DE2906767A1

DE2906767A1 - Verfahren zur herstellung eines vakuum-leistungsschalters

Info

Publication number: DE2906767A1
Application number: DE19792906767
Authority: DE
Inventors: Hideo Arakawa; Keiichi Kuniya; Ryuji Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-22
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1979-08-23
Also published as: US4231814A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Leistungsschalters, insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vakpum-Leistungsschalters mit Elektroden oder Kontakten aus einer Legierung, die als Hauptbestandteil Kupfer oder eine Kupferlegierung und als Nebenbestandteil ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt und einem höheren Dampfdruck als der Hauptbestandteil enthält. Der Nebenbestandteil· hat eine Löslichkeitsgrenze für den Hauptbestandteil bei Raumtemperatur und ist im Überschuß von der Löslichkeitsgrenze in der Legierung enthalten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Leistungsschalters mit Kontakten aus einer Legierung aus Kupfer und einem Zusatz aus Blei, Wismuth oder einer Legierung aus Blei und Wismuth, und zwar im Überschuß der Löslichkeitsgrenze zu Kupfer bei Raumtemperatur.

Für Vakuum-Leistungsschalter sind die folgenden fünf Merkmale wesentlich:

1. Hohe dielektrische Festigkeit,

2. Gute Unterbrechungsfähigkeit,

3· Die Kontakte dürfen nicht verschweißen,

4. Niedriger Trennstrom,

5. Geringer Gasgehalt im Kontaktmaterial.

Diese Eigenschaften werden üblicherweise durch Verbesserung der Eigenschaften des Kontaktmaterials verbessert. Dabei wird Kupfer als Hauptmaterial für die Kontakte von Vakuum-Leistungsschaltern verwendet. Als Ergebnis der bisherigen Verbesserungsversuche wurde eine Legierung enthaltend Kupfer als Hauptbestandteil mit einem Zusatz aus Eisen oder Kobalt als Kontakt-

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material entwickelt, das eine hohe dielektrische Festigkeit hat. Als überlegenes, nicht verschweißendes Kontaktmaterial mit niedrigem Trennstrom wurde eine Legierung entwickelt, die Kupfer als Hauptbestandteil und ein Metall enthält, das einen niedrigeren Schmelzpunkt und einen höheren Dampfdruck als Kupfer und eine geringe Feststofflöslichkeit zu Kupfer bei Raumtemperatur hat, zum Beispiel Blei, Wismuth oder eine Legierung aus Blei und Wismuth.

Der Begriff "Trennen" der vorstehenden Beschreibung bezeichnet die Erscheinung, daß der Strom nach dem Trennen der Kontakte plötzlich auf Null zurückgeht, bevor er auf natürliche Weise auf Null fällt. Es wird also der Strom unmittelbar vor der plötzlichen Verringerung als "Trennstrom" bezeichnet. Dieser sollte so gering wie möglich sein, weil sonst die Isolierung der Last beschädigt oder zerstört werden kann. Der Trenneffekt tritt dann in Erscheinung, wenn der beim Auftrennen der Kontakte erzeugte Lichtbogen eine geringe Stabilität hat. Um den Trennstrom zu verringern, wird daher vorgeschlagen, dem Kontaktmaterial ein Metall hinzuzufügen, das bei der vom Lichtbogen erzeugten Wärme leicht verdampft, um so die Stabilität des Lichtbogens zu verbessern. Bei der vorstehend erwähnten Legierung aus Blei, Wismuth oder eine Legierung der beiden enthaltendem Kupfer läßt sich ein geringer Trennstrom erreichen, weil Blei, Wismuth oder eine Legierung derselben bei der vom Lichtbogen erzeugten Wärme leicht verdampfen, was zur Stabilisierung des Lichtbogens beiträgt. Dabei erleichtert die Gegenwart von Blei, Wismuth oder ihrer Legierung in der Kontaktoberfläche die Trennung der Kontakte, selbst wenn sie gelegentlich miteinander verschweißen sollten. Diese Legierung hat also auch überlegene Eigenschaften hinsichtlich der unerwünschten Verschweißung der Kontakte.

