reaktiven Metalle wie Chrom und Vanadium wegen ihrer hohen Sauerstoffaffinität auch bei der Lötung im Vakuum zu einer Oxidation der Oberfläche führen und dadurch eine Benetzung mit den gebräuchlichen Lotmetallen verhindern.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten wird das Kontaktstück vor dem Verlöten oit einer galvanisch aufgebrachten Metallschicht z.B. aus Nickel oder aus Kupfer versehen. Hierbei besteht die Gefahr, daß es zu einer Verunreinigung des Kontaktes mit Elektrolytresten kommen kann. Einige bekannte Sonderlote, die als desoxidierende Bestandteile Phosphor oder Mangan enthalten, und die eine Lötung ohne galvanische Beschichtung erlauben, sind für Kontaktmaterialien für Vakuumleistungsschalter wegen des niedrigen Siedepunktes der desoxidierenden Zusatzstoffe nicht verwendbar.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben_r mit dem es möglich ist, Kontaktstücke der vorgenannten Art bei gleichzeitiger Überwindung der genannten Schwierigkeiten herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Pulverpreßling oder der Sinterkörper in einem Tiegel aus Eisen, Stahl oder CrNi-Stahl mit sauerstoff.freiem Kupfer vollständig getränkt wird und daß anschließend der Mantel des Tränktiegels mindestens teilweise entfernt wird.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Tiegel&aterialien sind in ihrer Zusammensetzung so beschaffen, daß die durch Anlegieren und nachfolgende Diffusion in das Kontaktstück gelangenden Tiegelbestandteile erlaubte oder erwünschte Kontaktwerkstoffzusätze sind. Dadurch ist es gleichzeitig möglich, gegebenenfalls den Tiegel oder Bestandteile davon in das Kontaktstück zu integrieren. Neben fertigungstechnischen Vorteilen ergibt sich hierbei bei geeignet ausgewähltem Tiegelwerkstoff eine problemfreie Lötbarkeit zwischen Trägerbolzen und dem in das Kontaktstück einbezogenen Tiegelboden. Durch die Verwendung derartiger Tiegel ist ferner die porenfreie Tränkung des gepreßten oder gesinterten Kontaktrohlings durch einen entsprechenden Tränküberschuß gewährleistet.

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Verbindung von pulvermetallurgisch hergestellten, porenarmen Schichten mit weiteren Massivunterlagen oder Zwischenschichten möglich ist, ohne daß ein gesonderter Verbindungsprozeß durchgeführt werden muß.

Die Herstellung der Kontaktstücke geschieht in der Weise, daß das zu tränkende Metallpulver entweder in den Tiegel mit einer Preß-

kraft von weniger als 1 MP pro cm eingepreßt oder als gesintertes Formteil in den Tränktiegel eingelegt wird. In beiden Fällen wird das entsprechend dem vorhandenen Porenvolumen erforderliche Kupfer in Form einer kompakten Scheibe aus sauerstofffreiem Material in bekannter Weise auf den Preß- bzw. Sinterkörper aufgelegt. Der anschließende Tränkprozeß wird bei etwa 1150⁰C im Vakuum durchgeführt. Es hat sich ergeben, daß die Wandstärke der

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- 4 - VPA V5 ? 7542 BRD Tiegel mindestens 0,5 πι betragen sollte.

Anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeirpielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Tränkung in einem zylinderförmigen Tiegel Fig. 2 Tränkung in einem Tiegel mit einer zentralen topfförmigen Einbuchtung im Boden

Fig. 3 Tränkung in einem stufig abgesetzten Tiegel Fig. 4 Tränkung in einem Tiegel mit eingelegter Stahlscheibe

Beispiel 1

In einen zylindrischen Tränktiegel 11 aus 1 mm starkem Tiefziehblech mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Höhe von 30 mm wird ein Sinterkörper 12 aus Chrom mit einer Raumerfüllung von 50 Vol.% eingebracht (Fig.1). Auf dem Sinterkörper 12 wird eine Kupferscheibe 13 aus sauerstofffreiem Suffer angeordnet. Der anschließende Tränkprozeß erfolgt im Vrlmu bei einer Temperatur von etwa 1150⁰C bis zur vollständige;· Kränkung des Sinterkörpers 12. Nach vollendetem Tränkprozeß wird . Mantel des Tränktiegels 11 abgedreht, während der Boden 14 des Ixegels 11 infolge AnIegierung an das Kontaktstück als lötbare Unterlage für die Verbindung mit dem Stromzuführungsbolzen erhalten bleibt. Alternativ ist es möglich, anstelle des Sinterkörpers Chrompulver einzuschütten oder einzupressen, so daß der Sinter- und Infiltrationsprozeß in einem einzigen Wärmebehandlungsgang ablaufen kann.

