DE2948805A1

DE2948805A1 - Kontaktwerkstoff fuer vakuum-schutzschalter o.dgl.

Info

Publication number: DE2948805A1
Application number: DE19792948805
Authority: DE
Inventors: Masaru Kato
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1979-12-04
Publication date: 1980-06-12
Also published as: GB2041980A; GB2041980B; US4430124A; DE2948805C2; JPS5578429A

Description

Henkel, Kern, Fetor fr Hiruel Il Patentanwalt·

stared Representatives

re the

European Patent Office Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, MÄhtetraee37 Tokio, Japan D-βΟΟΟMünchen80

TeL: 088/982085-67

Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

FAM-4572

*. Oez. 1979

Kontaktwerkstoff für Vakuum-Schutzschalter o.dgl.

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff für Vakuum-Schutz- bzw. -Leistungsschalter und dgl.

Ein Vakuum-Schutzschalterkontakt muß im allgemeinen die folgenden Eigenschaften besitzen:

1. Hohe (dielektrische) Durchschlagsfestigkeit, 2. die Fähigkeit, große elektrische Ströme zu unterbrechen, 3. niedrigen Abreißstrom, 4. geringe Neigung zu einem Verschweißen, 5. geringen Fertigungs-Abfallanteil sowie 6. niedrigen Kontaktwiderstand usw.

In der Praxis erweist es sich jedoch als sehr schwierig, derartigen Kontakten alle geforderten Eigenschaften zu verleihen. Die bisher verwendeten Kontakte besitzen daher die wesentlichsten der angegebenen Eigenschaften unter Verzicht auf bestimmte andere Eigenschaften.

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Beispielsweise besitzt ein bisheriger, sog. Cu-W-Vakuumschutz- schalterkontakt aus einer mit Kupfer (Cu) imprägnierten ge sinterten Matrix aus Wolfram (H) zwar zufriedenstellende (dielektrische) Durchschlagsfestigkeit, während andererseits dabei der Abreißstrom groß und die Neigung zu einem Verschwei ßen bzw. die Verschweißkraft ausgeprägt ist.

Die erwähnte Verschweißneigung oder -kraft bezieht sich auf das Anschmelzen und Verschweißen zwischen zwei Kontaktteilen unter der Jouleschen Wärme, die durch die Größe des zwischen den beiden Kontaktteilen fließenden elektrischen Stroms und die Größe des Kontaktwiderstands zwischen den Kontaktteilen beim Schließen derselben bestimmt wird. Diese Verschweißkraft wird als Kraft (in kg) ausgedrückt, die zum Trennen der beiden Kontaktteile nötig ist.

Der bisherige Cu-W-Kontakt wird durch Einlagern bzw. Eindif fundieren von Cu in eine W-Matrix, die nach dem Pulvermetallurgie- verfahren auf eine vorbestimmte Dichte gesintert wird/ herge stellt. Die infiltrierte Cu-Menge hängt von der Dichte der W-Matrix ab.

Im allgemeinen ist keine nennenswerte metallurgische Reaktion zwischen W und Cu in einer infiltriertes Cu enthaltenden W-Matrix zu beobachten. Dies bedeutet, daß die Leistung des Cu-W-Kontakts von den einzelnen physikalischen Eigenschaften von W und Cu im Gefüge des W-Skeletts, in welchem Cu dispergiert ist, abhängt. Die Leistung bzw. das Verhalten eines Cu-W-Kontakts wird daher in großem Maße durch die Teilchengröße des Wolframs (W) bestimmt. Je kleiner beispielsweise die Teilchengröße von W ist, um so gleichmäßiger ist die Kupferverteilung, so daß auch der Abreißstrom und die Verschweißbarkeit abnehmen.

Das Verhältnis zwischen dem größten Wert und dem kleinsten Wert

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der Wolframteilchengröße Im bisherigen Kontaktmaterial beträgt jedoch mehr als 10; das Wolfram besitzt in diesem Kontaktwerkstoff somit verschiedene Teilchengrößen. Eine Beschränkung der Größe der W-Teliehen auf 2 um oder weniger ist ebenfalls nicht durchführbar, weil dann die Infiltration von Cu schwieriger wird.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der geschilderten Nachteile und Mängel des Stands der Technik durch Schaffung eines höchst zuverlässigen Cu-W-Kontaktwerkstoffs, der in bezug auf Verschweißneigung und Abreißstrom ausgezeichnete Eigenschaften besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Wolframteilchenverteilung eines Cu-W-Kontakts einerseits sowie dem Abreißstrom und der Verschweißkraft andererseits,

Fig. 2 eine Elektronenmikroskop-Aufnahme (4200-fache Vergrößerung) des Gefüges eines erfindungsgemäß hergestellten Cu-W-Kontakts und

Fig. 3a schematisch die äußere Form eines zylindrischen Kontakts mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Brei te (Dicke) von 8 mm, die mit Fig. 3b korrespondiert, welche die Beziehung zwischen der Größe von W-Teilchen und der Tiefe eines W-Skeletts veranschaulicht.

Erfindungsgemäß wird die W-Teilchengröße in einem Cu-W-Kontakt(werkstoff) so gesteuert, daß sich die Teilchen nicht ver-

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größern und anwachsen. Dem Kontaktwerkstoff können somit stabile und zuverlässige Eigenschaften verliehen werden, indem das Wachsen der elementaren W-Teilchen und auch eine Zunahme der Teilchengröße des Wolframs durch Wärmeeinwirkung beim Haupt-Erwärmungsvorgang während der Herstellung, beispielsweise beim Sintern des Wolframs und bei der Cu-Infiltration, verhindert werden.

Es hat sich gezeigt, daß die Teilchengröße von W nach elementarer Teilchengröße und aufgrund des Erwärmungsvorgangs vergrößerter Teilchengröße unterschieden werden muß. Ein Cu-W-Kontakt(werkstoff), in welchem Cu günstiger dispergiert ist, kann bei effektiver Steuerung beider dieser Teilchengrößen erhalten werden.

Ersichtlicherweise wird die Cu-Einlagerung schwierig, wenn die elementare Teilchengröße allzusehr begrenzt ist. Erfindungsgemäß erweist sich jedoch die Infiltration in Wolfram mit geringer elementarer Teilchengröße von z.B. 0,3 - 2 μπι bei Anwendung des Vakuum-Infiltrationsverfahrens als möglich. Wie aus der graphischen Darstellung von Fig. 1 hervorgeht, werden die Eigenschaften bezüglich Verschweißneigung und Abreißstrom verbessert, wenn die elementare W-Teilchengröße auf einem kleinen Wert von vorzugsweise 2 um oder weniger gehalten wird. Wenn andererseits die elementare W-Teilchengröße nicht mehr als 0,3 um beträgt, gestaltet sich die Cu-Infiltration schwierig.

Es hat sich auch erwiesen, daß die Cu-Infiltration bei einem W-Skelett einfach wird, das durch Sintern von W in einem Gemisch mit einer vorbestimmten Menge eines Zusatzmaterials, wie Cu, Ni, Ta oder einem Gemisch davon, hergestellt wird.

Erfindungsgemäß kann das Verhältnis größte Teilchengröße/kleinste Teilchengröße von Wolfram zur absoluten W-Teilchengröße

wie folgt eingestellt werden: Beispielsweise wird ein W-Skelett derart in einen Graphit-Tiegel eingebracht, daß es mit dem Tiegel über zu infiltrierendes bzw. eindiffundierendes Kupfer (Cu) in Berührung steht, worauf das Cu durch Hochfrequenzerhitzung geschmolzen und in das W-Skelett infiltriert bzw. eindiffundiert wird. Bei diesem Vorgehen wird zunächst die Temperatur des Kupfers erhöht, und wenn dessen Temperatur den Schmelzpunkt von 1083⁰C übersteigt, diffundiert Cu allmählich in das W-Skelett ein.Da hierbei die W-Teilchen von Cu umhüllt sind, kann ein lokales Anwachsen der W-Teilchen auch dann wirkungsvoll verhindert werden, wenn die Temperaturverteilung im W-Skelett im Temperaturbereich von 1083⁰C oder höher ungleichmäßig ist. Obgleich die beschriebene Arbeitsweise bevorzugt wird, kann das W-Skelett gewünschtenfalls auch unmittelbar in den Tiegel eingebracht werden.

Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel eines nach dem beschriebenen Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Cu-W-Kontaktwerkstoffs. Pig. 2 zeigt in 4200-facher Vergrößerung eine Elektronenmikroskopaufnahme des Gefüges einer Spaltfläche des Cu-W-Kontaktwerkstoffs. Dabei stellen die kugelförmigen Objekte Wolfram dar, während die streifenförmigen schwarzen und weißen Bereiche das zwischen die W-Teilchen eindiffundierte bzw. infiltrierte Kupfer darstellen. Bei dieser Probe betrugen die mittlere W-Teilchengröße 1,5 um und der Gesamtgehalt an Cu 20 Gew.-%. Die Teilchengrößenverteilung in Richtung der Dicke dieses Cu-W-Kontakts zeigte, daß sich die Teilchen im Zentralbereich etwas vergrößert hatten, während die Teilchengrößen in der Nähe beider Oberflächen praktisch gleich sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zunächst das einzudiffundierende Kupfer in einen Graphit-Tiegel eingegeben, worauf auf das Kupfer ein W-Skelett aufgesetzt und auf dieses weiteres Kupfer zur Infiltration aufgegeben wird. Die obere und die untere Cu-Masse werden bei Hochfrequenzerhitzung auf mehr als 1083⁰C in das W-Skelett eindiffundiert. Da der zentrale Teil des W-Skeletts zuletzt vom Cu infiltriert wird, können die W-Teilchen in diesem zentralen Teil leicht anwachsen. Dieses

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geringfügige Anwachsen der W-Teilchen im zentralen Teil beeinträchtigt jedoch die Eigenschaften des Kontaktwerkstoffs in keiner Heise, weil es ausgeschlossen ist, daß der zentrale Teil des Kontakts während seiner Betriebslebensdauer mit dem Gegenkontaktte11 in Berührung kommt.