Üblicherweise wird die Kupferlegierung aus Kupfer und einem Nebenbestandteil aus Blei, Wismuth oder einer Legierung der-

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selben gegossen. Da ein solcher Nebenbestandteil fast keine Löslichkeitsgrenze zu Kupfer bei Raumtemperatur hat, entsteht der Nebenbestandteil an den Korngrenzen. Der Nebenbestandteil wird dann durch die vom Lichtbogen beim Auftrennen der Kontakte erzeugte Wärme geschmolzen und zur Kontaktoberfläche abgeschieden. Obwohl dieser Nebenbestandteil zur Ver~ . minderung des Trennstroms beiträgt und, wie erwähnt, das Schweißverhalten verbessert, führt ein zu-starkes Abscheiden des Nebenbestandteils zu einer Verschmutzung des Innenraums des Leistungsschalters und damit zu einer verminderten dielektrischen Festigkeit.Darüber hinaus erfolgt die Abscheidung nicht nur beim Auftrennen der Kontakte, sondern auch während des Anlötens der Kontakte an die Kontakthalter, wodurch die Lötbarkeit verschlechtert wird.

Wird daher als Kontaktmateria3. eine Legierung verwendet, die als Hauptbestandteil Kupfer oder eine Kupferlegierung und als Nebenbestandteil das beschriebene Metall enthält, so enstehtdie neue Schwierigkeit, eine Abscheidung des Nebenbestandteils zu vermindern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Leistungsschalters anzugeben, bei dessen Anwendung die Abscheidung des Nebenbestandteils zur Kontaktoberfläche merklich vermindert ist.

Weiter soll ein Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Leistungsschalters angegeben werden, bei dessen Anwendung die Vorteile der Benutzung des erwähnten Nebenbestandteils, nämlich die Verminderung des Trennstroms und die Verbesserung des Schweißverhaltens im Vergleich mit einem Fall vermehrt werden können, in dem das gegossene Material als Kontaktmaterial für den Leistungsschalter verwendet wird.

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Nach dem erfindungsgemäßen' Verfahren werden die Kontakte des Leistungsschalters hergestellt, indem ein Gußmaterial aus einer Legierung bis über 800⁰C,jedoch unter den Schmelzpunkt der Legierung erhitzt wird, die Kupfer oder eine Kupferlegierung als Hauptbestandteil und als Nebenbestandteil ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt und einem höheren Dampfdruck als der Hauptbestandteil enthält, sowie-eine Loslichkeitsgrenze zum Hauptbestandteil bei Raumtemperatur, z.B. Blei, Wismuth oder eine Legierung der beiden, wobei der Nebenbestandteil im Überschuß der Loslichkeitsgrenze zum Hauptbestandteil bei Raumtemperatur enthalten ist.

Bei einem normalen Gußblock entwickeln sich die Kupferdendriten außerordentlich; der Nebenbestandteil wird zwischen den Dendriten abgelagert. Der Schnitt des Gußblocks zeigt einen Aufbau, bei dem der Nebenbestandteil an den Korngrenzen des Hauptbestandteils vorliegt. Der Nebenbestandteil besteht in durchgehender oder kontinuierlicher Form in den Korngrenzen, wenn sein Gewichtsanteil mehr als 3% ausmacht. Wird diese Legierung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Nebenbe- . standteils erhitzt, so dehnt sich die gasförmige Komponente an den Korngrenzen aus, so daß die Nebenkomponente im geschmolzenen Zustand an die Oberfläche der Legierung getrieben wird. Die Legierung wurde unter Vakuum geschmolzen, so daß der gasförmige Anteil vermindert wurde, bevor die Legierung zu dem Gußblock vergossen wurde. Es ist jedoch nicht möglich, die gasförmige Komponente vollständig auszutreiben, so daß unvermeidlich eine geringe Menge im Gußblock verbleibt. Dieses Restgas wird während des Erstarrens zu den Korngrenzen ausgetrieben. Ist der Anteil der Nebenkomponente nicht größer als 3 Gew.-Prozent, so kann er nicht in kontinuierlicher, sondern muß in diskontinuierlicher Form vorliegen. Es ist daher weniger wahrscheinlich, daß die Nebenkomponente aus der Legierung ausgetrieben wird. Wenn aber die Nebenkomponente einen Anteil von

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3 G.ew.-Prozent überschreitet., so wird eine beträchtliche Menge der Nebenkomponente aus der Legierung ausgetrieben.

Die Verhinderung der Ausscheidung der. Nebenkomponente ist auf folgenden Grund zurückzuführen. Da nämlich die Kupferdendriten im Gußmaterial nicht im Gleichgewicht vorhanden sind, haben sie eine hohe Oberflächenenergie. Wird das Gußmaterial auf eine hohe Temperatur erhitzt, so fallen die Kupferdendriten zusammen und das Kupferkorn wächst in Form des Kornwachstums, so daß sich ein stabiler. Aufbau ergibt. Im Verlaufe -des Fornwachstums des Kupfers schmilzt die erwähnte Nebenkomponente, wodurch das Kornwachstum des Kupfer erleichtert und seine Oberflächenenergie vermindert wird. Das Kupfer nimmt daher sphärische Form an. Gleichzeitig ergibt sich eine diskontinuierliche Verteilung der Nebenkomponente, Der größte Teil dieser diskontinuierlichen Nebenkomponente wird mit dem Wachstum .der Körner in die Korngrenzen aufgenommen. Im Ergebnis ist der größte Teil der Nebenkomponente in den Kupferkörnern begrenzt und der restliche Teil der Nebenkomponente auf den Korngrenzen nimmt die Form diskontinuierlicher Kugeln an.

Bei Leistungsschalterkontakten aus der Legierung mit dem oben beschriebenen Aufbau wird kein großer Anteil der Nebenkomponente an die Kontaktoberfläche abgeschieden, selbst wenn die Legierung reich an der Nebenkomponente ist. Tatsächlich wird nur ein sehr geringer Anteil der Nebenkomponente abgeschieden, selbst im Vergleich mit Gußmaterial aus einer Legierung, die weniger als 3% der Nebenkomponente enthält. Diese Tendenz der geringen Abscheidungsrate ist darauf zurückzuführen, daß der größte Teil der Nebenkomponente in den Kupferkörnern eingeschlossen ist und der Rest der Nebenkomponente auf den Korn-

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grenzen eine diskontinuierliche Form annimmt. Um das Wachstum der Kupferkörner in einem solchen Maße voranzutreiben, daß der größte Teil der Nebenkomponente in den Kupferkörnern eingeschlossen ist, muß das Material auf eine Temperatur von 80O⁰C oder mehr erhitzt werden. Bei einer Erhitzung auf eine Temperatur von unter 800⁰C fallen die Kupferdendriten nicht in merklichem Maße zusammen und es entstehen keine oder zu wenig Kupferkörner. Als natürliches Ergebnis kann in diesem Fall kein klarer Einschluß der Nebenkomponente durch die Kupferkörner beobachtet werden.

Andererseits darf das Material nicht soweit erhitzt werden, daß die Legierung schmilzt, da eine geschmolzene Legierung unbrauchbar istο

Die Erhitzung erfolgt unter Vakuum» Um eine merkliche Oxidation der Bestandteile zu verhindern, wird ein sehr hohes Vakuum in der Größenordnung zwischen O₃0133 und 0,133 Aibar gewählt» Durch die Erhitzung im Vakuum wird die an die Oberfläche der Legierung abgeschiedene Nebenkomponente und die Nebenkomponente in den Korngrenzen in der Nachbarschaft der Oberfläche entfernt« Hierdurch wird ein Eindringen der Nebenkomponente in das Lot beim Löten des Kontakts auf den Kontakthalter verhindert, so daß die Verschlechterung der Lötfähigkeit praktisch vermieden, wird. Gleichzeitig wird die Verschmutzung des Innenraums des Leistungsschalters beträchtlich verminderte

Erfolgt die Erhitzung nicht in einem Vakuum«, sondern z»B» in einem inerten Gas oder Wasserstoff, so unterbleibt die Entfernung der Mebenkomponente und die Verschlechterung der Löt-

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fähigkeit und die Verschmutzung des Innenraums des Leistungsschalters werden nicht vermieden. Insbesondere in einer Wasserstoff atmosphäre kommt zu den obigen Schwierigkeiten hinzu,.daß der Viasserstoff durch das Kontaktmaterial absorbiert oder adsorbiert wird, wodurch der Innendruck des" Vakuum-Leistungsschalters verschlechtert wird. Die Benutzung einer Wasserstoffatmosphäre verbietet sich daher.

