DE3347550A1

DE3347550A1 - Verbundwerkstoff aus chrom und kupfer, verfahren zu dessen herstellung sowie formteilkontaktstueck aus diesem werkstoff

Info

Publication number: DE3347550A1
Application number: DE19833347550
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr. 8500 Nürnberg Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1985-07-11
Also published as: DE3347550C2; JPS60158524A

Description

Verbundwerkstoff aus Chrom und Kupfer, Verfahren zu dessen
Herstellung sowie Formteilkontaktstück aus diesem Werkstoff Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff aus Chrom und Kupfer, insbesondere für elektrische Kontaktstücke bei Vakuumschaltern für mittlere bis hohe Spannungen der Energietechnik, wobei der Werkstoff aus einem mit Kupfer oder Kupfer-Legierungen getränkten Chromgerüst besteht, auf ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie auf ein Formteilkontaktstück aus diesem Werkstoff.
Bei Kontaktwerkstoffen für Vakuumschalter der Energietechnik für mittlere bis hohe Spannungen und hohe Ausschaltströme besteht insbesondere die Forderung, daß die Kontaktstücke einen geringen Abbrand durch den Lichtbogen und damit eine hohe Lebensdauer aufweisen. Weiterhin wird eine geringe Schweißkraft beim Einschalten hoher Ströme, eine hohe Stromtragfähigkeit, geringe Werte der Chopping-Stromverteilung und nur eine geringe Erwärmung beim maximalen Nennstrom gefordert. Zur Sicherstellung einer hinreichenden Langzeitfunktion der Kontaktstücke ist daneben immer ein niedriger Gasgehalt innerhalb der Kontaktwerkstoffe notwendig.
Als Kontaktwerkstoffe für Vakuumleistungsschalter haben sich insbesondere Verbundwerkstoffe aus Chrom und Kupfer mit etwa 50 % Chrom bewährt. Sie zeichnen sich insbesondere aufgrund ihrer Abbrandfestigkeit im Lichtbogen und aufgrund einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit aus. Verfahren zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe sind an sich bekannt, wobei spezielle Verfahren in den älteren deutschen Patentanmeldungen P 32 26 604.9 und P 33 22 866.3 angegeben sind.
Bei der Herstellung der obengenannten Verbundwerkstoffe können gewisse Schwierigkeiten durch teilweise unvollständige Tränkung und zu hohen Gasgehalt auftreten. Zur Kompensierung dieser unerwünschten Werkstoffbeschaffenheit und Verbesserung der Kontakteigenschaften wurden bisher durchweg die Kupfer-Chrom-Tränkwerkstoffe als Halbzeug hergestellt, aus denen die Endformteile unter erheblichen Materialverlust, beispielsweise durch Schneiden, Drehen od. dergleichen herausgearbeitet wurden. Zwar wurde bereits vorgeschlagen, anstelle einer festigkeitssteigernden Sinterbehandlung des Chrompulvers nur ein Entgasungsglühen vorzunehmen und in derselben Wärmebehandlung lediglich durch Temperatursteigerung das Chrompulver mit sauerstoffarmen Kupfer zu tränken. Allerdings erreicht beim Tränken von Chrompulver im geschütteten, geklopften oder vorgepreßten Zustand mit flüssigem Kupfer ohne vorherige Gerüstsinterung gleichermaßen einerseits die mechanische Festigkeit und andererseits die Abbrandfestigkeit nicht immer die hohen Werte der Qualitäten solcher Werkstoffe, bei denen das Chromgerüst vorher durch eine Sinterung verfestigt wurde.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, weitere spezifische Verbundwerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften sowie zugehörige Herstellungsverfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkstoff Kohlenstoff enthält, der teilweise in Form von freiem Graphit und teilweise in gebundener Form von Metallcarbidenvorliegt, wozu das Chromgerüst einen Gehalt eines oder mehrerer der Metalle Nickel, Kobalt oder Eisen in einer Menge von 0,05 bis 2 Masseanteilen in % hat.
Zusätzlich kann das Chromgerüst auch Titan und/oder Niob in einer Menge von 1 bis 5 Masseanteilen in % enthalten, wodurch die Gettereigenschaften weiter verbessert werden.
Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes, bei dem zur Erzeugung des Tränkgerüstes eine Pulverschüttung aus Chrompulver mit einem Sauerstoffgehalt < 500 ppm, vorzugsweise bei etwa 100 ppm, verwendet wird, ist insbesondere dadurch gekennzeichn:et, daß einem Pulveransatz im Hochvakuum geglühtes Graphitpulver zugesetzt wird, dessen Menge an Graphit bezogen auf das getränkte Chromgerüst bei etwa 0,2 bis 3 Masseanteile.
in % liegt, und daß das Mischen des Pulveransatzes in einem Mischer unter gereinigtem Stickstoff unter Schutzgas oder in einer Rührwerkskugelmühle unter einem organischen Lösungsmittel erfolgt. Eine Sinterung des Chromgerüstes erfolgt vorzugsweise in einem Vakuum besser 10 mb während einer Stunde bei etwa 1573 K (1300 "C), wobei eine Reaktion zwischen sauerstoffhaltigen Bereichen und dem Kohlenstoff stattfindet, so daß vorzugsweise gleichzeitig eine Carbidbildung in den Berührungsflächen zwischen Chrom und Graphit bzw. den weiteren Metallen Nickel, Kobalt und Eisen stattfinden kann. Erst dieses so erzeugte Chromgerüst wird dann nach bekannten Verfahren mit Kupfer getränkt.
Vorteilhafterweise wird bei der Erfindung ein Kontaktstück als getränktes Sinter-Formteil erhalten, das im Idealfall nicht mehr oder im allgemeinen nur noch geringfügig nachbearbeitet werden muß. Im letzteren Fall wird lediglich der Tränküberschuß z.B. auf der Verbindungsseite beseitigt, beispielsweise durch Plandrehen. Beim eventuellen Nachbearbeiten der Kontaktstückoberfläche braucht nur eine dünne Schicht und damit wenig hochwertiges Kontaktmaterial abgetragen zu werden.
Mit der Erfindung ergibt sich also nunmehr eine Formteiltechnik bzw. eine Fast-Formteiltechnik zur Herstellung von Kontaktstücken unter Verwendung von Chrom-Kupfer-Werkstoffen hoher Qualitätsstufe; insgesamt läßt sich dadurch eine hohe Wirtschaftlichkeit erreichen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie des Herstellungsverfahrens in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Zur Herstellung eines Chrom-Kupfer-Verbundwerkstoffes durch Tränkung eines Chromgerüstes mit flüssigem Kupfer wird zunächst das Chromgerüst hergestellt. Als Ausgangsmaterial wird Chrompulver von sauerstoffarmer Qualität, beispielsweise ein Elektrolyse-Chrompulver mit einem Sauerstoffgehalt <500 ppm, insbesondere in der Größenordnung von 100 ppm, verwendet. Dem Chrompulver wird im Hochvakuum geglühtes Graphit-Pulver zugesetzt. Dabei liegt die Menge an Graphit bezogen auf das getränkte -Chromgerüst bei etwa 0,2 bis 3 Masseanteile in %; letzeres bedeutet eine Konzentration bezogen auf das Chrompulver mit in etwa doppelten Werten.
Der Pulvermischung wird gleichzeitig mindestens eines der Metalle Nickel, Kobalt oder Eisen beigemischt, wobei- die Konzentration bezogen auf das kupfergetränkte Chrom-Gerüst 0,05 bis 2 Masseanteile. in % beträgt.
Anschließend wird der Pulveransatz entweder in einem Mischer unter gereinigtem Stickstoff oder aber in einer Rührwerkskugelmühle unter einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Hexan, Azeton oder Methanol gemischt. Dafür werden übliche Einrichtungen des Standes der Technik verwendet.
Die Zusatzpulver Nickel, Kobalt oder Eisen sind vor der Beimischung in Wasserstoff reduziert worden, um zu verhindern, daß in den Pulveransatz Sauerstoff eingebracht wird.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, dem Pulveransatz einen Teil des zur Tränkung des Chromgerüstes erforderlichen Kupfers bereits bei der Herstellung des Chromgerüstes in Form von Kupferpulver in einer Menge von 5 bis 10 Masseanteilen in % zuzusetzen. Dieses Kupferpulver wird in Form von Elektrolyse-Kupferpulver mit einer Teilchengröße von t 37 ßm, das vorher in reinem Wasserstoff reduziert wurde, der Pulverschüttung zugesetzt.