Fig. 3a veranschaulicht die äußere Form eines zylindrischen Kontakts mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Breite (DIkke) von 8 mm, die mit Fig. 3b korrespondiert, wobei dieser Kontakt in einer Weise angeordnet ist, die wiederum die Beziehung zwischen der Teilchengröße des Wolframs und der Tiefe des W-Skeletts zeigt.

Die Kurve S-5 von Fig. 3b veranschaulicht die genannte Beziehung für eine Cu-W-Probe, die in der Weise hergestellt wurde, daß ein W-Skelett in unmittelbarer Berührung mit einem Graphit-Tiegel in diesen eingegeben, auf das W-Skelett zu infiltrierendes bzw. eindiffundierendes Cu aufgelegt und die Anordnung sodann erhitzt wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Innenbereich des Wolframs stark erwärmt, so daß die W-Teilchen anwachsen, bevor Cu in diesen Bereich eindringt. Die mittlere Grüße der W-Teilchen vergrößert sich also mit zunehmender Tiefe. Der Cu-Gehalt betrug bei diesem Beispiel 10 Gew.-%.

Die Kurve S-15 in Fig. 3b zeigt dieselbe Beziehung für eine Probe, die in der Weise hergestellt wurde, daß in den Graphit-Tiegel zunächst Cu, sodann ein W-Skelett und hierauf weiteres Cu eingegeben wurden. In diesem Fall dringt Cu von beiden Enden her so schnell in das W-Skelett ein, daß die W-Teilchen an einer gegenseitigen Verbindung gehindert werden. Infolgedessen vergrößern sich auch die W-Teilchen im zentralen Bereich nicht so stark. Der Cu-Gehalt betrug bei diesem Beispiel 20 Gew.-%. Obgleich diese zweite Probe vorteilhafter ist, ist auch die zuerst beschriebene Probe für praktischen Einsatz brauchbar.

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Da somit beim erfindungsgemäßen Cu-W-Kontaktwerkstoff im Vergleich zum bisherigen Kontaktmaterial, das nicht auf die erfindungsgemäße Weise behandelt worden ist, die W-Teilchengröße kleiner und das Kupfer gleichmäßiger im gesamten W-Skelett dispergiert ist, verringern sich Abreißstrom und Verschweißneigung. Da weiterhin die W-Teilchengröße in jedem Teil gleichmäßig ist, bleibt die Größe des Abreißstroms und der Verschweißkraft stabil bzw. konstant, so daß ein sehr zuverlässiger Kontakt mit besserem Leistungsverhalten als ein bisheriger Cu-W-Kontakt erhalten wird.

Wie erwähnt, besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, das Verhältnis zwischen größter und kleinster Teilchengröße des Wolframs auf höchstens 10 zu halten, indem die elementare Teilchengröße des Wolframs und das Wachsen der W-Teilchen während des Erwärmungsvorgangs gesteuert werden.

Vorzugsweise wird die Größe der W-Teilchen auf höchstens 2 um und mindestens 0,3 μπι eingestellt.

Fig. 1 veranschaulicht die Beziehung der W-Teilchenverteilung eines Cu-W-Kontakt(werkstoffs) in Abhängigkeit vom Abreißstrom und von der Verschweißkraft. Fig. 1 zeigt die Bereiche der Meßwerte von Abreißstrom und Verschweißkraft für einen Vergleichs-Cu-W-Kontakt mit größten W-Teilchen von 15 ρ und kleinsten W-Teilchen von 1 um sowie für einen erfindungsgemäßen Cu-W-Kontakt, bei dem die W-Teilchen eine maximale Größe von 2 um und eine kleinste Größe von 0,5 um besitzen. Aus Fig. 1 geht deutlich hervor, daß die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kontakts bezüglich Abreißstrom und Verschweißtendenz wesentlich besser sind als beim Vergleichs-Kontakt.

Mit der Erfindung wird also ein höchst zuverlässiger Vakuum-Schutzschalter- oder -Leistungsschalter-Kontaktwerkstoff geschaffen, der ausgezeichnete Eigenschaften bezüglich (dielektrischer)

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Durchschlagsfestigkeit, Abreißstrom und Verschweißneigung gewährleistet und der für den praktischen Einsatz hervorragend geeignet ist.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler Cr Hänzel Patentanwalt·

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, MöNstraBe37

Tokio, Japan D-βΟΟΟMünchen80

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkl d

Telegramme: ellipsoid

FAM-4572

h. Dez. 1979

Kontaktwerkstoff für Vakuum-Schutzschalter o.dgl.

Patentansprüche

{ 1.jKontaktwerkstoff für Vakuum-Schutz- oder -leistungsschalter, hergestellt durch Infiltration bzw. Eindiffundieren von Kupfer in eine gesinterte Wolframmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der größten und der kleinsten Wolframteilchengröße nicht mehr als 10 beträgt.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframteilchen eine Größe von nicht mehr als 2 μπι und nicht weniger als 0,3 μπι besitzen.

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