DE2914186A1

DE2914186A1 - Verfahren zur herstellung von elektrischen kontakten fuer vakuum- trennschalter

Info

Publication number: DE2914186A1
Application number: DE19792914186
Authority: DE
Inventors: Robert E Gainer
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-04-13
Filing date: 1979-04-07
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB1603370A; JPS54137670A; DE2914186C2; JPH0151844B2; US4190753A; CA1118823A

Description

29U186

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF 1· SCHADOWPLATZ 9

-2:

Düsseldorf, 6. April 1979

47,604
7913

•Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kontakten für Vakuum-Trennschalter

'Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für elektrische, hochdichte Kupfer-Chrom-Kontakte für Vakuum-Trennschalter.

Vakuum-Trennschalter finden Anwendung als Schaltkreisschutzeinrichtungen für elektrische Verteilungsnetze und umfassen einen abgedichteten Kolben, in dem bewegliche Kontakte angeordnet sind, um einen elektrischen Kreis herzustellen oder zu unterbrechen. Wenn sich die Kontakte in einer geschlossenen, stromübertragenden Stellung in Kontakt miteinander befinden, muß der Kontakt hohe Ströme wirksam mit niedrigen Widerstandswerten übertragen. Wenn die Kontakte voneinander wegbewegt werden, um eine offene Schaltkreisposition zu erhalten, bildet sich zwischen den Kontakten ein Lichtbogen, der einen Teil der Kontakte verdampft, gefolgt von einer schnellen Löschung des Lichtbogens und Unterbrechung des Kreises. Die Kontakte müssen leicht voneinander trennbar sein, d. h. sie müssen so aufgebaut sein, daß keine Verschweißung auftritt, so daß der Betriebsmechanismus keine unnötig großen Kräfte aufbringen muß, um die Kontakte .voneinander weg zu bewegen. Zwar ist ein gewisses Verdampfen von Kontaktmaterial notwendig, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten, doch sollte eine stärkere Erosion der Kontakte ver-

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mieden werden, da dies sonst zu hohem Kontaktewiderstand führen würde, wenn die Kontakte zur Übertragung von Strom geschlossen werden.

Die Auswahl der Kontaktroaterialien ist daher ein sehr kritischer Aspekt der Funktion des gesamten Vakuum-Trennschalters. Ein in großem Umfang verwendetes Kontaktmaterial ist eine Mischung aus hoch leitfähigem Material wie Kupfer, mit einem wärmefesten Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Chrom oder Wolfram. Ein im weiten Umfange benutztes Chrom-Matrix-Kontaktmaterial, das mit Kupfer infiltriert ist, wird in der US-PS 3 818 163 beschrieben. Der Kontakt wird dadurch gebildet, daß Chrom zur Bildung eines porösen gehärteten Körpers gesintert wird, der dann mit dem Kupfer in Kontakt gebracht wird, welches geschmolzen wird, um in die Poren der Chrom-Matrix einzufiltrieren. Eine andere Variation eines derartigen Matrix-Kontaktes wird in der US-PS 3 960 554 beschrieben, gemäß der ein kleiner Anteil von Kupferpulver mit dem Chrompulver gemischt wird, bevor das Chrom gesintert wird, um die Matrix zu bilden. Diese kleine Zumischung von Kupfer erhöht die "grüne" Festigkeit (Anfangsfestigkeit) des kompaktierten Chroms während der Sinterung, was die Handhabung des kompaktierten Chroms erleichtert. Der Matrix-Kontakt wird danach mit zusätzlichem Kupfer infiltriert, um den Kontakt fertigzustellen.

Ein erst kürzlich entwickeltes Kupfer-Chrom-Kontaktmaterial wird in der US-PS 4 032 301 beschrieben, gemäß der Kupfer und Chrom als Pulver miteinander vermischt und zu einer mittleren Dichte kaltgepreßt werden. Der gepreßte Kompaktkörper wird dann unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer im Vakuum gesintert, um den Kontakt zu verdichten. Der Kontakt wird dann heißgepreßt oder heißverdichtet, um eine endgültige hohe Dichte zu erreichen. Das Kupfer und das Chrom sind in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1 : 1 vorhanden. Der Kupfergehalt wird auf einem Wert von unter ungefähr 60 Gew% geha4ten, um eine erfolgreiche Kontaktbetriebsweise sicherzustellen.

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Es ist in der Pulvermetallurgie bereits bekannt, daß Pulvermetallmischungen kompaktiert und bei hohen Drücken gepreßt werden, um den kompaktierten Körper in gewissem Ausmaß zu verdichten, und daß danach bei Temperaturen unterhalb der Schmelzpunkte der Pulvermetalle gesintert wird. Derartige Kontakte lassen sich aus der US-PS 2 3 62 007 entnehmen, gemäß der bis zu etwa 10 % Chrom, etwas Phosphor und im übrigen Kupfer verwendet wird. Die ÜS-PS 2"758 229 beschreibt einen gegen Abrieb widerstandsfähigen elektrischen Stromkommutator, der aus ungefähr 80 % Kupfer und 20 % Chrom besteht und durch Kontaktieren der miteinander vermischten Pulver bei einem Druck von etwa 14 t/Quadrat-

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zoll (22 kg/mm ) kompaktiert und danach bei Temperaturen von

800 - 1000° C gesintert wird. Der gesinterte Kontakt wird dann vorzugsweise mit einem organischen öl imprägniert, um den Abriebwiderstand des Kommutatorkontaktes noch weiter zu verbessern.

Es verbleibt die Aufgabe, einen Kontakt für einen Vakuum-Trennschalter mit möglichst hoher Leitfähigkeit zu schaffen, der nach Möglichkeit außerdem - je nach Bedarf - noch hohe strukturelle Festigkeit, Anti-Verschweißeigenschaften, hohe Spannungswiderstandsfähigkeit und niedrige Ausgaseigenschaften während der Kontaktlichtbogenbildung besitzt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines derartigen Kontaktes.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst, d. h. durch ein Verfahren zur Herstellung von hochdichten elektrischen Kupfer-Chrom-Kontakten für Vakuum-Trennschalter, das gekennzeichnet ist durch Mischen von Kupfer- und Chrompulver, wobei das Kupferpulver in einer Menge von etwa 60 - 90 Gew% des gesamten Gewichtes vorhanden ist, Kaltpressen der vermischten Pulver zur Bildung eines hochdichten Kompaktkörpers und Vakuumversinterung des Kompaktkörpers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer, um eine Dichte von größer als etwa 97 % der theoretischen Dichte für den sich ergebenen Kontakt zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels

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näher erläutert, daß in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vakuum-Trennschalteranordnung;

Fig. 2 eine hundertfach vergößerte Ansicht des Kontaktmaterials;

Fig. 3 eine hundertfach vergrößerte Ansicht eines matrixartigen Kontaktmaterials gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist eine Vakuum-Unterbrechereinrichtung 10 dargestellt, die allgemein aus einem zylindrischen isolierenden Körperteil besteht, der abdichtende Endglieder 14 und 16 an den sich gegenüberliegenden Enden des Körpers 12 aufweist. Eine Kontaktanordnung 18 ist durch die Endplatte 14 hindurchgeführt und besitzt einen Kupferstromkontakt 20 am Anschlußende des leitfähigen Stabes der Kontaktanordnung. Eine andere Kontaktanordnung 22 ist durch die Endplatte 16 beweglich hindurchgeführt und umfaßt ein Balgenglied 24, das es ermöglicht, den Kupfer-Chrom-Kontakt 26, der sich am Ende der Anordnung befindet, in eine geschlossene Kontaktstellung mit dem Kontakt 20 zu bewegen. Eine Mehrzahl von Dampfabschirmungen 28, 30 und 32 sind innerhalb des abgedichteten Kolbens um die Kontakte und das Lichtbogengebiet herum angeordnet und ein Abschirmglied 34 ist für die Balgen 24 vorgesehen. Die Abschirmung 28 stellt ein elektrisch frei schwebendes zentrales Abschirmglied dar, während die Abschirmungen 30 und 32 sich gegenüberliegende Abschirmungen sind, die die Enden der zentralen Abschirmung überlappen, um die Ablagerung von Lichtbogenmaterial auf dem isolierenden Kolben zu verhindern.

