DE3006275C2 - Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter, mit einem Sinterkörper aus Kupfer und Chrom als Hauptkomponenten, der mit einem Diffusionsmetall imprägniert ist, das zu der Gruppe von Wismut, Tellur und Antimon gehört und dessen Gewichtsanteil sich in Abhängigkeit vom Abstand von der imprägnierten Oberfläche des Sinterkörpers ändert.

Derartige Unterbrecherkontakte für Vakuumschalter mit den vorstehend genannten Materialien sind an sich bekannt. So ist in der DE-AS 16 40 039 eine Elektrode für Vakuumschalter angegeben, bei welcher der die Kontaktfläche bildende Teil aus einer Matrix eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, deren Zwischenräume mit einem Imprägnierungsmetall ausgefüllt sind, das einen niedrigen Schmelzpunkt und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das Matrixmetall besitzt, wobei das Matrixmetall bestimmte Eigenschaften hinsichtlich des Schmelzpunktes und des Siedepunktes hat und mit dem Imprägnierungsmetall nur Ausscheidungslegierungen bildet.

Ferner sind bestimmte Materialien für das Matrixmetall einerseits und das Imprägnierungsmaterial andererseits vorgesehen, wobei letzteres eine hohe elektrische Leitfähigkeit, einen Schmelzpunkt unter 1200⁰C, einen Siedepunkt nicht wesentlich höher als und vorzugsweise niedriger als jener des Matrixmaterials, hohe Duktilität sowie niedrige Viskosität im schmelzflüssigen Zustand haben soll. Es finden sich jedoch keine näheren Angaben hinsichtlich der mengenmäßigen Wahl und Verteilung des Diffusionsmetalles als Zusatzmaterial, um zugleich eine zufriedenstellende Lötbarkeit sowie eine ausreichende Fähigkeit zur Unterbrechung von starken Strömen zu erhalten, so daß nur kleine Abreißströme auftreten.

Ferner sind aus der DIi-AS 17 65 626 Kontaktstücke für Vakuumschalter bekannt, bei denen Kontaktbereiche aus einer Legierung vorgesehen sind, die aus einem elektrisch gut leitenden Metall, Beryllium und einem geringen Zusatz von einem eine Verschweißung verhindernden Metall besteht. Zu diesem Zweck werden dort als gut leitende Metalle Silber, Nickel oder Kupfer verwendet, während das verschweißungshemmende Metall Wismut ist und in einer für das Verhindern von Verschweißungen ausreichenden Menge von höchstens einigen wenigen Gewichtsprozent in der Gesamtlegierung vorhanden und in der ganzen Legierung verteilt ist. Auch hier finden sich keine Angaben, wie zugleich eine zufriedenstellende Lötbarkeit und ausreichende Fähigkeit zur Unterbrechung von starken Strömen erreicht werden kann, indem man mit einer bestimmten mengenmäßigen Wahl und Verteilung eines Diffusionsmetalles arbei'et.

In der DE-AS 18 05 865 ist eine Elektrode für Vakuumschalter aus einem elektrisch leitfähigen, porösen, abbrandfesten Körper beschrieben, dessen Porenvolumen mit einem metallischen, weniger abbrandfesten Füllstoff hoher elektrischer Leitfähigkeit gefüllt ist, wobei der abbrandfeste Körper im Bereich seiner Kontaktfläche ein von seinem Außenrand zur Achse hin zunehmend größeres Porenvolumen hat. Mit dieser Maßnahme sol! dort erreicht werden, daß eine ausreichende Abbrandfestigkeit bei befriedigenden elektrischen Eigenschaften während einiger Millionen Schaltvorgänge erreicht wird. Dabei geht es darum, daß der abbrandfeste Körper einerseits mit seinem am Außenrand der Kontaktfläche geringen Porenvolumen der Elektrode eine erhöhte mechanische Festigkeit verleihen soll und daß andererseits infolge seines im Bereich der Kontaktfläche zur Achse hin zunehmend größeren Porenvolumens ein größerer Vorrat an metallischem Füllstoff in dem Bereich der Elektrode gewährleistet ist, in dem Lichtbogenentladungen am häufigsten ansetzen. Auch dieser Druckschrift lassen sich keine Angaben hinsichtlich einer zufriedenstellenden Lötbarkeit sowie zugleich einer ausreichenden Fähigkeit zur Unterbrechung von starken Strömen entnehmen.

