DE2922075C2

DE2922075C2 - Kontaktwerkstoff für einen Vakuumunterbrecher

Info

Publication number: DE2922075C2
Application number: DE2922075A
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Amagasaki Hyogo Horiuchi; Masaru Kato; Hitoshi Takeuchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-05-31
Filing date: 1979-05-30
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS54157284A; DE2922075A1; JPS598015B2; GB2024258A; GB2024258B; US4302514A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kontaktwerkstoffs für einen Vakuumunterbrecher, welcher ausgezeichnete Eigenschaften aufweist, insbesondere eine hohe Spannungsfestigkeii, geringe Schweißneigung, eine hohe Stromfestigkeit und einen geringen Abreißstrom.

Ein Kontakt für einen Vakuumunterbrecher sollte folgende wichtige Eigenschaften aufweisen:

(1) ausgeprägte Unterbrechereigenschaften in einem Stromunterbrecher;

(2) eine hohe Spannungsfestigkeit;

(3) einen geringen Kontaktwiderstand;

(4) geringe Schweißneigung;

(5) eine geringe Kontakterosion und

(6) einen geringen Abreißstrom.

Es ist schwierig, einen Kontakt herzustellen, der praktisch verwendbar ist und die obigen Forderungen allesamt befriedigend erfüllt. Man hat sich daher bisher damit begnügt, Kontakte zu verwenden, welche einige dieser wichtigen Eigenschaften aufweisen und in anderer Hinsicht unzureichend sind, und zwar je nach der speziellen Verwendung in einem Vakuumunterbrecher. Zum Beispiel hat man in der Hauptsache eine Kupfer-Wismut-Legierung (Cu-Bi) als Kontakt für Vakuumunterbrecher verwendet. Die Erfahrung hat jedoch gelehrt, daß ein Kontakt aus Cu-Bi-Legierung mit weniger als 0,5 Gew.-% Bi einen hohen Abreißstrom aufweist, während ein Kontakt aus einer Cu-Bi-Legierung mit mehr als 0,5 Gew.-% Bi eine relativ niedrige Spannungsfestigkeit hat. Wenn der Abreißstrom groß ist, so besteht die Möglichkeit einer überhöhten Spannung zwischen den Kontakten. Wenn die Spannungsfestigkeit gering ist, so kann der Kontakt nicht in einem Hochspannungsstromkreis verwendet werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kontaktwerkstoff für einen Vakuumunterbrecher zu schaffen, welcher ausgezeichnete Eigenschaften aufweist, und zwar insbesondere eine hohe Spannungsfestigkeit, geringe Schweißneigung, eine große Stromfestigkeit und einen geringen Abreißstrom.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kontaktwerkstoff nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung des Durchmessers des Chrornpulvers in einem Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff und der Schweißkraft; Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung des Durchmessers des Chrompulvers in einem Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff zu der Spannungsfestigkeit;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung des Gehalts an Chrom in einem Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff zu dem Abreißstrom; und Fig. 4 eine graphische Darstellung des Abreißstroms, der Schweißkraft und der Spannungsfestigkeit eines erfindungsgemäßen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffs und zweier herkömmlicher Kupfer-Chrom-Kontakte.

Im lolgenden wird die Brauchbarkeit von Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffen anhand von Beispielen erläutert. Die Schweißkraft des Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffs wird herabgesetzt durch Steigerung des Durchmessers des Chrompulvers bei gleichbleibendem Verhältnis von Chrom zu Kupfer. Fig. 1 zeigt die Beziehung des Durchmessers des Chrompulvers im Kupfer-Chrom-Kontakt zur Schweißkraft unter spezifischen Bedingungen. Die Bedingungen sind so gewählt, daß der Strom, die Zeitdauer des Stromflusses und das Verhältnis von Chrom zu Kupfer stets gleich sind. Man erkennt, daß die Schweißkraft des Kupfer-Chrom-Kontakts durch Steigerung des Durchmessers des Chrompulvers verringert wird. Man erkennt aus Fig. 1, daß die Schweißkraft insbesondere gering ist im Falle eines Durchmessers des Chrompulvers von mehr als 80 μηι. Zur weiteren Untersuchung wurden durch Verschweißen miteinander verbundene Kupfer-Chrom-Kontakte zwangsweise getrennt, und die Trennflächen wurden mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, daß die Trennung an drei Arten von Stellen erfolgte, mänlich am Kupfer selbst, an der Grenze zwischen dem Chrompulver und dem Kupfer und am Chrompulver selbst. Die angegebene Reihenfolge bildet die Reihenfolge so der Bruchfestigkeiten der Trennpositionen. Diese Tatsache zeigt, daß die Schweißkraft oder die Bruchfestigkeit der Kupfer-Chrom-Legierung mit steigendem Durchmesser des Chrompulvers verringert wird. Andererseits wird die Verteilungsdichte des Chrompulvers zum Kupfer erhöht, und die thermische Kapazität des Chroms selbst wird gesenkt, wenn man den Durchmesser des Chrompulvers senkt, und zwar im Falle eines gleichbleibenden Verhältnisses von Chrom zu Kupfer. Daher wird leicht eine feste μ Lösung der Kupfer-Chrom-Legierung in den Schmelzbindepositionen gebildet. Hierdurch wird die Schweißkraft, d. h. die Bruchfestigkeit der Kontakte aus der Kupfer-Chrom-Legierung erhöht.

