DE3226604A1 - Verfahren zum herstellen eines verbundwerkstoffes auf cr-cu-basis fuer mittelspannungs-vakuum-leistungsschalter - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes auf
• Cr-Cu-Basis für Mittelspannungs-Vakuum-Leistungsschalter Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes auf Cr-Cu-Basis als Kontaktwerkstoff für Mittelspannungs-Vakuum-Leistungsschalter.
• Als Kontaktmaterial für Vakuum-Leistungsschalter hat sich bereits der Verbundwerkstoff CrCu mit etwa 40 bis 60% Cr gut bewährt. Dabei gewahrleistet die Komponente Cu eine hinreichende elektrische und thermische Leitfähigkeit, während das Gerüstmaterial Cr sowohl abbrandmindernd als auch mit seinem im Vergleich zu Wolfram niedrigen Schmelzpunkt von etwa 21730K die Gefahr einer schädlichen thermischen Elektronenemission beseitigt.
• Außerdem setzt das Cr die Verschweißnelgung der Kontaktstücke stark herab und besitzt gute Gettereigenschaften.
• Für die Herstellung des Verbundwerkstoffes CrCu kommen aufgrund der Mischungslücke im System Cr-Cu für den gewünschten Konzentrationsbereich von etwa 40 bis 60% Cr-Gehalt nur pulvermetallurgische Verfahren in Betracht.
• Am gebräuchlichsten ist das Herstellen von Preßkörpern aus Cr-Pulver oder CrCu-Pulvermischungen, deren Poren nach der Sinterung mit flüssigem Cu aufgefüllt werden.
• Derartige Sintertränkverfahren sowie auch die übrigen bekannten pulvermetallurgischen Verfahren sind wegen der Oxidationsneigung des Chroms schwierig zu beherrschen.
• Insbesondere besteht die Gefahr durch schlechte Benetzbarkeit einzelner Kornflächen oder Passivschichtbildung Poren- oder Tränkfehler zu erhalten. Auch wenn diese nur in der Größenordnung von 5 bis 50m liegen, kann durch sie eine Beeinträchtigung des Schaltverhaltens bewirkt werden. In der Praxis ergibt sich daraus eine gewisse Streubreite im Ausschaltvermögen.
• Bei anderen bekannten Verfahren werden z.B. poröse Rohlinge durch Pressen oder Schütten von Metallpulver hergestellt, die entweder aus reinem Cr-Pulver bestehen oder bei denen zum Erzielen einer flüssigen Phase beim Sintern ein oder mehrere weitere Pulverzusätze dem Cr-Pulver zugemischt werden. Das anschließende Sintern im Hochvakuum oder reinem Schutzgas bei Temperaturen von 15730K bis 17730K führt zu einer erwünschten Ausbildung von Sinterbrücken zwischen den Pulverkörnern, so daß mit einem Anstieg der Gerüstfestigkeit gerechnet werden kann, der eine problemlose Handhabung der porösen Sinterrohlinge nach dem Sinterprozeß erlaubt. In einem weiteren Arbeitsgang werden die Rohlinge dann in Tränkformen eingelegt oder auf Tränkunterlagen aufgelegt, erhalten als Auf- oder Unterlage eine dem Porenvolumen entsprechende Menge an Tränkmetall, in diesem Fall Kupfer, und werden wiederum im Hochvakuum oder reinem Schutzgas über die Schmelztemperatur des Tränkmetalls erhitzt. Hierbei tritt durch Kapillarkräfte eine Infiltration des porösen Gerüstes ein.
• Mit den vorstehend beschriebenen Tränkverfahren zur Herstellung der Cr-Cu-Verbundwerkstoffe lassen sich jedoch trotz sorgfältigster Arbeitsweise keine völlig fehlerfreien Tränkungen erzielen. Dafür sind im wesentlichen drei Gründe verantwortlich: Beim Umschargieren der Öfen zwischen Sintern- und Tränkprozeß kommt es bei den stark getteraktiven Cr-Gerüsten zu einer Neubelegung der Gerüstoberfläche mit dünnen Oxid- bzw. chemiesorbierten Gashäuten, die die Benetzung mit dem flüssigen Tränkmetall erschweren.
• Aus thermodynamischen Gründen treten diese Oxidationsprozesse bereits unterhalb von etwa 10000K selbst im Hochvakuum und in reinem Schutzgas auf, da sich in wirtschaftlich anwendbaren Öfen keine Sauerstoffpartialdrücke unter 10'10 mb erzielen lassen. Als Resultat dieser Erscheinung treten Tränkfehler auf, die sich in Form von Mikrolunkern und Poren äußern.
• Durch den Sinterprozeß und die damit verbundene Ausbildung von Sinterbrücken werden schlecht zugängliche Porenbereiche erhalten, die von flüssigem Tränkmetall gar nicht oder nur unvollkommen erreicht werden. Damit ist auch die Möglichkeit, reduzierende Substanzen wie z.B. Kohlenstoff über die flüssige Tränkmetallphase an das Gerüstmetall zu bringen, eingeschränkt, so daß in diesen Restporenbereichen, die von der Sinterbrückenbildung herrühren, Restoxide vorhanden sind, die das Schaltvermogen des Werkstoffes beeinträchtigen.
• Durch die versteifende Wirkung fester Sinterbrücken wird die Möglichkeit des Gerüstmaterials zur Deformation beträchtlich verringert. Wird das mit Cu oder Legierungen davon imprägnierte Cr-Gerüst aber von der Infiltrationstemperatur des flüssigen Tränkmetalls abgekühlt, so tritt wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen Cr und Cu ein Volumendefizit auf, das durch einen gemeinsamen gleichmäßigen Schrumpf von Gerüst-und Tränkmetall nicht aufgefangen werden kann. Diese bekannte Erscheinung kann ebenfalls zu Fehlstellen und im Lichtmikroskop unsichtbaren Mikroporositäten führen, die die Qualität des Werkstoffes für Hochleistungsschaltaufgaben verschlechtern können.
• Es ist versucht worden, diese Störungen zu vermeiden.
• So kann z.B. Cr-Pulver und Cu-Pulver gemischt werden, dadurch unterbleibt eine direkte Berührung der Cr-Körner weitgehend und es bilden sich im anschließenden Sinterprozeß keine oder nur vereinzelte deformationsbehindernde Sinterbrücken aus. Obwohl dieser Fertigungsprozeß die sterische Behinderung der Cr-Partikel aufhebt, kann mit einem derartigen Werkstoff keine ausreichende Schaltleistung erzielt werden. Ursache dafür ist die Wechselwirkung zwischen dem üblicherweise mit etwa 500 ppm sauerstoffverunreinigtem Cu-Pulver und dem getteraktiven Cr-Pulver. Bereits unterhalb von 12730K wird dabei bei einsetzender Cu2O-Dissoziation das oxidationsfreudige Cr-Pulver aufoxidiert. Wegen der hohen Oxidationswärme des Cr kommt es zur Ausbildung stabiler Oberflächenoxide, die durch eine normale Vakuumentgasung nicht mehr entfernt werden können.
• verbessertes Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein/Verfahren zu entwickeln, mit dem es möglich ist, einen hochwertigen Kontaktwerkstoff auf der Basis Cr-Cu herzustellen, der den Anforderungen von Vakuum-Mittelspannungs-Leistungsschaltern bis 36 kV Betriebsspannung und Ausschaltströmen oberhalb 30 kA genügt, und bei dem die vorerwähnten Fehlerquellen sowie zusätzlich die Verwendung von Cu-Pulver mit hohem Sauerstoffgehalt vermieden werden.
• Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Cr-Pulver mit einer Teilchengrößenverteilung zwischen 50 ßm und 200 am in eine entgaste Form geschüttet wird, daß auf das Cr-Pulver ein massives Stück aus sauerstoffarmen Kupfer gelegt wird, daß anschließend die Form mit einem porösen Deckel verschlossen wird, daß dann die Form in einem Hochvakuumofen bei Raumtemperatur entgast wird, bis ein Druck von 10 5 mb erreicht ist, daß danach die Ofentemperatur auf 12730K langsam erhöht wird, daß diese Ofentemperatur für eine Stunde, mindestens jedoch bis zu einem Ofendruck von R 10 5 mb, konstant gehalten wird, und daß anschließend ohne Zwischenabkühlen die Ofentemperatur weiter erhöht wird,bis zu einem Endwert von 1000K bis 2000K oberhalb der Schmelztemperatur des Kupfers.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Cr-Pulver mit einer Korngröße mit Anteilen von mindestens 150 ßm zu verwenden. Weiterhin ist es zweckmäßig, eine Arbeitsform aus Graphit zu verwenden, weil der Graphit im flüssigen Tränkmetall Kupfer in geringer Menge löslich ist und daher über Transport in der flüssigen Phase als Reduktionsmittel für Cr-Oxidverunreinigungen Anwendung findet.
• Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher beschrieben.
• Reines Cr-Pulver mit einem maximalen Sauerstoffgehalt von 500 ppm und einer Teilchengröße mit Anteilen von mindestens 150 Am wird in eine vorher entgaste Graphitform eingefüllt. Der Tiegel besitzt z.B. einen Durchmesser von 85 mm und eine Länge von 250 mm und wird bis zu einer Höhe von etwa 180 mm mit Cr-Pulver gefüllt.
• Auf das Cr-Pulver wird ein Stück massives sauerstoffarmes Kupfer aufgelegt, das den restlichen Tiegelinhalt füllt. Der Tiegel wird mit einem porösen Graphitdeckel verschlossen und im Hochvakuumofen zunächst solange bei Raumtemperatur entgast, bis ein Druck von 10 5 mb erreicht worden ist. Anschließend wird mit dem Aufheizen begonnen, das immer dann unterbrochen wird, wenn der Druck auf über 10 4 mb ansteigt. Bei 12730K ist die eigentliche Entgasungstemperatur erreicht, die für eine Stunde, mindestens jedoch aber bis zu einem Ofendruck von 10 5 mb beibehalten wird. Anschließend wird ohne Zwischenabkühlen die Temperatur weiter erhöht,bis zu einem Endwert, der 100°K bis 2000K oberhalb des Schmelzpunktes des Tränkmetalls Cu liegt.
• Nach dem Erkalten kann der Cr-Cu-Verbundblock in Kontaktscheiben der erforderlichen Geometrie zerlegt werden.
• 3 Patentansprüche

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes auf Cr-Cu-Basis als Kontaktwerkstoff für Mittelspannungs-Vakuurn-Leistungsschalter, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Cr-Pulver mit einer Teilchengrößenverteilung zwischen 50 am und 200 ßm in eine entgaste Arbeitsform geschüttet wird, daß auf das Cr-Pulver ein massives Stück aus sauerstoffarmen Kupfer gelegt wird, daß anschließend die Arbeitsform mit einem porösen Deckel verschlossen wird, daß dann die Arbeitsform in einem Hochvakuumofen bei Raumtemperatur entgast wird bis ein Druck von 10 5 mb erreicht wird, daß danach die Ofentemperatur auf 12730K erhöht wird, daß diese Ofentemperatur für eine Stunde, mindestens jedoch bis zu einem Ofendruck von 10 5 mb, konstant gehalten wird, und daß anschließend ohne Zwischenabkühlen die Ofentemperatur weiter erhöht wird bis zu einem Endwert von 1000K bis 2000K oberhalb der Schmelztemperatur des Kupfers.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß Cr-Pulver mit einer Teilchengröße mit Anteilen von mindestens 150 ßm verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Arbeitsform aus Graphit verwendet wird.