DE2914186C2

DE2914186C2 -

Info

Publication number: DE2914186C2
Application number: DE2914186A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Monroeville Pa. Us Gainer
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-04-13
Filing date: 1979-04-07
Publication date: 1990-06-13
Also published as: DE2914186A1; GB1603370A; CA1118823A; JPS54137670A; US4190753A; JPH0151844B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Schalterkontakten aus Kupfer und Chrom, wobei Kupfer- und Chrompulver miteinander vermischt werden und die ver mischten Pulver in mehreren Stufen abwechselnd gepreßt und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer gesintert werden.

Vakuum-Schalterkontakte werden in Vakuum-Trennschaltern benutzt, die als Schaltkreisschutzeinrichtungen in elektrischen Verteilungsnetzen dienen und einen abge dichteten Kolben umfassen, in dem die Schalterkontakte beweglich angeordnet sind, um einen elektrischen Schaltkreis herzustellen oder zu unterbrechen. Wenn die Schalterkontakte sich in einer geschlossenen, stromübertragenden Stellung befinden, muß es möglich sein, über die Kontakte hohe Ströme bei niedrigem Durchlaßwiderstand zu übertragen. Wenn andererseits die Kontakte zur Schaltkreisöffnung voneinander weg bewegt werden, bildet sich zwischen den Kontakten ein Lichtbogen (der einen Teil des Kontaktmaterials verdampft), gefolgt von einer schnellen Löschung des Lichtbogens und Unterbrechung des Schaltkreises. Die Kontakte müssen leicht voneinander trennbar sein, d. h., sie müssen so aufgebaut sein, daß keine Verschweißung auftritt, damit der Antriebs mechanismus keine unnötig großen Kräfte aufbringen muß, um die Kontakte voneinander wegzubewegen. Ein gewisses Ver dampfen von Kontaktmaterial ist zwar notwendig, um den Lichtbogen kurzzeitig aufrechtzuerhalten, doch sollte eine stärkere Erosion der Kontakte vermieden werden, da dies sonst zu hohen Kontaktübergangswiderstand bei geschlossenen Kontakten und Stromübertragung führt.

Daher ist die Auswahl der Kontaktmaterialien und deren Herstellungsverfahren ein sehr wichtiger Aspekt bei der Konstruktion eines derartigen Vakuum-Trennschalters, und es sind zahlreiche Druckschriften bekannt, die sich mit den damit in Zusammenhang stehenden Problemen beschäftigen.

So beschreibt die US-PS 38 18 163 ein Kontaktmaterial, das aus einer Mischung eines hoch leitfähigem Materials wie Kupfer mit einem wärmefesten Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Chrom oder Wolfram besteht, wobei zunächst eine Chrom- Wolfram-Matrix gebildet wird, in deren Poren dann ge schmolzenes Kupfer eingebracht wird. Gemäß der US-PS 39 60 554 wird ein kleiner Anteil von Kupferpulver mit dem Chrom pulver gemischt, bevor das Chrom gesintert wird, um die Matrix zu bilden, wobei diese Verfahrenseinzelheit (Zu mischung von Kupfer) die Anfangsfestigkeit des kompaktierten Chroms während der Sinterung erhöht und damit die Handhabung des kompaktierten Chroms erleichtert. Anschließend wird dann wiederum zur Fertigstellung des Kontaktes flüssiges Kupfer infiltriert.

Man kann Kupfer und Chrom auch als Pulver miteinander ver mischen und zu einer mittleren Dichte kaltpressen, siehe die US-PS 40 32 301. Der gepreßte Kompaktkörper wird dann unter halb der Schmelztemperatur von Kupfer im Vakuum gesintert, um den Kontakt zu verdichten. Anschließend wird der Kontakt heißgepreßt oder heißverdichtet, um eine endgültige hohe Dichte zu erreichen. Kupfer und Chrom sind gemäß dieser Druckschrift in einem Gewichtsverhältnis von etwa 1 : 1 vor handen.