Die Kupfer-Chrom-Kontakte 20 und 26 können einfache scheibenartige Glieder sein, üblicherweise werden sie jedoch eine etwas kompliziertere Form aufweisen, z.B. spiralförmig ausgerichtete Arme besitzen, um eine kreisförmige Lichtbogenantriebskraft zu erzeugen, um auf diese Weise den gebildeten Lichtbogen um

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den Kontakt herum in Bewegung zu halten und dadurch die örtliche Erhitzung möglichst klein zu machen.

Ein typischer Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung wird als eine geformte Scheibe hergestellt, die einige Struktureinzelheiten aufweisen kann, oder die Scheibe kann bearbeitet werden, um die Spiralarme oder andere derartige Oberflächenmerkmale zu liefern. Der Kontakt wird typischerweise dadurch hergestellt, daß ungefähr 75 % Kupferpulver und 25 % Chrompulver miteinander gründlich vermischt werden. Das Kupferpulver weist typischerweise eine Teilchengröße von etwa 0,05 - 0,035 mm auf (300 400 mesh), während Chrompulver typischerweise eine Teilchengröße von 0,15 - 0,074 mm (100 - 200 mesh) besitzt, also eine viel größere Teilchengröße aufweist, als Kupfer. Das Pulver kann vorbehandelt werden, um den Sauerstoffgehalt möglichst klein zu machen. Die zueinander gegebenen und miteinander vermischten Kupfer- und Chrompulver werden dann kalt isostatisch gepreßt

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mit etwa 50 t/Quadratzoll (79 kg/mm ), um einen Kompaktkörper mittlerer Dichte zu bilden. Das kalte isostatische Pressen wird dadurch durchgeführt, daß das vermischte Pulver in einen evakuierten Sack gegeben wird, der abgedichtet und in eine hydraulische Flüssigkeit gegeben und in einem Gerät isostatisch gepreßt wird, wie dem Techniker bekannt ist. Das kompaktierte Material wird danach im Vakuum bei Temperaturen gesintert, die unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer liegen, und zwar bei einer Temperatur von ungefähr 1030° C für eine Zeitdauer von etwa 6,5 Std., um eine Kompaktxerungsdichte von mehr als etwa 97 % der theoretischen Dichte des Materials zu erhalten. Eine hundertfache Vergrößerung eines Querschnitts des Kontaktes gemäß der vorstehenden Herstellungsart ist in Fig. 2 gezeigt, wobei die großen voneinander einen Abstand aufweisenden diskreten Teilchen Chromteilchen sind, während das dazwischenliegende Material das Kupfer darstellt. Zum Vergleich ist in Fig. 3 eine hundertfache Vergrößerung eines Schnittes durch einen kupferinfiltrierten Chrommatrixkontakt gemäß dem Stand der Technik dargestellt, der aus etwa 55 Gew% Chrom und etwa 45 Gew% Kupfer besteht. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen ist, umfaßt das Chrom-

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pulver eine Matrix, die durch Versinterung gebildet ist, wobei die Chromteilchen aneinander anliegen und sich berühren, um eine Matrix zu bilden, in deren Poren später das Kupfer infiltriert wird, indem eine Kupferscheibe in Kontakt mit der Matrix angeordnet und über den Schmelzpunkt von Kupfer erhitzt wird, wodurch die Poren zwischen den Chroro-Matrix-Teilchen gefüllt werden. Es wurde allgemein angenommen, daß eine derartige Chrom-Matrix notwendig ist, um die erforderliche strukturelle Festigkeit mit Antiverschweißeigenschaften und hoher Erosionswiderstandskraft zu erhalten, die für den Vakuum-Trennbetrieb notwendig sind. Das Kontaktmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem viel höherer Kupfergehalt angewendet wird, besitzt höhere Kontaktleitfähigkeit, was zu viel wirksameren elektrischen Stromübertragungseigenschaften während geschlossener Schalterbetriebsweise führt, wobei überraschenderweise der nicht matrixartige Kontakt mit hohem Kupfergehalt auch die entsprechenden Antiverschweißeigenschaften und die gute strukturelle Festigkeit aufweist, die für einen zuverlässigen Vakuum-Unterbrecherbetrieb notwendig ist.

Der Prozentanteil von Kupfer und Chrom bei dem Kontaktmaterial kann von etwa 60 bis 90 Gew% Kupfer variiert werden, wobei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rest Chrom darstellt, um die gewünschten hoch leitfähigen und hoch dichten Kontakte zu bilden.

Gemäß einer Abwandlung des Verfahrens kann die Mischung aus Kupfer- und Chrompulver anfänglich mit einem verhältnismäßig mäßigen Druck von etwa 22 t/Quadratzoll (35 kg/mm ) in einer einachsigen Presse gepreßt werden, um ein mitteldichtes Kompaktmaterial mit einer Dichte von zumindest etwa 80 % der theoretischen Dichte zu erhalten. Dieses Kompaktmaterial wird dann ei Temperaturen unterhalb des Kupferschmelzpunktes vakuumgesintert, beispielsweise bei einer Temperatur von 1030 C für eine Zeit, die ausreicht, um die Dichte auf zumindest etwa 90 % der theoretischen Dichte zu erhöhen. Das teilweise verdichtete Kompaktmaterial wird dann isostatisch mit einem Druck von ungefähr

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50 t/Quadratzoll (79 kg/mm ) gepreßt, um den Kontakt auf mehr als 95 % der theoretischen Dichte weiter zu verdichten. Der Kontakt wird danach für eine kurze Zeit vakuumgesintert, wiederum bei einer Tempratur, die unterhalb des Kupferschmelzpunktes liegt, um so die Verdichtung des Kontaktes auf mehr als ungefähr 97 % der theoretischen Materialdichte abzuschließen.

Die Vakuumsinterungstemperatur kann unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer variiert werden, wobei die Verdichtung ein Faktor der Temperatur und der Zeit ist, wobei ein praktischer Sinterungstemperaturbereich zwischen 960 und 1030 C liegt.

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Claims

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■DR.-ING. Ernst Stratmann

PATENTANWALT D-4000 DÜSSELDORF 1 ■ SCHADOWPLATZ 9

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Düsseldorf, 6. April 1979

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

•Ρ a t e η t a ns ρ r ü c h e :

Verfahren zur Herstellung von elektrischen hochdichten Kupfer-Chrom-Kontakten für Vakuum-Unterbrecher, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfer- und Chrompulver miteinander vermischt werden, wobei das Kupferpulver in einer Menge von etwa 60 bis 90 Gew% des Gesamtgewichtes vorhanden ist, Kaltpressen der vermischten Pulver zur Bildung einer hochdichten Kompaktmasse; und Vakuumsintern der Kompaktmasse bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer, um eine Dichte von mehr als etwa 97 % der theoretischen Dichte für den resultierenden Kontakt zu erhalten.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander vermischten Kupfer- und Chrompulver anfäng-

lieh mit einem Druck von etwa 50 t/Quadratzoll (79 kg/mm ) kaltgepreßt und danach bei einer Temperatur von etwa 960 1030° C vakuumgesintert werden, um die Dichte auf mehr als etwa 97 % der theoretischen Dichte für den sich ergebenen Kontakt zu erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander vermischten Kupfer- und Chrompulver zunächst mit einem Druck kaltgepreßt werden, der ausreicht, um eine mittlere Dichte von zumindest etwa 80 % der theoretischen Dichte zu erhalten, und daß dieser gepreßte Kontakt

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ORIGINAL INSPECTED

mittlerer Dichte bei einer Temperatur vakuumgesintert wird, die unterhalb der Schmelzpunkttemperatur für Kupfer liegt, um die mittlere Dichte auf zumindest etwa 90 % der theoretischen Dichte zu bringen, und daß dieser gesinterte Kontakt dann kaltgepreßt wird bis zu einer hohen Dichte von mehr als etwa 95 % der theoretischen Dichte und dann wiederum bei einer Temperatur vakuumgesintert wird, die unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer liegt, um eine Kontaktdichte von mehr als etwa 97 % der theoretischen Dichte zu erreichen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das GewichtsVerhältnis von Kupfer zu Chrom etwa 75 : 25 beträgt.

Beschreibung:

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