DE2723238C3

DE2723238C3 - Elektrischer Kontakt oder Elektrode

Info

Publication number: DE2723238C3
Application number: DE19772723238
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.Rer.Nat. 8501 Wendelstein Haessler; Horst Dr.Phil. 8500 Nuernberg Kippenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-23
Filing date: 1977-05-23
Publication date: 1981-01-15
Also published as: JPS53146207A; DE2723238B2; DE2723238A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ;inen elektrischen Kontakt oder eine Elektrode, bestehend aus einem abbrandfesten Kontaktstück aus einem Sinterverbundwerkstoff aus Wolfram-Kupfer (WCu), das auf einem gut leitenden Kontaktträger befestigt ist ω

Für abbrandfesU Kontaktstücke in Schaltgeräten, bei denen neben der Lichtbogenheizung auch eine Reibbeanspruchung auftritt, verden bekanntlich vorwiegend Verbundwerkstoffe auf WC^- Basis eingesetzt (H. Schreiner »Pulvermetallurgie elektrischer Kontakle«, 1964, Seiten 146-149; A. Keil »Werkstoffe für elektrische Kontakte«, 1960, Seiten 182-184 und 322/323). Solche Werkstoffe finden sich z.B. in Lasttrennern bei Transformatoren und ölarmen Lei- »tungsschaltern im Mittelspannungsbereich. Der an die WCu-Bewehrung angrenzende stromführende Kontaktträger ist im allgemeinen ebenfalls mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt und muß dabei gleichzeitig die Schalt- und Dauerströme ohne unzuläslige Erwärmung übertragen. Aus diesem Grunde werden häufig als Werkstoff für den Kontaktträger Cu-Legierungen verwendet, die bei möglichst geringer Einbuße an elektrischer Leitfähigkeit eine möglichst hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Beispiele für lolche Werkstoffe sind CuCr. CuZr und CuCrZr-Legie· rungen mit etwa 0,5 bis ' % Cr und 0,1 bis 0,3% Zr.

Vergleichbare Beanspruchungen treten bei Rollnaht· und Punktschweißelektroden sowie Elektroden in tlektrohydraulischen Umformmaschinen auf. bei denen deshalb ebenfalls die obengenannten hochfesten, thermisch und elektrisch gut leitenden Cu-Legierungen und in Extremfällen WCu-Verbundwerkstoffe eingesetzt werden(DE-PS 4 36 678).

Bei verschiedenen Belastungsfällen bei Schaltkontaklen und Schweißelektroden hat sich gezeigt, daß die bo Versciijeißfestigkeil der ^Cü:Be>yehrung: nicht ausrei* chend ist. Gleichzeitig wird das Wirrrieäbleitvermögeh zu den alls Cu-Legierungen bestehenden Kontaktträ^ gern durch die erforderliche Verlötung zwischen beiden Werkstoffen gestört. b5

Weiterhin ist bekannt₍ W2B als Hartmetall zu verwenden. (R, Kiefer/F, Behesovsky »Härtmetalle«, 1965, Seite 419). Soll jedoch ein W₂B-Oerüst zusätzlich mit Kupfer getränkt werden, ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten wegen der schlechten Benetzbarkeit des W2B mit Kupfer. Um die Benetzbarkeit des W2B zu verbessern, müssen zusätzliche Substanzen hinzugegeben werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff zu entwickeln, bei dem die Verschleißfestigkeit des bisher aus WCu bestehenden Bereiches vergrößert wird und außerdem bei möglichst verbesserter elektrischer Leitfähigkeit die mechanische Festigkeit des Kontaktträgers erhöht wird. Zugleich soll aus Wärmeflußgründen und wegen der bei Löttemperatur auftretenden Entfestigung des verwendeten Tränkmateriais auf eine Verlötung mit dem Kontaktstück verzichtet werden.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Sinterverbundwerkstoff, der gekennzeichnet ist durch die folgenden Merkmale:

a) Das Kontaktstück besteht aus WCuB mit 39,95 bis 79 Gew.-% Wolfram, 20 bis 40 Gew.-% Kupfer und 0,05 bis 1 Gew.-% Bor;

b) Der Kontaktträger besteht aus CuB mit 98 bis 99,8 Gew.-% Kupfer und 2 bis 0,2 Gew.-% Bor;

c) Kontaktstück und Kontaktträger sind durch den zur Herstellung d?s Kontaktstücks onnehin erforderlichen Tränkprozeß miteinander verbunden, wozu dieser als Überschußtränkung mit anschließender gerichteter Erstarrung vorgenommen ist.

Die Forderungen nach einer vergrößerten Verschleißfestigeit, einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit und einer erhöhten mechanischen Festigkeit des Kontaktträgers werden dadurch erfüllt, daß als festigkeitssteigernde Komponente sowohl für den WCu-Bereich als auch für den Kontaktträger Bor mit den angegebenen Gewichtsprozent-Anteilen verwendet wird, und daß die Herstellung des Kontaktsystems durch eine Überschußtränkung des W-Gerüstes mit anschließender gerichteter Erstarrung erfolgt.

Anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

In einem Graphittiegel wird in einer Zentrierbohrung eine poröse W-Sinterscheibe eingelegt und darauf die zur Tränkung und /ar Herstellung des Kontaktträgers erforderliche Cu B-Vorlegierung dazugegeben. Der Graphittiegel steht auf einer kühlbaren Bodenplatte und wird durch eine Induktionsspule erwärmt. Nach Aufschmelzen der CuB-Vorlegierung wird die Induktionsspule in bekannter Weise nach oben abgezogen und die Erstarrung durch Kühlung der Bodenplatte eingeleitet. Nach Abkühlung erhält man ein lunkerfreies Fertigteil.

Schliffuntersuchungen zeigen, daß überraschenderweise bereits bei der verhältnismäßig niedrigen Tränktemperatur von etwa 1200⁰C eine intensive Wechselwirkung zwischen dem W-Gerüst und dem in Cu gelösten Bor auftritt. Dabei entstehen je nach B-Konzentration verschiedene W-Boride, die eine erhebliche Steigerung der Härte und Verschleißfestigkeit bewirken. Gleichzeitig werden beim Erstarren wegen der Ünlösiichkeit von Cu Und B im festen Zustand hoch B-hältige Phasen feindispers ausgeschie^ den, die ihrerseits zu einer Festigkeitssteigerung des CU'Bereiches ähnlich wie bei dispefsionsgehärteten Werkstoffen führen. Bei dem beschriebenen Hefstel· iurigsprozeß wurden das getränkte W-Gerüst und der Kontaktträger durch den Tränkprozeß miteinander

verbunden, so daß ein separater Verbindungsschritt entfällt

Die Figur zeigt die Ausbildung der Grenzschicht 11 zwischen dem mit 12 bezeichneten Verbundwerkstoff WCuB und der anschließenden CuB-Legierung 13. Mit 14 sind die Kupferbereiche, mit 15 WB-Phasen, mit 16 W-Phasen bezeichnet. In der angrenzenden CuB-Legierung 13 des Kontaktträgers findet man ein Erstarrangsgefüge 14 aus Cu und eingelagertem Eutektikum 17 aus Cu und B-haltigen Phasen. Anteil und Größe der primären Cu-Körner ist von der Borkonzentraticm abhängig.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Meßwerte für ein konventionelles durch Löten hergestelltes Verbundteil aus WCu und CuCr 1 angegeben.

	Härte (HB 100/2,5) MN/nr	Elektrische Leitfähigkeit m/U mm²
Kontaktträger CuCrI Nachträglich kaltverformt	700 1500	46 46
CuBl Nachträglich kaltverformt	800 1300	52 52
Kontaktring WCu25	1970	30
(W-Borid) Cu23	3050	28

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß der Werkstoff gemäß der Erfindung sowohl beim Kontaktträger als auch beim Kontaktstück eine wesentlich erhöhte Härte gegenüber konventionellen Materialien aufweisen, während die elektrische Leitfähigkeit praktisch konstant bleibt Die angegebene Härte ist die Brinell-Härte HB, die bestimmt wurde mit einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 2,5 mm und mit einer aufgewandten Kraft von 100 N.

Da durch Tränken des porenhaltigen Wolframs mit der gewählten borhaltigen Cu-Legierung bevorzugt die Borierung vom Rand her einsetzt, können durch Abbrechen des Tränkprozesses nach einer geeignet gewählten Zeit Wolframborid-Schichten erhalten werden. Soll von vornherein ein durchboriertes Wolfram-Gerüst erhalten werden, so kann dem Wolfram-Pulver entweder Bor in elementarer Form oder eine pulverföirmige CuB-Legierung zugesetzt werden. Aus den

J5 entsprechenden Pulvermischungen lassen sich in bekannter Weise Preßkörper herstellen, die anschließend gesintert und mit Kupfer bzw. Kupfer-Bor-Legierungen getränkt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektrischer Kontakt oder Elektrode, bestehend aus einem abbrandfesten Kontaktstück aus einem Sinterverbundwerkstoff aus Wolfram-Kupfer (WCu), das auf einem gut leitenden Kontaktträger befestigt ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) Das Kontaktstück besteht aus WCuB mit 39,95 bis 79 Gew.-°/o Wolfram, 20 bis 40 Gew.-% Kupfer und 0,05 bis 1 Gew.-% Bor;

b) der Kontaktträger besteht aus CuB mit 98 bis 99,8 Gew.-°/o Kupfer und 2 bis 0,2 Gew-% Bor;

c) Kontaktstück und Kontaktträger sind durch den zur Herstellung des Kontaktstücks ohnehin erforderlichen Tränkprozeß miteinander verbunden, wozu dieser als Oberschußtränkung mit anschließender gerichteter Erstarrung vorgenommen isL

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