Es ist natürlich möglich, die Heizkammer nach der Erhitzung der Legierung einer Atmosphäre aus inertem Gas oder Wasserstoff bis auf eine Temperatur oberhalb 800°C, jedoch unterhalb einer Temperatur zu erhitzen, bei der die Legierung schmilzt. Hierbei sind jedoch zwei Arbeit.sschritte notwendig, nämlich Erhitzung in einer Atmosphäre aus inertem Gas oder Wasserstoff und Evakuierung der Heizkammer. Zusätzlich ist es notwendig, die Evakuierung bei einer Temperatur oberhalb des vorausgehenden Heizschrittes durchzuführen, weil sonst der Effekt, der zu dem durch der Erhitzung im Vakuum auf eine Atmosphäre oberhalb 800⁰C, jedoch unterhalb einer Schmelztemperatur erzielte Effekt nicht erreicht werden kann.

Die vorerwähnte Erhitzung im Vakuum wird im folgendem als Sphäroid-Umwandlung bezeichnet.

Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen "Verfahrens benutzte Kontaktmaterial sollte unter Vakuum geschmolzen sein, um den gasförmigen Anteil möglichst gering zu halten. Damit die Nebenkomponente gleichmäßig über das gesamte Material verteilt oder diffundiert werden kann, sollte das im Vakuum erschmolzene Material gegossen werden. Das gegossene Material wird dann, wie erwähnt, in die Sphäroidform umgewandelt, worauf die Kontakte aus dem gegossenem Material ausgeschnitten werden. Die so ge-

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formten Kontakte werden dann in einen Vakuum-Leistungsschalter eingebaut und auf die Kontakthalter aufgelötet.

Das Material der Leistungsschalterkontakte enthält Kupfer oder eine Kupferlegierung als Hauptkomponente und, als Nebenkomponente, ein Metall, dessen Schmelzpunkt niedriger ist und dessen Dampfdruck höher ist als die der Hauptkomponente.. Die Nebenkornponente hat eine Löslichkeitsgrenze zur Hauptkomponente bei Raumtemperatur. Die Nebenkomponente ist im Überschuß der Löslichkeitsgrenze bei Raumtemperatur enthalten. Typische Beispiele für als Nebenkomponente verwendbares Metall sind Blei, Wismuth und Legierungen dieser beiden Metalle.

Die Nebenkomponente liegt in kontinuierlicher Form in den Korngrenzen vor, wenn ihr Anteil mehr als 3 Gew.-Prozent ausmacht, wodurch die Abscheidung zur Kontaktoberfläche verstärkt wird. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Legierungen mit mehr als 3 Gew.-Prozent der Nebenkomponente ist daher äußerst wirksam. Wenn der Anteil der Nebenkomponente, beispielsweise Blei, Wismuth oder einerLegierung dieser beiden-Metalle, 25 Gew.-Prozent überschreitet, wird sie kaum, oder schwer löslich. Insbesondere wenn der Bleianteil hoch ist, wird eine Trennung in der flüssigen Phase hervorgerufen, wodurch die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung der Legierung verschlechtert wird. Wenn daher eine solche Nebenkomponente in der Legierung enthalten ist, sollte ihr Anteil höchstens 25J% ausmachen. Auch: um eine Verschlechterung der dielektrischen Festigkeit zu verhindern, wird vorzugsweise, der Anteil der Nebenkomponente auf 25 Gew.-Prozent oder weniger begrenzt.

Gleichzeitig ist es äußerst wirkungsvoll und vorteilhaft, die Sphäroid-Umwandlung wiederholt vorzunehmen, indem das Material plastisch verformt, beispielsweise geschmiedet, gezogen oder gewalzt wird, nachdem es erstmalig in die Sphäroidform umgewandelt wurde. Darauf wird das Material wiederum unter Vakuum

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auf eine Temperatur oberhalb 800⁰C,jedoch unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt. Durch die plastische Verformung des in die Sphäroidforca umgewandelten Materials wird die-Nebenkomponente in den Kupferkörnern in der Arbeitsrichtung gestreckt. Wenn die Sphäroid-Umwandlung in dieser Legierung wiederum erfolgt, wird die Nebenkomponente infolge der Rekristallisierung des Kupfers in Abschnitte unterteilt und dann in die Sphäroidform umgewandelt. Die Körner werden im Laufe dieser Sphäroid-Umwandlung feiner. Infolgedessen wird die Nebenkomponente verglichen mit der Legierung feiner verteilt, die nach dem Gießen nur einmal, in die Sphäroidf prm. .umgewandelt wurde, was in günstiger Weise zur. Stabilisierung des Trennstroms beiträgt. ·

Ist die Kühlgeschwindigkeit beim Gießen sehr gering, wie es beispielsweise beim Schmelzen und Erstarren in einem Schmelztiegel der Fall ist, so werden die Körner in unerwünschter Vfeise verhältnismäßig grob. In einem solchen Fall ist es möglich, die Körner durch plastische Bearbeitung nach der · Umwandlung in die Sphäroidfarm wieder zu verfeinern, die nach dem Gießen erfolgt. Hierdurch ist es möglich," eine feine.Verteilung der Nebenkomponents zu erzielen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: . .

Fig. 1 - ' den Querschnitt eines "Väkuum-Leistungschalters,.

Fig. 2 Schliffbilder einer Cu-Pb-Legierung, im einzelnen

Fig. 2(a) den Aufbau nach dem Gießen,

Fig. 2(b) den Aufbau nach Sphäroid-Umwandlung nach dem Gießen,

Fig. 3 Schliff bilder einer Cu-Pb-^Legierung nach einer anderen Ausführungsform, im einzelnen

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Fig. 3(a) den Aufbau nach dem Gießen,

Fig. 3(b) den Aufbau durch Sphäroid-Umwandlung nach dem Gießen,

Fig. 3(c) den Aufbau nach dem Schmieden nach der Sphäroid-Umwandlung und ■ ■ .

Fig. 3(d) den Aufbau nach einem zweiten Schmiedevorgang nach dem ersten.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines Vakuum-Leistungsschalters mit einem beweglichen Kontakt 1 und einem feststehenden Kontakt 2. Die Kontakte 1 und 2 sind an Kontakthalter 3 bzw. 4 angelötet» Wenn das Material der Kontakte 1 und 2 als Nebenkomponente Blei, Wismuth oder eine Legierung dieser Metalle enthält j wird zweckmäßigerweise ein Silberlot verwendet. Das Innere des Vakuum-Leistungsschalters ist evakuiert, so daß es in nicht merklichem Maße absorbiertes Gas enthält. Diese Evakuierung kann vor oder nach dem Löten der Kontakte auf die Kontakthalter ..erfolgen. Wenn sich aber die Kontakte 1 und 2 in einem •unerwünschten Zustand befinden, so können Gase oder andere Ver- . schmutzungen im Kontaktmaterial an einem Schirm 6 oder einer Isolierhülse 7 anhaften» so "daß das Innere des Vakuum-Leistungssohalters nicht ausreichend evakuiert ist. Die Kontakte werden durch Sphäroid-umwandlung eines gegossenen Materials einer Legierung hergestelltj die als Hauptkomponente Kupfer oder eine-Kupferlegierung und als Hebenkomponente BIeI₈. Wismuth oder eine Legierung aus Blei und Wismuth enthält» In manchen Fällen wird das sphärisch umgewandelte Material plastisch verformt oder eine zweite Sphäroid-Umwandlung am Material ausgeführt₉ das plastisch "bearbeitet wurde-

Es wurden verschiedene Beispiele des Kontaktmaterials untersucht,, Die Untersuchungsergebnisse werden im folgenden wieder-

Beispiel 1

Durch Hochfrequenzschinalzen ■wurde eine Gußlegierung mit ^: ~ Kupfer als Hauptkomponente und 10 Gew.-Prozent Blei als Nebenkoaponente hergestellt. Als Materialien für die Legierung wurden ein sauerstofffreies Kupfer und entgastes, raffiniertes Blei entsprechend der Klasse 1 der JIS H 2105 verwendet. Das Hochfrequenzschmelzen erfolgte mit einem Tiegel aus entgastem Aluminiumoxid innen und einem Tiegel aus Graphit außen, und zwar unter einem Druck von etwa 0,0133 bis 0,067 /ibar Zunächst wurde nur Kupfer in den Aluminiumoxid-Schmelztiegel eingesetzt und das Kupfer vollständig geschmolzen. Darauf. ." . wurde die Hochfrequenzheizung abgeschaltet und in einer Argonatmosphäre von etwa 67 mbar weitergearbeitet. Nach der Zugabe von Blei wurde das Legierungsmaterial direkt in eine Form gegossen und ausgehärtet.