Die Spannungsfestigkeit der Kupfer-Chrom-Legie-

rung wird mit steigendem Durchmesser der Chrömteilchen erhöht, bei gleichbleibendem Verhältnis von Chrom, zu Kupfer.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Versuchen. Die

charakteristischen Kurven der Fig. 2 zeigen die Beziehung des Durchmessers des Chrompulvers zu der Bogenzeit zwischen den Kupfer-Chrom-Kontakten ■kiit gleichem Verhältnis von Chrom zu Kupfer unter den Bedingungen gleicher Spannung und gleicher Zeitdauer der Spannungsbeaufschlagung. Man erkennt aus den charakteristischen Kurven, daß die Bogenzeit des Kupfer-Chrom-Kontakts mit abnehmendem Durchmesser des Chrompulvers abnimmt. Dieses Phänomen beruht auf der Tatsache, daß Chrom eine höhere Spannungsfestigkeit im Vakuum aufweist als Kupfer tind daß die disperse Verteilung des Chrompulvers im Kupfer mit Erhöhung des Durchmessers des Chrompulvers verbessert wird. Gemäß Fig. 2 ist die Bogeiuieii im Falle eines durchschnittlichen Teilchendurchmessers des Chrompulvers von weniger als 30 μΐη äußerst niedrig.

Aufgrund der obigen Versuche wird ein hervorragender Kontakt mit hoher Spannungsfestigkeit und großer Stromfestigkeit erhalten durch Kombination von zwei Arten von hochschmelzenden Metallpulvern (z. B. Chrom) mit unterschiedlichen Durchmessern und durch Einbringen dieser Metallpulver in eine Kupfermatrix. Die Schweißneigung des Kontakts wird durch den Einfluß des hochschmelzenden Metallpulvers mit großem Teilchend irchmesser gemildert, während die Spannungsfestigkeit des Kontakts durch den Einfluß des hochschmelzenden Metallpulvers mit geringem Teilchendurchmesser verbessert wird.

Versuche haben gezeigt, daß Metalle mit einem Schmelzpunkt über 1450^c C, ζ B. Cr, Fe, W, Mo. L und Co, als hochschmelzendes Metallpulver bevorzugt wird. Man kann nur ein einziges hochschmelzendes Metall einsetzen oder aber auch ein Gemisch dieser Metalle. Es ist ferner möglich, ein Legierungspulver einzusetzen, welches mindestens ein Element aus der Gruppe Fe, W, Ir, Cr, Co und Mo enthält, vorzugsweise als Hauptkomponente. Insbesondere kann das Legierungspulver aus diesen Metallen bestehen.

Der Kontaktwerkstoff für einen Vakuumunterbrecher wird hergestellt durch gleichförmige Verteilung der zwei Arten von hochschmelzendem Metallpulver mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1450° C und mit unterschiedlichem Teilchendurchmesser von einmal (1) 80 bis 300 μΐη und zum anderen (2) weniger als 30 μ in der Kupfermatrix. Der Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff kann durch Pulvermetallurgie hergestellt werden.

Versuche haben gezeigt, daß mindestens etwa 10 Gew.-% des Chrompulvers erforderlich sind, um einen befriedigend niedrigen Abreißstrom im Falle eines Kupfer-Chrom-Kontakts zu verwirklichen.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand einer Ausführungsform eines Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffs erläutert. Es muß jedoch betont werden, daß die gleichen Überlegungen auch für Kontaktwerkstoffe aus Kupfer und einem der anderen hochschmelzenden Metallpulver (zwei verschiede ne Arten von Teilchendurchmessern) gelten.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Gehalt des Chrompulvers (Gew.-%) im Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff und dem Abreißstrom für den Fall, daß die Messung 50mal in der gleichen Schaltung und unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wurde.