Aus der DE 23 46 179 A1, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist die Verfahrensweise der eingangs genannten Art bereits bekannt. Bei dem bekannten Verfahren gemäß dieser Druckschrift ist allerdings stets eine abschließende Warm verformung oder Warmverdichtung vorgesehen, was nicht nur die Verfahrensweise kompliziert macht, sondern auch zu Struktureigenschaften des fertigen Kontaktes führt, die noch nicht optimal sind. Wie umfangreiche Versuche ergeben haben, ist es nämlich günstiger, auf dieses Warmverdichten nach dem Sintervorgang zu verzichten und statt dessen eine andere Abfolge von Verfahrensschritten zu wählen, wie noch ausge führt wird. Dabei sind die einzelnen Verfahrensstufen teil weise bereits an sich bekannt. In diesem Zusammenhang sei auf: Kiefer, R. u. a., Sondermetalle, Springer Verlag 1971, Seiten 105, 106, 110 und 111 hingewiesen, in welcher Druck schrift für Zweistoffsysteme der in Rede stehenden Art unterschiedliche Preßdrücke bzw. Sinterungstemperaturen beschrieben. Auch ist dort bekannt, abwechselnd Preß- und Sintervorgänge vorzusehen. Aus: H. Schreiner, Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte, Springer Verlag 1964, Seite 149 bis 154, ist bekannt, daß Einlagerungsverbundwerkstoffe - im Gegensatz zu Tränkwerkstoffen - in beliebiger Zusammen setzung herstellbar sind, während aus dem gleichen Buch, Seiten 48 bis 61, zu entnehmen ist, daß man dann, wenn man die Nachteile des einachsigen Pressens hinsichtlich der Anisotropie des fertigen Materials vermeiden will, ein isostatisches Pressen verwenden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte, aus der DE 23 46 179 A1 bekannte Herstellungsverfahren für Vakuum- Schalterkontakte dahingehend weiter zu verbessern, daß zum einen auf den abschließenden Warmverdichtungsschritt ver zichtet werden kann, andererseits ein Vakuum-Schalterkontakt geschaffen wird, der noch weiter verbesserte Eigenschaften besitzt, insbesondere hinsichtlich möglichst hoher Leit fähigkeit, möglichst hoher struktureller Festigkeit, ge ringer Verschweißeigenschaft, hohem Widerstand gegen Spannungsdurchbrüche und geringer Ausgasung während der Kontaktlichtbogenbildung.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die miteinander ver mischten Kupfer- und Chrompulver in einer ersten Stufe mit einem Druck kaltgepreßt werden, der ausreicht, um eine mittlere Dichte von zumindest 80% der theoretischen Dichte zu erhalten, und daß dieser gepreßte Kontakt mittlerer Dichte in einer zweiten Stufe bei einer Temperatur vakuum gesintert wird, die unterhalb der Schmelzpunkttemperatur für Kupfer liegt, um die mittlere Dichte auf zumindest 90% der theoretischen Dichte zu bringen, und daß dieser gesinterte Kontakt dann in einer dritten Stufe kaltgepreßt wird bis zu einer hohen Dichte von mehr als 95% der theoretischen Dichte und dann in einer vierten Stufe wiederum bei einer Temperatur vakuumgesintert wird, die unterhalb des Schmelz punktes für Kupfer liegt, um eine Kontaktdichte von mehr als 97% der theoretischen Dichte zu erreichen.

Durch diese Kombination von Maßnahmen des Herstellungs verfahrens wird ein Kontakt geliefert, der gegenüber dem Kontakt des Standes der Technik insbesondere hinsichtlich der obengenannten Eigenschaften weiter verbessert ist.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden Kupfer und Chrom in der Weise gemischt, daß das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Chrom 75 : 25 beträgt. Gemäß einer noch anderen Weiterbildung ist es besonders günstig, wenn das Kupfer pulver eine Teilchengröße von 0,05 bis 0,035 mm und das Chrompulver eine Teilchengröße von 0,15 bis 0,074 mm auf weist.