Die so erhaltete Cu-Pb-Legierung mit 10 Gew.-Prozent Pb wurde dann abgeschält und- eine Stunde lang bei einem Druck von 0,067 /ubar "-bei einer Temperatur von 900⁰C erhitzt. Dabei wandelte" sich die in Fig. 2(a) gezeigte Struktur in die der Fig. 2(b) um.(jeweils 100-fache Vergrößerung). Wie ersichtlich, wurde die Pb-Phase in Sphäroide umgewandelt und der größte Teil des Bleies wurde in die Kupferkörner eingeschlossen. Der Bleigehalt nach dieser Erhitzung wurde zu etwa 7 Gew.-Prozent ermittelt. Aus dem so erhaltenen Material würden die Schalterkontakte ausgeschnitten. Die ausgeschnittenen Kontakte wurden dann auf einen Kontakthalter gelötet, und zwar in einer Wasserstoff atmosphäre bei einer Temperatur von 850' bis 900⁰C mit einem eutektischen Ag-Lot. Es konnte keinerlei Bleiausscheidung auf die Oberfläche des Kontakts beobachtet werden. Die Kontakte wurden dann in einen Vakuum-Leistungsschalter eingebaut und es wurde 10 Stunden lang bei 400°C entgast. Es konnte

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keine merkliche Aufdämpfung oder Ablagerung von Pb auf-die Schalterwand beobachtet werden. .

Der Trennstrom dieses Vakuum-Leistungsschalters wurde bei einem Teststrom von 15 A bei 6,3 kV gemessen. Der Mittelwert des Trennstroms betrug 5,2 A, d.h. etvra. die Hälfte des Trennstroms von Cu.

Wie erläutert, tritt bei dem Kontaktmaterial aus Cu-Pb-Legierung mit sphärisch umgewandeltem Pb-Änteil keine wesentliche Abscheidung von Pb auf; der Trennstrom ist verhältnismäßig niedrig.

Beispiel 2 ■ ■...

Es wurde Bi mit einer Reinheit von 99,9% hergestellt und ebenso wie im Beispiel 1 eine Legierung aus Kupfer und 5 Gew.-Prozent Pb sowie 7 Gew.-Prozent Bi hergestellt. Der Gußblock wurde dann während einer Stunde bei 800⁰C unter einem Druck von etwa 0,067 /übar einer Sphäroid-Umwandlung unterzogen. , Infolge dieser Sphäroid-Umwandlung änderte sich die Struktur so, daß die Legierungsphäse von Pb und Bi in. den Cu-Körnern eingeschlossen war. Aus diesem Material wurden Schaltkontakte geschnitten und gemäß Beispiel 1 auf Kontakthalter gelötet. . Hierbei konnte keinerlei Pb- oder Bi-Abscheidung beobachtet werden. Nach Befestigung der Kontakte im Vakuum-Leisungsschalter wurde wie im Beispiel 1 entgast, es konnte jedoch keinerlei Veschmutzung der Schalterwand'festgestellt werden. Der mittlere Trennstrom betrug 4,3 A, d.h. etwa 1/2,5 des Wertes bei Cu. Somit wurde bestätigt, daß bei einem Kontakt aus Cu-Pb-Bi-Legierung mit sphärisch umgewandelter Pb-Bi-Legierungsphase keine Abscheidung des Pb-Bi auftritt und der Trennstrom gering ist.

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Beispiel 3

Aus Legierungen aus Kupfer und 10 Q-ew.-Prozent Bi bzw. 25 Gew.-Prozent Pt> bzw. 5 Gew.-Prozent einer Legierung aus Blei' und 40 Gew.-Prozent Bi und 25 .Gew.-Prozent aus einer Legierung aus Blei und 50 Qew.-Prozent Bi wurden gemäß Beispiel 1 Schalterkontakte hergestellt, die einer Sphäroid-Umwandlung unterzogen wurden, und zwar während einer Stunde bei 900" bis 950 ⁰C und einem Vakuum von etwa 0,067 /abar . In jedem Fall änderte sich die Pb-, Bi- oder (Pb-Bi)-Phase aus der kontinuierlichen in die sphärische diskontinuierliche Form und wurde in den Cu-Kömern aufgenommen. Diese Legierungen wurden dann bei 800⁰C 30 Minuten lang in Hp-Gas erhitzt, um den Lötvorgang zu simulieren. Dabei konnten keinerlei Abscheidungen der Nebenkomponente beobachtet werden.

Beispiel 4

Durch Hochfrequenzschmelzen wurde aus sauerstofffreiem Kupfer ■ und entgastem und raffiniertem Blei eine Legierung aus Kupfer und 7 Gew.-Prozent Blei hergestellt. Das Vakuum beim Hochfrequenzschmelzen betrug etwa 0,0133 bis 0,067 /lbar ; geschmolzen wurde in einem Innentiegel aus Aluminiumoxid von 15 mm Durchmesser; der Außentiegel bestand aus Graphit. Die insge- . samt erschmolzene Menge betrug 2,5 kg. Um Bleiverluste durch Verdampfung im Vakuum und bei hoher Temperatur oder aus' ähnlichen Gründen zu vermeiden, wurde das Vakuum, durch Argongas mit etwa 13,3 bis 67 mbar ersetzt, nachdem das Kupfer vollständig geschmolzen war. Darauf wurde Blei zugefügt und die Schmelze im Tiegel zum Erstarren gebracht. Der so erhaltene Gußbarren wurde dann einer Sphäroidumformung durch Erhitzung bei 900⁰C während einer Stunde bei einem Druck von 0,067 /ubar. unterzogen. Fig. 3(a) zeigt die Struktur unmittelbar nach der Erhärtung, Fig. 3(b) nach der Sphäroid-Umwandlung (jeweils

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400-fache Vergrößerung). Während nach Fig. 3(a) die Struktur längs der Korngrensen kontinuierlich ist, ist bei der Struktur der Fig. 3(~b) das Blei im wesentlichen sphärisch umgewandelt; der größte Teil des Blei ist in den Kupferkörner eingeschlossen.

Nach dem Erhitzen wurde das Gußmaterial unter einer Presse geschmiedet. Die danach erhaltene Struktur ist in Fig. 3(c) (400-fache Vergrößerung) gezeigt. Das Arbeitsverhältnis in dieser Stufe ist 50%«, Dar geschmiedete Rohling" wurde dann ein zweites Mal sphärisch umgewandelt, und zwar durch einstündiges Aufheizen bei 900⁰C und 0,057 yubar. Die Struktur nach dieser zweiten sphärischen Umwandlung ist in Fig. 3(d) gezeigt (400-fache Vergrößerung)» Wie ersichtlich,haben sich die Kupferkörner vergrößert und das sphärische Blei ist fein verteilt. Nach der beschriebenen Behandlung wurde ein Bleigehalt von 5,5 Gew.-Prozent festgestellt, der keinerlei Schwierigkeiten bietet.

Aus dem so behandelten Barren wurden Schaltkontakte hergestellt, und in eine Isolierhülse eingebracht. Darauf wurden die Kontakte zur Simulation der Erhitzung beim Löten bei 850 bis 900 C während der Herstellung des Vakuum-Leistungsschalters eine Stunde lang bei einer Temperatur von 900⁰C. und unter einem Druck von etwa 0,067 /ibar erhitzt. Darauf wurde die Kontaktfläche geprüfts es konnten jedoch keine wesentlichen Abscheidungen "beobachtet-, werden, - .. . . - . ■ .....

Darauf wurde bei dem so hergestellten Vakuum-Leistungsschalter bei einem Teststrom von 15 A und einer Spannung von. 6„5 kV der Trennstrom gemessen« Der mittlere Trennstrom betrug nur 5 A₅ cLh» etwa die Hälfte des Trennstroms von Kupfer» Die Schwankungen des Trennstroms bei wiederholten Versuchen waren sehr gering. Das bedeutet₉ daß der Vakuum-Trennschalter stabile Trenneigenschaften hat ο

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Beispiel 5

Gemäß Beispiel 4 wurde eine Legierung aus Kupfer, 4 Gexir.-Prozent Blei und 3 Gew.-Prozent Wismuth hergestellt. Die Reinheit des verwendeten ¥ismuth betrug 99,9^. Darauf wurde durch Erhitzung bei 850⁰C während einer Stunde unter einem Druck von etwa 0,067 yübar ..- sphärisch umgewandelt. Im Ergebnis wurde die Pb-Bi-Legierung in Abschnitte unterteilt und sphärisch umgewandelt; auch in diesem Fall wurde die gleiche Strukturänderung wie im Beispiel 4 beobachtet. Darauf wurde im Gesenk kalt geschmiedet und zwar mit einem Arbeitsverhältnis von 5056. Der geschmiedete Barren wurde dann eine Stunde lang bei einer Temperatur von 850°C und einem Druck von 0,067 yubar erhitzt. Blei und Wismuth wurden kornraffiniert und iu Form von Kugeln verteilt.

Darauf wurden aus dem Barren Schaltkontakte ausgeschnitten und zur Simulation des Lötens bei einer Temperatur zxvischen 850 bis 900 C und einem Druck von 0,067 /übar erhitzt. Darauf wurde die Abscheidung von Pb-Bi-Legierung geprüft. Als Ergebnis konnte ein guter Zustand mit extrem geringer Verschmutzung der Isolierhülsenwand und der Kontaktoberfläche beobachtet- werden. Der mittlere Trennstr'om wurde in der gleichen Weise wie in den vorausgehenden Beispielen gemessen; er betrug nur 5,0 A.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird also die Abscheidung der Nebenkomponente wirksam verhindert und gleichzeitig der Trennstrom auf einem sehr niedrigen Wert gehalten.

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Claims

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DIPL. CHiEM. DR. URSULA SCHUBEL-HOPF DIPL. INQ. DIETER EBHINGHAUS . DR. INO. DIETER FINCK

TELEFON (OB9) 4SaOS*

TELEX 5-2:-VH6& AJJRO O

TELEaHAMME AUiWMASCPAT MÜNCHEN

HITACHI, LIMITED 21. Februar 1979

DSA-14402

YERJj¹AHREKf ZUR HERSTELLUNG EINES VAKUUM -LEISTUiTGSSCHALTERS

Paten t a η Sprüche

Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Leistungsschalters mit aus einer Gußlegierung hergestellten Sehaltkontakten, ■wobei die Gußlegierung Kupfer oder eine Kupferlegierung als Hauptkomponente und als Nebenkomponente ein Metall enthältj dessen Schmelzpunkt niedriger ist und dessen Dampfdruck höher ist als der der Hauptkomponente, und das eine Löslichkeitsgrenze gegenüber der Hauptkomponente bei Raumtemperatur hat, wobei die Nebenkomponente im Überschuß der Löslichkeitsgrenze bei Raumtemperatur enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußlegierung unter Vakuum bei einer Temperatur von wenigstens 800° C,jedoch unterhalb des Schmelzpunktes der Gußlegierung erhitzt wird, bevor die aus der Legierung bestehenden Schaltkontakte montiert werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ e i chnet, daß die Nebenkomponente aus Blei oder Wismuüh oder einer Legierung aus Blei und Wisniuth besteht, wobei der Gehalt der Nebenkomponente höchstens 25 Gew.-Prozent beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, der Gehalt der Nebenkomponente wenigstens 3 Gew.-Prozent beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ e i chnet, daß die Gußlegierung durch Vakuumgießen nach Vakuumschmelzen hergestellt wird.
5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i chnet, daß die Wärmebehandlung unter Vakuum bei einem Druck zwischen 0,133 und 0,00133 /ubar durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erhitzung der Gußlegierung diese einer plastischen Bearbeitung unterzogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußlegierung nach der plastischen Bearbeitung wiederum unter Vakuum bei einer Temperatur von wenigstens 800⁰C, jedoch unterhalb einer Temperatür, bei der die Gußlegierung schmilzt, erhitzt wird, bevor si© in Form der Schaltkontakte montiert wird. .
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Bearbeitung durch Schmieden erfolgt.

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Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach der plastischen Bearbeitung unter einem Druck von 0,133 bis 0,00133 yubar erhitzt wird.

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