Man erkennt, daß der Abreißstrom des Kupfer-

25	30	(50%)	250	(50%)
25	75	(50%)	250	(50%)
75	75

Chrom-Kontakts mit steigendem Gehalt (Gew.-%) des Chrompulvers verringert wird. Wenn der Gehalt des Chrompulvers über 10 Ge\v.-% liegt, so ist der Abreißstrom äußerst gering. Dieses Phänomen kann folgendermaßen erklärt werden. (1) Die Kupfermatrix wird in einem höheren Maße durch das Chrompulver unterbrochen, wenn der Kupfer-Chrom-Kontakt einen Gehalt von mehr als 10 Gew.-% Chrompulver aufweist im Vergleich zu einem Kupfer-Chrom-

Kontakt mit einem geringeren Gehalt an Chrompulver. (2) Die Leitfähigkeit von Chrom ist wesentlich geringer als die Leitfähigkeit des Kupfers, so daß der Laststrom in der Hauptsache über die Kupfermatrix fließt. Der Abreißstrom des Kupfer-Chrom-Kontakts

is wird verringert bei Steigerung der Temperatur der Kupfermatrix im Falle des gleichen Laststroms.

Fig. 4 zeigt den Abreißstrom, die Schweißkraft und die Bogenzeit von erfindungsgemäßen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffen und von herkömmlichen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffen. In Fig. 4 werden Kupfer-Chrom-Kontakte a, b, c mit dem folgenden Gehalt an Chrompulver und dem folgenden Teilchendurchmesser des Chrompulvers verwendet.

Symbol Chromgehalt Durchmesser des Chrom-(Gew.%) pulvers (μηι)

a
b

JO C

Man erkennt aus Fig. 4, daß der erfindungsgemäße Kupfer-Chrom-Kontakt (Bedingung a) ausgezeichnet niedrige Schmelzbindeeigenschaften, einen geringen Abreißstrom und eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist. Ferner wurden weitere Eigenschaften der erfmdungsgemäßen Kupfer-Chrom-Kontakte untersucht, z. B. die Unterbrechereigenschaften bei großem Strom, die Lichtbogenzeit beim Unterbrechen, die Kontaktfestigkeit, die Erosion des Kontakts und die Härte. Es wurde festgestellt, daß die erfmdungsgemäßen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffe hinsichtlich aller dieser Eigenschaften den herkömmlichen Kontakten überlegen sind. Es wurde bestätigt, daß Kupfer-Chrom-Kontakte, welche hergestellt wurden durch Einfügen von Chrompulver mit einem Teilchendurchmesser von 30 μπι und von Chrompulver mit einem Teilchendurchmesser von 250 μπι in die

so Matrix ausgezeichnete Eigenschaften des Kontakts aufweisen, und zwar insbesondere eine hohe Spannungsfestigkeit, eine große Strombeständigkeit und einen geringen Abreißstrom.
Vorstehend wurden Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffe anhand von Beispielen erläutert. Es muß jedoch betont werden, daß auch die anderen hochschmelzenden Metallpulver, insbesondere W, Mo, Ir oder Co, anstelle des Chrompulvers verwendet werken können zur Herstellung eines Kontakts mit einer

μ hohen Spannungsfestigkeit, einer großen Strombeständigkeit und einem geringen Abreißstrom. Der erfindungsgemäße Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff kann hergestellt werden durch einen Schmelz-Gießprozeß bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des hochschmelzenden Metallpulvers oder durch einen Pulvermetallurgieprozeß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kontaktwerkstoff für Vakuumunterbrecher mit einem gleichmäßig in einer Kupfermatrix verteilten Pulver eines oberhalb 1450° C schmelzenden Metalls, gekennzeichnet durch mehr als 10 Gew.-% des Pulvers, dessen Teilchen sich einerseits auf den Durchmesserbereich von 80 bis 300 μπι und andererseits auf den Durchmesserbereich von weniger als 30 μπι, jedoch nicht auf den dazwischen liegenden Durchmesserbereich aufteilen.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Pulvers ausgewählt ist aus den Elementen W, Mo, Ir, Cr, Fe, Co oder Mischungen derselben oder Legierungen mit diesen Elementen als Hauptkomponente.

3. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt wurde oder durch Gießen eines Gemisches des Pulvers und des geschmolzenen Kupfers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvers.