DE2536153B2

DE2536153B2 - Verfahren zum herstellen mehrschichtiger kontaktstuecke fuer vakuummittelspannungsleistungsschalter

Info

Publication number: DE2536153B2
Application number: DE19752536153
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.rer.nat 8501 Wendelstein; Kippenberg Horst Dr.phil. 8500 Nürnberg Häßler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1975-08-13
Publication date: 1977-06-08
Also published as: DE2536153A1; US4067379A; JPS5951691B2; JPS5222769A; GB1504644A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mehrschichtiger Kontaktstücke für Vakuummittelspan-Hungsleistungsschalter, bestehend aus einer Kontaktschicht aus kupferhaltigen Verbundwerkstoffen mit mindestens 35Vol.% Chrom oder Vanadium oder Mischungen dieser Metalle mit Kobalt, Nickel oder tisen und einer lot- oder schweißbaren Trägerschicht, «robei ein Preß- oder Sinterkörper aus diesen Metallen Unter Vakuum in einem Tiegel mit flüssigem Kupfer |K>renfrei getränkt wird.

Bei Kontaktwerkstoffen für Vakkummittelspannungsschalter 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 Leistungs- 6s schaltungen zu gewährleisten, soll das Kontaktmaterial auch nach Schaltbeanspruchung eine glatt verschmolzene Oberfläche aufweisen und darf nicht zur Spitzenbil dung 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% Chrom oder Vanadium oder Mischungen dieser Metalle mit Kobalt, Nickel oder Eisen erfüllt werden können.

Die Verwendung von Zusatzmetallen mfc einem Schmelzpunkt unter HOO⁰C kann nicht erfolgen, da dann die Abbrandfestigkfcit zu niedrig ist Metalle mit einem Schmelzpunkt von über 200O⁰C 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 2000°C liegenden Metalle, wie Zirkonium und Titan, können nicht verwendet werden, da sie mit Kupfer niedrigschmelzende intermetallische Verbindungen mit geringer Abbrandfestigkeit bilden.

Das Herstellen der genannten Werkstoffe erfolgt nach dem bekannten Vakuum-Sintertränkverfahren, wobei ein Preß- oder Sinterkörper aus den angegebenen Metallen 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 unerwünschte Bestandteile des Tiegelmaterials in den Kontaktwerkstoff durch Diffusion eingeschleppt werden.

Um diese Schwierigkeiten tu vermeiden, kann die Tränkung auch tiegelfrei durchgeführt werden, wobei der zu tränkende Kontaktkörper auf kleinflächige Stützer aufgelegt wird. Bei diesem Verfahren kommt es jedoch an den Auflagepunkten des Körpers zu einer Änderung der Grenzflächenspannung des Tränkkupfers, wodurch ein Ausseigern von Kupfer und Untertränken des Kontaktkörpers 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 mit 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.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Preß- oder Sinterkörper in einem Tiegel aus Eisen, Stahl oder CrNi-Stahl mit sauerstofffreiem

Kupfer vollständig getränkt wird und daß anschließend der Mantel des Tränktiegels mindestens teilweise entfernt wird.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Tiegelmaterialien 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 Kontaktstückes durch einen entsprechenden Tränküberschuß gewährleistet

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Verbindung von pulvermetallurgisrh hergestellten, porenarmen Schichten mit weiteren \fassivunteriagen 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 Preßkraft von weniger als 1 MP pro cm² eingepreßt oder als gesintertes Formteil eingelegt wird. In beiden Fällen wird das entsprechend dem vorhandenen Porenvolumen erforderliche Kupfer in Form einer kompakten Scheibe aus sauerstoi.^;freiem Material in bekannter Weise auf den Preß- bzw. Sinterkörper aufgelegt. Der anschließende Tränkprozeß wird bei etwa 1150° C im Vakuum durchgeführt Es hat sich ergeben, daß die Wanddicke der Tiegel mindestens 0,5 mm betragen sollte.

Anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 Tränkung in einem zylinderförmigen Tiegel

F i g. 2 Tränkung in einem Tiegel mit einer zentralen topfförmigen Einbuchtung im Boden

F i g. 3 Tränkung in einem stufig abgesetzten Tiegel

F i g. 4 Tränkung in einem Tiegel mit eingelegter Stahlscheibe

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Beispiel 1

In einen zylindrischen Tränktiegel 11 aus 1 mm dickem 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 (F i g. 1). Auf dem Sinterkörper 12 wird eine Kupferscheibe 13 aus sauerstofffreiem Kupfer angeordnet. Der anschließende Tränkprozeß erfolgt im Vakuum bei einer Temperatur von etwa 1150° C bis zur vollständigen Tränkung des Sinterkörpers 12. Nach vollendetem Tränkprozeß wird der Mantel des Tränktiegels 11 abgedreht, während der Boden 14 des Tiegels U infolge Anlegierung 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 Tränkprozeß in einem einzigen Wärmebeiiandlungsgang ablaufen kann.

Beispiel 2

Als Tränkform wird ein Tiegel 21 aus Tiefziehblech verwendet, dessen Boden 22 eine zentrale topfförmige Einbuchtung 23 aufweist (F i g. 2\ In den Tiegel 21 wird eine Sinterscheibe 24 aus Vanadium mit einer Raumerfüilung von 50 Vol.% 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 und -bodens ein Zweischichtenkontaktstück 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.

Beispiel 3

In einem stufenförmig abgesetzten Tiegel 31 aus Tiefziehblech wird ein Sinterkörper 32 aus einer Mischung von Chrom, Kobalt und Nickel mit mindestens 35 Vol.% Chrom und einer Raumerfüllung von 50Vol.% eingelegt (Fig.3), dessen Duichmesser so gewählt ist, daß er auf dem stufenförmigen Absatz 33 der Tiegelwand aufliegt und so einen gewissen Abstand zum Boden 34 erhält. Auf den Sinterkörper 32 wird eine Kupferscheibe 35 aufgelegt Während des Tränkprozesses (Beispiel 1) wird der Zwischenraum 36 zwischen dem Sinterkörper 32 und dem Tiegelboden 34 durch das Tränkmetall mit aufgefüllt Nach dem Abdrehen der Wandung des Tiegels 31 ergibt sich ein Mehrschichtenkontakt, der eine Schaltfläche aus Sintertränkwerkstoff und 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 des Sinterkörpers gewählt werden.

Beispiel 4

Als Tränkform wird ein tiefgezogener Tiegel 41 aus dünnem Blech verwendet, in den eine Eisen- oder CrNi-Stahlscheibe 42 eingelegt wird (F i g. 4). Auf die Scheibe 42 wird ein Sinterkörper 43 aus Chrom mit einer Raumerfüllung von 50 Vol.% 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen mehrschichtiger Kontaktstücke für Vakuummittelspannungsleistungsschalter, bestehend aus einer Kontaktschicht aus kupferhaltigen Verbundwerkstoffen mit mindestens 35VoL% Chrom oder Vanadium oder Mischungen dieser Metalle mit Kobalt, Nickel oder Eisen und einer lot- oder schweißbaren Trägerschicht, wobei ein Preß- oder Sinterkörper aus diesen Metallen unter Vakuum in einem Tiegel mit flüssigem Kupfer porenfrei getränkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Preß- oder Sinterkörper in einem Tiegel aus Eisen oder CrNi-Stahl mit sauerstofffreiem Kupfer vollständig getränkt wird und daß anschließend der Tränk tiegel mindestens teilweise entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Tiegel aus Tiefziehblech mit einer zentralen topfförmigen Einbuchtung des Tiegelbodens der scheibenförmige Preß- oder Sinterkörper porenfrei mit sauerstofffreiem Kupfer getränkt wird und daß anschließend Tiegelmantel und nicht eingebuchteter Boden abgedreht werden, derart, daß die Bodeneinbuchtung einen Bestandteil der Trägerschicht bildet

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen stufig abgesetzten Tiegel aus Tiefziehblech der Preß- oder Sinterkörper eingelegt wird, derart, daß eier Körper nicht auf dem Tiegelboden aufliegt, sondern einen bestimmten Abstand zu diesem einhält, daß der Körper mit sauerstofffreiem Kupfer vollständig getränkt und dabei der Zwischenraum mit Tränkmetall ausgefüllt wird und daß anschließend der Tiegelmantel abgedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen tiefgezogenen Tiegel aus dünnem Blech eine Eisen- oder CrNi-Stahlscheibe eingelegt wird, daß auf die Scheibe der Preß- oder Sinterkörper gelegt wird, daß der Körper mit sauerstofffreiem Kupfer vollständig getränkt wird und daß anschließend Mantel und Boden des Tiegels entfernt werden.