Als besonders erfolgreich hat sich das erfindungsgemäße Verfahren dann erwiesen, wenn das Kaltpressen in der ersten Stufe mit einem Druck von 3410 bar in einer einachsigen Presse erfolgt, und die Vakuumsinterung der zweiten Stufe bei einer Temperatur von 1030°C für eine Zeitdauer erfolgt, die ausreicht, um die Dichte auf zumindest 90% der theoretischen Dichte zu bringen, und dann die Kaltpressung der dritten Stufe isostatisch mit einem Druck von 7750 bar erfolgt, um die Dichte auf mehr als 95% der theoretischen Dichte zu bringen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt

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

Fig. 2 eine 100fach vergrößerte Ansicht des Kontakt materials; und

Fig. 3 in einer ähnlichen Darstellung zu Vergleichs zwecken eine 100fach vergrößerte Ansicht eines matrixartigen Kontaktmaterials gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 ist ein Vakuum-Trennschalter 10 dargestellt, der allgemein aus einem zylindrischen isolierenden Kolben 12 besteht, der abdichtende Endglieder 14 und 16 an den sich gegenüberliegenden Enden des Kolbens 12 aufweist. Eine Kontaktanordnung 18 ist durch das Endglied 14 hindurch geführt und besitzt einen Kupfer-Chrom-Kontakt 20 am An schlußende des leitfähigen Stabes der Kontaktanordnung. Eine andere Kontaktanordnung 22 ist durch das Endglied 16 be weglich 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 Dampf abschirmungen 28, 30 und 32 sind innerhalb des abgedichteten Kolbens um die Kontakte und das Lichtbogengebiet herum angeordnet, und ein Abschirmglied 34 ist für das Balgenglied 24 vorgesehen. Die Abschirmung 28 stellt ein elektrisch freischwebendes zentrales Abschirmglied dar, während die Abschirmungen 30 und 32 sich gegenüberliegende Abschirmungen darstellen, die die Enden der zentralen Abschirmung über lappen, um die Ablagerung von Lichtbogenmaterial auf dem isolierenden Kolben 12 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 kreis förmige Lichtbogenantriebskraft zu erzeugen und auf diese Weise den gebildeten Lichtbogen um den Kontakt herum in Bewegung zu halten und dadurch die örtliche Erhitzung mög lichst klein zu machen.

Zur Herstellung der Kontaktanordnung kann die Scheibe nach Formung noch zusätzlich bearbeitet werden, um die Spiralarme oder andere derartige Oberflächenmerkmale zu liefern.

Typischerweise wird der Kontakt dadurch hergestellt, daß zunächst etwa 75 Gew.-% Kupferpulver und 25 Gew.-% Chrompulver miteinander gründlich vermischt werden, wobei das Kupfer pulver eine Teilchengröße von 0,05 bis 0,035 mm und das Chrompulver eine Teilchengröße von 0,15 bis 0,074 mm be sitzen mag, d. h., daß das Chrompulver eine viel größere Teilchengröße aufweist, als das Kupfer. Das Pulver kann vorbehandelt werden, um den Sauerstoffgehalt möglichst klein zu machen. Die zueinander gegebenen und miteinander ver mischten Kupfer- und Chrompulver werden dann in einem mehr stufigen Verfahren abwechselnd gepreßt und bei einer Tem peratur unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer gesintert: Die zueinander gegebenen und miteinander vermischten Kupfer- und Chrompulvermaterialien werden in einer ersten Stufe mit einem Druck kaltgepreßt, der ausreicht, um eine mittlere Dichte von zumindest 80% der theoretischen Dichte zu er halten. Dazu ist beispielsweise ein Druck von 3410 bar in einer einachsigen Presse ausreichend. Das kompaktierte Material wird danach in einer zweiten Stufe im Vakuum bei Temperaturen gesintert, die unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer liegen, und zwar bei einer Temperatur von 1030°C und einer Zeitdauer, die ausreicht, um die Dichte auf zumindest 90% der theoretischen Dichte zu bringen. In einer dritten Stufe wird dann dieser gesinterte Kontakt wiederum kaltgepreßt und auf eine Dichte von mehr als 95% der theo retischen Dichte gebracht, wobei vorzugsweise die Kalt pressung dieser dritten Stufe isostatisch mit einem Druck von 7750 bar erfolgt. Dieses kalte isostatische Pressen kann dadurch erfolgen, daß das zu pressende Material in einen evakuierten Sack gegeben wird, der abgedichtet und dann in einer hydraulischen Flüssigkeit unter hohen Druck gesetzt wird.

Schließlich wird in einer vierten Stufe der Kontakt wiederum bei einer Temperatur vakuumgesintert, die unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer liegt, um eine Kontaktdichte von mehr als 97% der theoretischen Dichte zu erhalten.

Eine 100fache Vergrößerung eines Schnittes durch einen Kontakt gleicher Zusammensetzung und Enddichte ist in Fig. 2 gezeigt, wobei die großen voneinander einen Abstand aufweisenden diskreten Teilchen Chromteilchen sind, während das da zwischen liegende Material das Kupfer darstellt.

Zum Vergleich ist in Fig. 3 eine 100fache Vergrößerung eines Schnittes durch einen kupferinfiltrierten Chrom- Matrix-Kontakt gemäß dem Stand der Technik dargestellt, der aus etwa 55 Gew.-% Chrom und etwa 45 Gew.-% Kupfer besteht. Wie die Fig. 3 erkennen läßt, umfaßt das Chrompulver eine Matrix, die durch Versinterung gebildet ist, wobei die Chromteilchen aneinander anliegen und sich berühren, um so die Matrix zu bilden, in deren Poren später das Kupfer infiltriert wird, z. B. indem eine Kupferscheibe in Kontakt mit der Matrix angeordnet und über den Schmelzpunkt von Kupfer erhitzt wird, wodurch die Poren zwischen den Chrom-Matrix-Teilchen gefüllt werden. Man hat bisher angenommen, daß eine der artige Chrom-Matrix stets notwendig ist, um die erforder liche strukturelle Festigkeit mit Antiverschweißeigen schaften und hohe Erosionswiderstandskraft zu erhalten, wie für Vakuum-Trennschalter notwendig. Das weiter oben be schriebene Kontaktmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, hat einen höheren Kupfergehalt und damit verbesserte Leitfähigkeit und damit auch einen höheren Wirkungsgrad bei geschlossenem Schalter und weist zudem überraschenderweise auch ohne die matrixartige Struk tur hohe Antiverschweißeigenschaften und hohe strukturelle Festigkeit auf, so daß insgesamt eine erhebliche Ver besserung erreicht worden ist.

Der Prozentanteil von Kupfer in dem erfindungsgemäßen Kupfer-Chrom-Kontaktmaterial kann von etwa 60 bis 90 Gew.-% Kupfer variiert werden, wobei 75 Gew.-% einen besonders günstigen Wert darstellt - Rest jeweils Chrom.

Auch die Vakuumsinterungstemperatur kann unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer variiert werden, wobei die Ver dichtung von Temperatur und Zeit abhängt. In der Praxis hat sich eine Sinterungstemperatur zwischen 960°C und 1030°C als geeignet erwiesen, wobei die Temperatur von 1030°C sich als am günstigsten erwiesen hat.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Vakuum-Schalterkontakten aus Kupfer und Chrom, wobei Kupfer- und Chrompulver miteinander vermischt werden und die vermischten Pulver in mehreren Stufen abwechselnd gepreßt und bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander vermischten Kupfer- und Chrompulver in einer ersten Stufe mit einem Druck kaltgepreßt werden, der ausreicht, um eine mittlere Dichte von zumindest 80 % der theoretischen Dichte zu erhalten, und daß dieser gepreßte Kontakt mittlerer Dichte in einer zweiten Stufe bei einer Temperatur vakuumgesintert wird, die unterhalb der Schmelzpunkttemperatur für Kupfer liegt, um die mittlere Dichte auf zumindest 90% der theo retischen Dichte zu bringen, und daß dieser gesinterte Kontakt dann in einer dritten Stufe kaltgepreßt wird bis zu einer hohen Dichte von mehr als 95% der theo retischen Dichte und dann in einer vierten Stufe wiederum bei einer Temperatur vakuumgesintert wird, die unterhalb des Schmelzpunktes für Kupfer liegt, um eine Kontaktdichte von mehr als 97% zu theoretischen Dichte zu erreichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Chrom 75 : 25 be trägt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupferpulver eine Teilchengröße von 0,05 bis 0,035 mm und das Chrompulver eine Teilchengröße von 0,15 bis 0,074 mm aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Kaltpressen in der ersten Stufe mit einem Druck von 3410 bar in einer einachsigen Presse erfolgt, und daß die Vakuumsinterung der zweiten Stufe bei einer Temperatur von 1030°C und für eine Zeitdauer erfolgt, die ausreicht, um die Dichte auf zumindest 90% der theoretischen Dichte zu bringen, und daß dann die Kaltpressung der dritten Stufe isostatisch bei einem Druck von 7750 bar erfolgt, um die Dichte auf mehr als 95% der theoretischen Dichte zu bringen.