DE2948805C2

DE2948805C2 - Wolfram-Kupfer-Tränkwerkstoff für Vakuumschalter

Info

Publication number: DE2948805C2
Application number: DE2948805A
Authority: DE
Inventors: Masaru Kyoto Kato
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-12-06
Filing date: 1979-12-04
Publication date: 1983-08-04
Also published as: JPS5578429A; US4430124A; DE2948805A1; GB2041980A; GB2041980B

Description

1. Hohe (dielektrische) Durchschlagsfestigkeit,

2. die Fähigkeit, große elektrische Ströme zu unterbrechen,

3. niedrigen Abreißstrom,

4. geringe Neigung zu einem Verschweißen,

5. geringe»; Fertigungs-Abfallanteil sowie

6. niedrigen Kontaktwiderstand.

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

Beispielsweise besitzt ein bisheriger Cu-W-Vakuumschalterkontakt aus einer mit Kupfer (Cu) imprägnierten gesinterten Matrix aus Wolfram (W) zwar zufriedenstellende (dielektrische) Durchschlagsfestigkeit, während andererseits dabt-J der Abreißstrom groß und die Neigung zu eimm Verschweißen 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 ausgedrückt, die zum Trennen der beiden Kontaktteile nötig ist.

Der bisherige Cu-W-Kontakt wird durch Einlagern bzw. Eindiffundieren von Cu in eine W-Matrix, die nach dem Pulvermetallurgieverfahren auf eine vorbestimmte Dichte gesintert wird, hergestellt. Die infiltrierbare Cu-Menge hängt von der Dichte der W-Matrix ab.

Ein bekannter Kontaktwerkstoff dieser Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 24 426 bekannt. Dort ist ein Vakuumschalter beschrieben, der ein Kontaktstück aus einem Wolfram-Kupfer-Verbundkörper besitzt, wobei das Kupfer in das fertiggesinterte Wolframgerüst mit einem Porengehalt von ca. 40 Vol.-% eingeschmolzen ist. Angaben über die Teilchengröße des Wolframs sind dort jedoch nicht gemacht, ebensowenig sind die Zusammenhänge zwischen der Teilchengröße des Wolframs und dem Abreißstrom sowie der Verschweißbarkeit aufgezeigt.

Aus dem Buch »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe« von R. Kieffer und W. Hotop, Springer-Verlag, 1948, ist es bekannt, Wolframpulver zur Herstellung eines Wolfram-Kupfer-Tränkwerkstoffes zu verwenden. Dabei werden Korngrößen des Wolframpulvers in verschiedenen Bereichen von 1 bis 400 μπι erwähnt. In dem Bereich mit dem feinsten Wolframpulver beträgt die Teilchengröße zwischen I und 20 μιτι. Das Wolfram

besitzt also bei dem bekannten Kontaktwerkstoff sehr unterschiedliche Teüchengrößen, was sich wiederum nachteilig auf die infiltrierbare Kupfermenge auswirkt. Außerdem ist dort ebenfalls der Zusammenhang zwischen Teilchengröße und Verschweißneigung bzw. Abreiöstrom nicht angesprochen.

Aus dem Buch »Kontaktwerkstoffe in der Elektrotechnik«, Akademieverlag Berlin 1962!, sind Wolfram-Kupfer-Tränkwerkstoffe bekannt, bei denen Wolframpulver mit Teüchengrößen von 0,5 μπι bis zu 1 μΐη verwendet werden und die im Vakuum nach verschiedenen Verfahren getränkt werden. Im übrigen ist auch aus dieser Literaturstelle kein Anhaltspunkt zu entnehmen, wie die Verschweißneigung und der Abreißstrom eines Kontaktwerkstoffes durch die Wahl der Teilchengröße beeinflußt werden können.

Aus dem Buch »Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte« von H.Schreiner, 1964, ist e? ebenfalls bekannt, zur Bildung eines Verbundwerkstoffes ein aus Wolframpulver hergestelltes und mit Kupfer getränktes Skelett zu verwenden. Allerdings ist auch dort kein Zusammenhang zwischen der Teilchengröße des Wolframs und der Verschweißneigung bzw. dem Abreißstrom hergestellt.

Aus der GB-PS 11 30 995 ist ein W-Cu-Tränkwerkstoff bekannt, bei dem beispielsweise Teüchengrößen des Wolf ram-Ausg ingsmaterials von 1 — 10 μπι verwendet werden. Durch den Zusatz von Titan wird dort eine Verbesserung der Benetzung des Wolframs mit Kupfer angestrebt.

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 Kupferverteüung, so daß auch der Abreißstrom und die Verschweißbarkeit: abnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter zu schaffen, der in bezug auf Verschweißneigung und Abreißstrom ausgezeichnete Eigenschaften besitzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wolframteilchen im fertigen Werkstoff eine Größe von 0,5 0—2 μίτι aufweisen.

Mit der Erfindung wird also ein höchst zuverlässiger Vakuumschalter-Kontaktwerkstoff geschaffen, der ausgezeichnete Eigenschaften bezüglich (dielektrischer) Durchschlagsfestigkeit, Abreißstrom und Verschweißneigung gewährleistet und der für den praktischen Einsatz hervorragend geeignet ist.

Bei der Herstellung eines derartigen Kontaktwerkstoffs wird zweckmäßigerweise die W-Teilchengröße so gesteuert, daß sich die Teilchen nicht vergrößern und anwachsen. Dem Kontaktwerkstoff können somit stabile und zuverlässige Eigenschaften verliehen werden, in dem 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 anfängliche: Teilchengröße von W bei herkömmlichen Verfahren aufgrund des

Erwärmungsvorgangs stark anwächst. Wenn es ge'ingt, dieses Abwachsen weitgehend zu verhindern, erhält man einen Cu-W-Kontaktwerksioff, in welchem Cu günstiger dispergiert ist.

Ersichtlicherweise wird die Cu-Einlagerung schwierig, wenn die elementare Teilchengröße allzusehr begrenzt wird. Die Infiltration in Wolfram mit geringer anfänglicher Teilchengröße von z. B. 0,3—2 μΐη erweist sich jedoch bei der Anwendung des Vakuum-Infiltrationsverfahrens als möglich. Wenn andererseits die '" elementare W-Teilchengröße nicht mehr als 03 μΐη 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, Ti₁ Ta oder einem Gemisch davon, hergestellt wird.

Das Verhältnis von größter Teilchengröße zu kleinster Teilchengröße von Wolfram kann wie folgt eingestellt werden: Beispielsweise wird ein W-Skelett ²" derart in einen Graphit-Tiegel eingebracht, daß es mit dem Tiegel über zu infiitrierendes bzw. eindiffundierendes Kupfer (Cu) in Berührung steht, woraui das Cu durch Hochfrequenzerhitzung geschmolzen und in das W-Skelett infiltriert bzw. eindiffundiert wird. Bei diesem ^2> Vorgehen wird zunächst die Temperatur des Kupfers erhöht, und wenn dessen Temperatur den Schmelzpunkt von 1083° C übersteigt, diffundiert Cu allmählich in das W-Skelett ein. Da hierbei die in den Poren freiliegenden Oberflächen der W-Teilchen von Cu bedeckt sind, kann ^J" ein lokales Anwachsen der W-Teilchen auch dann wirkungsvoll verhindert werden, wenn die Temperaturverteilung im W-Skelett im Temperaturbereich von 1083° C oder höher ungleichmäßig ist.

Bei der Herstellung eines derartigen Kontaktes kann ^r' auch zunächst das einzudiKundierende Kupfer in einen Graphit-Tiegel eingegeben werden, 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 1083° C in das W-Skelett eindiffundiert In diesem Fall dringt Cu von beiden Enden her so schnell in das W-Skelett ein, daß die W-Teilchen beim Anwachsen behindert werden. Da der zentrale Teil des W-Skeletts zuletzt vom Cu infiltriert wird, können die W-Teilchen in diesem zentralen Teil leicht anwachsen. Dieses geringfügige Anwachsen der W-Teilchen im zentralen Teil beeinträchtigt jedoch die Eigenschaften des Kontaktwerkstoffs in keiner Weise, wenn es ausgeschlossen ist daß der zentrale Teil des Kontakts während seiner Betriebslebensdauer mit dem Gegenkontaktteil in Berührung kommt

Im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ehe graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Wolframteilchenverter ...uig eines Cu-W-Kontakts einerseits sowie dem AbreiiJFXom und der Verschweißkraft andererseits.

F i g. 1 veranschaulicht die Abhängigkeit vom Abreißstrom und der Verschweißkraft von der W-Teilchenverteilung dnes Cu-W-Kontakt(werkstoffs). Fig. I zeigt die Bereiche der Meßwerte von Abreißstrom und Verschweißkraft für einen Vergleichs-Cu-W-Kontakt mit größten W-Teilchen von 15μπι und kleinsten W-Teilchen von 1 μπι 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 μιη besitzen. Aus F i g. 1 geht deutlich hervor, daß die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kontakts bezüglich Abreißstrom und Verschweißtendenz wesentlich besser sind als beim Vergleichs-Kontakt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wolfram-Kupfer-Tränkwerkstoff für Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframteilchen im fertigen Werkstoff eine Größe von 0,5 bis 2 μπι aufweisen.

Die Erfindung betrifft einen Wolfram-Kupfer-Tränkwerkstoff für Vakuumschalter.

Ein Vakuumschalterkontakt muß im allgemeinen die folgenden Eigenschaften besitzen: