DE3006275A1

DE3006275A1 - Vakuum-leistungsschalterkontakt und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3006275A1
Application number: DE19803006275
Authority: DE
Inventors: Masaru Kato
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1979-02-23
Filing date: 1980-02-20
Publication date: 1980-09-04
Also published as: DE3006275C2; JPS6059691B2; GB2045002A; GB2045002B; JPS55113225A

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,

Möhlstraße 37 Tokio, Japan D-8000 München

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

FAM-4644

20. Nu. 1980

Vakuum-Leistungsschalterkontakt und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Leistungsschalterkontakt mit der Fähigkeit, einen starken elektrischen Strom zu unterbrechen, und mit kleinem Abreißstrom. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kontakts.

Ein Vakuum-Schutz- oder -Leistungsschalterkontakt muß allgemein die folgenden Eigenschaften besitzen:

1. Die Fähigkeit zur Unterbrechung starker elektrischer Ströme;

2. einen niedrigen Abreißstrom;

3. einen niedrigen Kontaktwiderstand;

4. eine geringe Verschweißungskraft;

5. eine hohe dielektrische (Durchschlags-)Festigkeit und

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6. wenig Abfallanfall bei der Fertigung.

Bei den in der Praxis verwendeten Kontakten sind jedoch diese Forderungen zusammen schwierig zu erfüllen. Die bisherigen Kontakte dieser Art werden daher zuungunsten bestimmter anderer Eigenschaften im Hinblick auf die Gewährleistung besonders wichtiger Eigenschaften hergestellt.

Beispielsweise wurde bisher für diesen Zweck ein Cu-Bi-Kontakt verwendet. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß ein Cu-Bi-Kontakt, der Bi in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-% enthält, den Nachteil eines großen Abreißstromes besitzt, während ein Cu-Bi-Kontakt mit Bi in einer Menge von nicht unter 0,5 Gew.-% den Nachteil besitzt, daß die Lötbarkeit schlecht ist. Derartige Kontakte sind daher für den praktischen Einsatz nicht vorteilhaft.

Andere Kontakte aus anderen Legierungen besitzen ebenfalls mehr oder weniger dieselben Mängel wie der Cu-Bi-Kontakt.

Im manchen Fällen wird Cr als Hauptkomponente verwendet. Anstelle von Bi können andere Metalle, wie Te, Sb und dgl., verwendet werden. Diese Metalle genügen den drei Anforderungen, daß 1. der Schmelzpunkt, wie bei Bi, niedrig ist, daß sie 2. eine niedrige Löslichkeit im festen Zustand in der Hauptkomponente besitzen, und daß 3. der Dampfdruck hoch ist. In allen Fällen besitzen diese Metalle jedoch auch die vorstehend für Bi genannten Nachteile.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Vakuum-Schutz- oder -Leistungsschalterkontakts, der zufriedenstellende Lötbarkeit und die Fähigkeit zur Unterbrechung starker Ströme besitzt, dessen Abreißstrom klein ist und welcher die vorstehend geschilderten Nachteile von Bi, Te, Sb und dgl., die in Verbindung mit einer Hauptkomponente aus z.B. Cu, Cr o.dgl. auftreten, nicht zeigt.

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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den beigefügten Patentansprüchen.

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

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen verschiedenen Eigenschaften und dem Bi-Gehalt, in Richtung der Dicke eines mit Bi imprägnierten Cu-Cr-Sinterkörpers variierend, und

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Abreißstroms eines Ag-WC-Kontakts sowie des Kontakts mit einem mit Bi imprägnierten Cu-Cr-Sinterkörper.

Im folgenden ist die Erfindung in Verbindung mit Cu als Hauptkomponente·und beispielsweise Bi als Zusatz erläutert.

Ein erstes wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Bi-Gehalt des Kontakts mit einem Gefälle oder stufenweise in Richtung der Dicke des Kontakts variiert.

Das zweite wesentliche Erfindungsmerkmal liegt darin, daß der Bi-Gehalt der dem Gegenkontakt zugewandten Kontaktfläche nicht unter seiner Löslichkeitsgrenze in der Hauptkomponente, d.h. vorzugsweise über 0,5 Gew.-% liegt. Wenn der BiGehalt nicht weniger bzw. mehr als 0,5 Gew.-% beträgt, seigert Bi allein an der Korngrenze des Kupfers aus, wodurch der Abreißstrom erheblich herabgesetzt wird.

Ein drittes wesentliches Merkmal der Erfindung kann darin gesehen werden, daß der Bi-Gehalt an der dem Gegenkontakt nicht zugewandten, sondern mit einem leitfähigen Profil oder

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einer Leitschiene verlöteten Kontaktfläche nicht über bzw. unter seiner Löslichkeitsgrenze in der Hauptkomponente, d.h. 0,5 %, liegt. Wenn der Bi-Gehalt nicht mehr als 0,5 % beträgt, seigert Bi nicht als reine oder Einzelsubstanz an der Korngrenze von Cu aus, so daß auch die Lötbarkeit als spezifische Anforderung an diese Fläche verbessert wird.

Ein viertes Erfindungsmerkmal besteht darin, daß die oben genannten Merkmale durch Imprägnieren eines Cu-Cr-Kontaktes mit Bi realisiert werden.

Mit dem bisherigen Schmelzverfahren können die vorstehend angegebenen Erfindungsmerkmale nicht erzielt werden. Wenn beispielsweise Bi gleichzeitig mit Cu oder Cr im Gemisch geschmolzen wird, ist es unmöglich, den Bi-Gehalt in Richtung der Dicke des Kontakts zu variieren, weil Bi durch den ganzen Kontakt hindurch gleichmäßig dispergiert ist.

Der erfindungsgemäße Kontakt wird also durch Imprägnieren eines Cu-Sinterkörpers mit Bi hergestellt, wobei der BiGehalt an der dem Gegenkontakt zugewandten Kontaktfläche nicht weniger als 0,5 Gew.-% beträgt und der Bi-Gehalt der mit einem leitfähigen Profil bzw. einer Leiterschiene verlöteten Kontaktfläche nicht mehr als 0,5 Gew.-% beträgt. Wenn gemäß Fig. 1 der Bi-Gehalt nicht mehr als 0,5 Gew.-% beträgt, bilden Cu und Bi eine Cu-Bi-Legierung; wenn dagegen der Bi-Gehalt bei nicht weniger als 0,5 Gew.-% liegt, wird nicht nur eine Cu-Bi-Legierung gebildet, vielmehr seigert auch Bi als reine oder freie Substanz (simple substance) aus.

Im folgenden ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Vakuum-Leistungsschalterkontakts näher erläutert.

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Ein Sinterkörper aus 75 Gew.-% Cu und 25 Gew.-% Cr wurde nach an sich bekannter Pulvermetallurgietechnik hergestellt. Sodann wurde auf den Sinterkörper eine vorbestimmte Menge an Bi-Pulver aufgegeben, und die Anordnung wurde auf eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 1000⁰C) über dem Schmelzpunkt von Bi (271⁰C) erwärmt. Der verwendete Cu-Cr-Sinterkörper besaß ein Dichtenverhältnis von nicht unter 95 % der theoretischen Dichte. Dies bedeutet, daß mindestens 95 % (des Volumens) dieses Sinterkörpers mit Cu und Cr ausgefüllt waren. Das Bi drang unter Imprägnierung des Cu-Cr-Sinterkörpers in dessen verstreut bzw. verteilt (scattered) angeordnete Innenräume ein.

Der Bi-Gehalt dieses Sinterkörpers, in Richtung seiner Dikke gemessen, ist in Fig. 1 dargestellt. Gemäß Fig. 1 wird mit einem 2 mm tiefen Schnitt in die imprägnierte Oberfläche ein Bereich freigelegt, dessen Bi-Gehalt 1-2 Gew.-% beträgt. Dieser Bereich bildet eine zufriedenstellende Kontaktfläche mit dem Gegenkontakt, und der Abreißstrom dieses Bereichs ist ausreichend niedrig, d.h. er beträgt in bestimmten Fällen 1 A oder weniger. Andererseits wird gemäß Fig. 1 die Lötbarkeit verbessert, weil das Anlöten in einem Bereich verbesserter Lötbarkeit erfolgen kann.

Fig. 2 veranschaulicht die Abreißstrom-Eigenschaften des durch Schneiden des beschriebenen, mit Bi imprägnierten Cu-Cr-Sinterkörpers erhaltenen Kontakts. Gemäß Fig. 2 ist der Abreißstrom des erfindungsgemäß hergestellten Kontakts demjenigen eines Ag-WC-Kontakts äquivalent, dessen Abreißstrom als der niedrigste von allen bisher verwendeten Kontakten angesehen wird. Die Abreißstromeigenschaften des erfindungsgemäßen Kontakts sind mithin ausgezeichnet; darüber hinaus sind die Herstellungskosten für den erfindungsgemäßen Kontakt beträchtlich niedriger als für einen Ag-WC-Kontakt.

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Neben diesen Eigenschaften erwies sich der erfindungsgemäße Kontakt auch als ausgezeichnet bezüglich anderer Eigenschaften, wie Lötbarkeit, Verschwexßungskraft, Kontaktwiderstand, Lichtbogen(bildungs)zeit bei der Stromunterbrechung und dgl.

Obgleich die Erfindung vorstehend speziell in Verbindung mit einem Cu-Bi-Kontakt beschrieben ist, lassen sich im wesentlichen dieselben Eigenschaften mit anderen Kontakten erzielen, die Cr als Hauptkomponente und Te oder Sb als Zusätze anstelle von Bi enthalten.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Kü.^v.zü: Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,

MöhlstraBe 37 Tokio, Japan D-8000 München

Tel.: 0 89/98 20 85-87

Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

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2 0. Feb. 198Q

Vakuum-Leistungsschalterkontakt und Verfahren zu seiner Herstellung

Patentansprüche

( 1 ΛVakuum-Leistungsschalterkontakt, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sinterkörper aus mindestens einem vorbestimmten Metall als Hauptkomponente aufweist und daß der Sinterkörper mit einem Zusatz imprägniert ist, der einen niedrigen Schmelzpunkt, einen hohen Dampfdruck sowie eine niedrige Löslichkeitsgrenze in der Hauptkomponente besitzt.
2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente Cu oder vorzugsweise Cr ist.
3. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz Bi, Te oder Sb gemischt oder vorzugsweise einzeln vorgesehen ist.

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4. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Imprägnierungs-Zusatzes mit einem Gefälle bzw. stufenweise in Richtung der Tiefe des Sinterkörpers variiert.
5. Kontakt nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenanteil des in die dem Gegenkontakt zugewandte Kontaktfläche imprägnierten oder eindiffundierten Zusatzes nicht unter, vorzugsweise also über seiner Löslichkeitsgrenze in der Hauptkomponente liegt, während der Mengenanteil des in die mit einem leitfähigen Profil bzw. einer Leiterschiene (conductive bar) zu verlötende Kontaktfläche eingelagerten bzw. eindiffundierten Zusatzes nicht über bzw. unter seiner Löslichkeitsgrenze in der Hauptkomponente liegt.
6. Verfahren zur Herstellung eines Vakuum-Leistungsschalterkontakts, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Metall mit einem oder mehreren Metallen gemischt wird, daß dieses Gemisch, welches das vorbestimmte Metall als Hauptkomponente enthält, gesintert wird, daß der Sinterkörper mit einem Zusatz mit niedrigem Schmelzpunkt, hohem Dampfdruck und niedriger Löslichkeitsgrenze in der Hauptkomponente imprägniert wird und daß der so imprägnierte Sinterkörper an einer vorbestimmten Stelle geschnitten wird.
7. Vakuum-Leistungsschalterkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Cu als Hauptkomponente und Bi als Zusatz der Bi-Gehalt auf der dem Gegenkontakt zugewandten Kontaktfläche nicht unter, vorzugsweise über 0,5 Gew.-% und auf der dem Gegenkontakt abgewandten Fläche nicht über, vorzugsweise unter 0,5 Gew.-% liegt.
8. Vakuum-Leistungsschalterkontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem gesinterten Gemisch

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aus Cu und Cr, vorzugsweise im Verhältnis 25 Gew.-% zu 75 Gew.-% besteht, dessen Imprägnierungsgehalt mit Bi als Zusatz mit der Eindringtiefe abnimmt und dessen dem Gegenkontakt zugewandte Kontaktfläche bei einem Bi-Gehalt von 1 bis 2 Gew.-% ausgebildet ist.

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