In der DE-OS 16 40 211 ist zwar im Zusammenhang mit Vakuumunterbrecherschaitern das Problem angesprochen, daß bei Kontakten mit einer zusätzlichen Komponente, die das Verschweißen der Kontakte verhindern soll, die Schwierigkeit auftreten kann, daß sich ein derartiger Unterbrecherschalter einwandfrei mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit anschweißen oder anlöten läßt. Um daher Lötverbindungen eines Vakuumschalters durch die Anwesenheit einer Komponente des Kontaktmaterials, die das Verschweißen der Kontakte verhindert, nicht zu beeinträchtigen, während andererseits ein Verschweißen der Kontakte verhindert wird, ist dort vorgesehen, daß die zusätzliche Komponente, die das Verschweißen der Kontakte verhindern soll, nur dem einen Kontakt beigegeben ist. Der andere Kontakt ist bei der dort angegebenen Anordnung, bevor der Schalter in Betrieb genommen wird, von dieser das Verschweißen verhindernden Komponente völlig frei.

Ferner sind dort einige Legierungen für die beiden Kontaktstücke aus üblichen Materialien, wie z. B. Kupfer, Wismut, Blei oder Silber angegeben, jedoch finden sich auch dort keine näheren Angaben über die mengenmäßige Wahl und Verteilung eines Diffusionsmetalles als Zusatzmaterial, die nicht nur eine zufriedenstellende Lötbarkeit gewährleisten, sondern auch die Unterbrechung von starken Strömen sicherstellen, um nur kleine Abreißströme auftreten zu lassen.

Schließlich ist in der DE-OS 20 14 638 ein Verfahren zur Herstellung eines Zweischichten-Kontaktstückes angegeben, wobei in die Oberfläche eines metallischen Grundkörpers hoher elektrischer Leitfähigkeit ein Hilfsmetall und ein Diffusionsmetall durch Diffusion einlegiert sind, wobei das Hilfsmetall mit dem

Diffusionsmetall und dem metallischen Grundkörper eine schmelzflüssige Phase bildet. Die Anordnung wird dort so getroffen, daß das Diffusionsmetall und das Hilfsmetall in eine ringförmige Aussparung in der Oberfläche des Grundkörpers eingebracht werden, wobei der Grundkörper aus Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt oder Beryllium bestehen kann, v. ührend Wismut, 31ei, Tellur oder Antimon als Diffusionsmetall verwendet wird. Auch dieser Veröffentlichung lassen sich keine speziellen Angaben darüber entnehmen, wie oie mengenmäßige Wahl und Verteilung des Diffusionsmetalles als Zusatzmaterial vorzunehmen ist, um den Erfordernissen hinsichtlich der Löibarkeit und Stromunterbrechung hinreichend Rechnung zu tragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter der eingangs genannten Art anzugeben, der sowohl eine zufriedenstellende Lötbarkeit als auch eine ausreichende Fähigkeit zur Unterbrechung von starken Strömen gewährleistet, so daß nur kleine Abreißströme auftreten.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Unterbrecherkontakt der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Gewichtsanteil an Diffusionsmetall, das in die dem Gegenkontakt gegenüberliegende Kontaktfläche imprägniert ist, mehr als 0,5 Gew.-% ausmacht, und daß der Gewichtsanteil an Diffusionsmetall, das in die an eine Leitungsschiene anzulötende Kontaktfläche imprägniert ist, weniger als 0,5 Gew.-% beträgt.

Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Gewichtsanteil an der dem Gegenkontakt gegenüberliegenden Kontaktfläche nicht unter seiner Löslichkeitsgrenze liegt und das Diffusionsmetall allein an der Korngrenze der Hauptkomponente ausseigert, so daß der Abreißstrom erheblich verringert wird. Andererseits wird an der an eine Leitungsschiene anzulötenden Kontaktfläche erreicht, daß Wismut nicht als Einzelsubstanz an der Korngrenze ausseigert, so daß an dieser Stelle die Lötbarkeit verbessert wird.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Unterbrecherkontaktes ist vorgesehen, daß die Imprägnierung mit Wismut als Diffusionsmetall in einem Sinterkörper erfolgt, der aus 75Gew.-% Kupfer und 25Gew.-% Chrom besteht. Ein derartiger Unterbrecherkontakt hat sich in der Praxis als besonders zweckmäßig erwiesen und besitzt die Fähigkeit zur Unterbrechung starker elektrischer Ströme und weist einen niedrigen Abreißstrom, geringen Konttktwiderstand, geringe Verschweißung mit einem Gegenkontakt sowie hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung verschiedener Eigenschaften in Abhängigkeit vom Wismutgehalt, der sich in Richtung der Dicke eines mit Wismut imprägnierten Kupfer-Chrom-Sinterkörpers ändert; und in

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Abreißstromes bei Ag-WC-Kontakten sowie einem Kontakt mit einem mit Wismut imprägnierten Kupfer-Chrom-Sinterkörper.

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit Kupfer als Hauptkomponente und Wismut als beispielsweise genanntem Diffusionsmetall erläutert, das in die Hauptkomponente imprägniert ist.

Wie in Fi g. 1 angedeutet, hat der Wismut-Gewichtsanteil als Diffusionsmetali ein Gefälle im Kontakt und ändert sich in Richtung der Dicke des Kontaktes.

Dabei ist vorgesehen, daß der Wismutgehali der dem Gegenkontakt zugewandten Kontaktfläche nicht unter dem Grenzwert seiner Löslichkeit in der Hauptkomponente liegt, d. h. vorzugsweise über 0,5 Gew.-%. Wenn nämlich der Wismutgehalt nicht weniger, sondern mehr als 0,5 Gew.-°/o ausmacht, seigert Wismut allein an der Korngrenze des Kupfers aus, so daß die Stromstärken der Abreißströme erheblich herabgesetzt werden.

Außerdem ist vorgesehen, daß der Wismut-Gehalt an der dem Gegenkontakt abgewendeten Seite, also an der Kontaktfläche, die an eine Leitungsschiene anzulöten ist, den Grenzwert für die Löslichkeit in der Hauptkomponente nicht überschreitet, sondern vielmehr unterschreitet, d. h. weniger als 0,5 Gew.-% beträgt. Wenn nämlich der Wismut-Gehalt weniger als 0,5 Gew.-°/o ausmacht, seigert Wismut nicht als Einzelsubstanz an der Korngrenze von Kupfer aus, so daß die Lötbarkeit an dieser Kontaktfläche verbessert wird, was eine spezielle Anforderung darstellt.

Dabei ist vorgesehen, daß diese Maßnahmen bei einem Sinterkörper aus Kupfer und Chrom aus Hauptkomponenten getroffen sind, der mit Wismut als Diffusionsmetall imprägniert ist.

Mit herkömmlichen Schmelzverfahren lassen sich Unterbrecherkontakte der in Rede stehenden Art nicht herstellen, die die erforderlichen Eigenschaften besitzen. Wenn nämlich beispielsweise Wismut gleichzeitig mit Kupfer oder Chrom in einem Gemisch geschmolzen wird, ist es unmöglich, den Wismutgehalt über die Dicke des Kontaktes zu variieren, weil dann Wismut über die Dicke des gesamten Kontaktes gleichmäßig dispergiert ist.

Der erfindungsgemäße Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter wird daher durch Imprägnieren eines Kupfer-Sinterkörpers mit Wismut hergestellt, wobei der Wismutgehalt an der dem Gegenkontakt zugewandten Kontaktfläche mehr als 0,5 Gew.-% ausmacht, während der Wismutgehalt, der mit einem leitfähigen Profil oder einer Leitungsschiene verlöteten Kontaktfläche weniger als 0,5 Gew.-°/o beträgt. Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 1 der Wismutgehalt nicht mehr als 0,5 Gew.-% ausmacht, bilden Kupfer und Wismut eine Kupfer-Wismut-Legierung. Wenn hingegen der Wismutgehalt mehr als 0,5Gew.-% ausmacht, wird nicht nur eine Kupfer-Wismut-Legierung gebildet, vielmehr seigert Wismut auch als einfache Substanz aus.

Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung eines Unterbrecherkontaktes für Vakuumschalter der oben angegebenen Art beschrieben. Dabei wird ein Sinterkörper, bestehend aus 75 Gew.-% Kupfer und 25 Gew.-% Chrom mit herkömmlicher Pulvermetallurgie-Technik hergestellt. Anschließend wird auf diesen Sinterkörper eine vorgegebene Menge an Wismutpulver aufgebracht und die Anordnung auf eine vorgegebene Temperatur von beispielsweise 1000°C erhitzt, die über dem Schmelzpunkt von Wismut (271°C) liegt. Der verwendete Kupfer-Chrom-Sinterkörper besaß dabei ein Dichtenverhältnis von nicht weniger als 95% der theoretischen Dichte. Das bedeutet, daß mindestens 95% des Volumens des Sinterkörpers mit Kupfer und Chrom ausgefüllt sind. Die inneren Zwischenräume im Kupfer-Chrom-Sinterkörper liegen verteilt und das Wismut dringt in den Kupfer-Chrom-Sinterkörper ein und imprägniert diesen.

Der in Richtung seiner Dicke gemessene Wismutge-

halt des Sinterkörpers ist in Fig. 1 dargestellt. Gemäß dieser F i g. 1 der Zeichnung wird bei einem 2 mm tiefen Schnitt in die imprägnierte Oberfläche ein Bereich freigelegt, bei dem der Wismutgehalt 1—2Gew.-% ausmacht. Dieser Bereich bildet eine zufriedenstellende Kontaktfläche mit dem Gegenkontakt und die Stromstärke des Abreißstromes ist in diesem Bereich ausreichend gering, d. h. die Stromstärke beträgt in vielen Fällen 1 A oder weniger. Andererseits wird, wie ebenfalls in F i g. 1 angedeutet, die Lötbarkeit verbessert, wenn das Anlöten in einem Bereich erfolgt, der die zufriedenstellende Lötbarkeit besitzt.

Fig.2 gibt Werte hinsichtlich der Stromstärken der Abreißströme von Unterbrecherkontakten an, insbesondere von einem Kontakt, der aus einem wie oben angegeben mit Wismut imprägnierten Kupfer-Chrom-Sinterkörper besteht. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, isi uer Abreißstrom eines erfindungsgemäßen Unterbrecherkontaktes dem eines Ag-WC-Kontaktes äquivalent, dessen Stromstärkenwert für den Abreißstrom als der niedrigste Stromstärkenwert von sämtlichen bisher verwendeten Kontakten angesehen worden ist. Somit sind die Eigenschaften hinsichtlich des Abreißstromes des erfindungsgemäßen Unterbrecherkontaktes ausgezeichnet. Außerdem sind die Herstellungskosten für einen erfindungsgemäßen Unterbrecherkontakt wesentlich geringer als bei einem Ag-WC-Kontakt.

Darüber hinaus besitzt der vorstehend beschriebene Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Lötbarkeit, der

i" Verschweißungskraft, des Kontaktwiderstandes sowie der Lichtbogenlöschzeit bei Stromunterbrechung.

Auch wenn der Unterbrecherkontakt vorstehend insbesondere im Zusammenhang mit einem Sinterkörper aus Kupfer als Hauptkomponente und Wismut als > Diffusionsmetall beschrieben worden ist, können im wesentlichen gleiche Eigenschaften erhalten werden, wenn die Kontakte so aufgebaut werden, daß Chrom als Hauptkomponente und Tellur oder Antimon als Diffusionsmetalle anstelle von Wismut verwendet

:o werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter, mit einem Sinterkörper aus Kupfer und Chrom als Hauptkomponenten, der mit einem Diffusionsmetall imprägniert ist, das zu der Gruppe von Wismut, Tellur und Antimon gehört und dessen Gewichtsanteil sich in Abhängigkeit vom Abstand von der imprägnierten Oberfläche des Sinterkörpers ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil an Diffusionsmetall, das in die dem Gegenkontakt gegenüberliegende Kontaktfläche imprägniert ist, mehr als 0,5 Gew.-% ausmacht, und daß der Gewichtsanteil an Diffusionsmetall, das in die an eine Leitungsschiene anzulötende Kontaktfläche imprägniert ist, weniger als 0,5 Gew.-% beträgt.

2. Unterbrecherkontakt für Vakuumschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierung mit Wismut als Diffusionsmetall in einem Sinterkörper erfolgt, der aus 75 Gew.-% Kupfer und 25 Gew.-% Chrom besteht.