Beispiel 2

Als Tränkform wird ein Tiegel 21 aus Tiefziehblech verwendet, dessen Boden 22 eine zentrale topfförmige Einbuchtung 23 aufweist (Fig.2). In den Tiegel 21 wird eine Sinterscheibe 24 aus Vanadium mit einer Raumerfüllung von 50 Vol.96 eingebracht, so daß sie auf der Einbuchtung 23 aufliegt. Auf die Sinterscheibe 24 wird eine Kupferscheibe 25 aufgelegt. Nach erfolgtem Tränkprozeß (Beispiel 1) wird durch Abdrehen des Tiegelmantels ein ZweischichtenkontaktstUck erhalten, dessen Schaltfläche von einem Sintertränkwerkstoff gebildet wird und dessen Cu-Unterseite eine mit einer Stahlwandung ausgekleidete Einbuchtung 23 enthält, in welche der Stromzuführungsbolzen eingelötet werden kann.

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Beispiel 3

In einem stufenförmig abgesetzten Tiegel 31 aus Tiefziehblech wird eine Sinterscheibe 32 aus einer Mischung von Chrom, Kobalt und Nickel mit mindestens 35 Vol.% Chrom und einer Raumerfüllung von 50 Vol.% eingelegt (Fig.3), deren Durchmesser so gewählt ist, daß sie auf dem stufenförmigen Absatz 33 der Tiegelwand aufliegt und so einen gewissen Abstand zum Boden 34 erhält. Auf die Sinterscheibe 32 wird eine Kupferscheibe 35 aufgelegt. Während des Tränkprozesses (Beispiel 1) wird der Zwischenraum 36 zwischen der Sinterscheibe 32 und dem Tiegelboden 34 durch das Tränkmaterial mit aufgefüllt» Nach dem Abdrehen der Wandung des Tiegels 31 ergibt sich ein Mehrschichtenkonxaktrohling„ der eine Schaltfläche aus Sintertränkwerkstoff aufweist und der eine lötbare Trägerschicht aus dem anlegierten Boden 34 des Tiegels 31 besitzt. Alternativ kann statt der stufenförmigen Tiegelausführung auch eine solche mit konischer Erweiterung zur Aufnahme uer Sinterscheibe gewählt werden.

Beispiel 4

Als Tränkform wird ein tiefgezogener Tiegel 41 aus dünnem Blech verwendet, in den eine Eisen- oder CrNi-Stahlscheibe eingelegt wird (Fig.4). Auf die Scheibe 42 wird ein Sinterkörper 43 aus Chrom mit einer Raumerfüllung von 50 Vol.96 angeordnet. Auf den Sinterkörper 43 wird eine Kupferscheibe 44 aus sauerstofffreiem Kupfer aufgelegt. Nach erfolgtem Tränkprozeß (Beispiel 1) ist der Sinterkörper 43 mit der CrNi-Scheibe 42 verbunden. Anschließend werden die Tiegelwandung und der Tiegelboden entfernt.

4 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

_ 6 » ' ^ "5 P 7542 BRB P at ent ansprüche

1 ο Verfahren zum Herstellen mehrschichtig- KoncaKostücke ^;ür Vakuummittelspanriungsleistungsschalter, bis stehend aus einer Kontaktschicht aus kupferhaltigen Verbundwerkstoffen mit mindestens 35 Vol.% Chrom oder Vanadium oder Mischungen dieser Werkstoffe mit Kobalt, Nickel oder Eisen und einer lot- oder schweiiBbaren Trägerschicht, wobei ein Pul-·'fl:'^reßlIn^ or»--*r ein Sinterkörper dxeser Metalle unter Vakuum in einem Tiegel mit flüssigem Xupf^iporenfrei getränkt wird, ^^Ai-^ -v.->r-n^«^hnet, daß der Pulverpreßling oder der Sinterkörper (12_S24,32,43) in einem Tiegel (11,21,31,41) aus Eisen, Stahl oder CrNi-Stahl mit sauerstofffreiem Kupfer (13,25,35,44) vollständig getränkt wird und daß anschließend der Tränktiegel (11₉ «21,31,41) mindestens teilweise entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Tiegel (21) aus Tiefziehblech sie .iner zentralen topfförlaigen Einbuchtung (23) des TIegelbodo-r-s, (22) ein scheibenförmiger Sinterkörper oder Pulverpreßling (2^, ^orenfrei mit sauerstofffreiem Kupfer (25) getränkt wird und daß anschließend die Tiegelwandung abgedreht wird, derart, daß der Tiegelboden (22) einen Bestandteil der Trägerschicht bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen stufig abgesetzten Tiegel (31) aus Tiefziehblech eine Sinterscheibe oder ein Pulverpreßling (32) eingelegt wird, derart, daß die Sinterscheibe (32) nicht auf dem Tiegelboden (34) aufliegt, sondern einen bestimmten Zwischenraum (36) einhält, daß die Sinter scheibe (32) mit sauerstofffreiem Kupfer (35) vollständig getränkt und dabei der Zwischenraum (36) mit Tränkmaterial ausgefüllt wird und daß anschließend die Tiegelwandung abgedreht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein tiefgezogener Tiegel (41) aus dünnem Blech verwendet wird, daß in den Tiegel (41) eine Eisen- oder CrNi-Sxhlscheibe bzw. Formteil eingelegt wird, daß auf die Scheibe bzw. das Formteil (42) ein Sinterkörper (43) gelegt wird, daß der Sinterkörper (43) mit sauerstofffreiem Kupfer (44) vollständig getränkt wird und daß anschließend die Wandung und der Boden des Tiegels (41) entfernt werden.

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