Je nach Raumerfüllungsgrad des gewünschten Chromgerüstes, das mit Kupfer getränkt werden soll, wird der oben hergestellte Pulveransatz in eine Form aus Graphit geschüttet, gerüttelt oder auch in einer Matrize zu einem Formkörper, der der gewünschten Endform nahe kommt, verdichtet. Anschließend wird die Sinterung durchgeführt.
Die Sinterung erfolgt in einem Vakuum besser als 10 4 mb während einer Stunde bei etwa 1573 K (1300 OC), Bei der Sinterung findet eine Reaktion zwischen sauerstoffhaltigen Bereichen und dem Kohlenstoff statt, was zur Bindung des Restsauerstoffes führt. Gleichzeitig erfolgt aber auch eine Carbidbildung in den Berührungsflächen zwischen Chrom und Graphit einerseits bzw. dem zugesetzten Nickel, Kobalt oder Eisen andererseits. Dadurch liegt nach der Abkühlung auf Raumtemperatur im Sintergerüst neben dem Anteil an freien Graphit auch Kohlenstoff in Form von Carbiden, beispielsweise als Chromcarbid, Nickelcarbid, Kobaltcarbid oder Eisencarbid,vor.
Wie bereits erwähnt, führt die Reduktion während der Sinterung zu einer Herabsetzung des Sauerstoffgehaltes und damit insgesamt zur erwünschten Erniedrigung des Gasgehaltes. Anschließend kann die Tränkung des Sintergerüstes mit Kupfer durchgeführt werden.
Die Tränkung erfolgt mit gasarmem Kupfer als Auf- oder Unterlagentränkung, wobei zur Porenfüllung die erforderliche Kupfermenge und ein Tränküberschuß von etwa 5 bis 10 % zum Sintergerüst gelegt wird. Bei der Tränkung ist durch geeignete Maßnahme darauf zu achten, daß das Sintergerust nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommt.
Dies wird in bekannter Weise durch Schutzgas, insbesondere gereinigtem Stickstoff, gewährleistet. Besonders wirtschaftlich ist es, die Tränkung unmittelbar an die Sinterung folgen zu lassen, wozu das flüssige Tränkmetall Kupfer in geeigneter Weise zugeführt werden kann.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wird der Chrom-Pulvermischung als zusätzlicher Getterwerkstoff Titan- oder Niobpulver in einer Menge von 1 bis 5 Masseanteilen in % zugesetzt, wodurch sich der Sauerstoff binden läßt und besonders gute Tränkvoraussetzungen vorliegen.
Vorteile der beschriebenen Verbundwerkstoffe sind durch die speziell angegebene Zusammensetzung und die immer erreichte Vollständigkeit der Tränkung gegeben, weil ein Überzug des Chromgerüstes speziell mit einer Kupfer-Legierung, beispielsweise mit einer CuNi-Legierung, erreicht wird. Durch die Zugabe von Kupferpulver bei der Sinterung des Chrom-Gerüstes tritt bereits eine flüssige Phase, und zwar bei..Nickel-Zusatz aus einer CuNi-Legierung, auf. Daß diese flüssige Phase das Chromgerüst überzieht, ist aus der gleichmäßig hellen Färbung des gesinterten Chromgerüstes zu erkennen. Im Vergleich dazu weist ein gesintertes Rein-Chromgerüst örtlich dunkle Flecken von oxidhaltigen Bereichen auf. Diese sind bei den beschriebenen Beispielen nicht mehr vorhanden.
Mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren wird jeweils ein Formteilkontaktstück des vorgeschlagenen Werkstoffes erhalten, das weitgehend der Verwendungsform entspricht.
Nunmehr ist es lediglich noch erforderlich, nach der Tränkbehandlung am Formkörper den Tränküberschuß zu beseiliegen, beispielsweise durch Plandrehen Bei der Oberflächenbehandlung an der Wirkungsfläche wird allenfalls immer nur eine dünne Schicht und damit insgesamt kein wesentlicher Volumenanteil des hochwertigen Gerüstmaterials abgetragen. Der abgetragene Volumenanteil beträgt weniger als 5 % des Formkörpers, meist sogar weniger als 1 %.
Es ergibt sich somit durch die Erfindung eine Formteiltechnik bzw. Fast-Formteiltechnik, mit Chrom-Kupfer-Kontaktstücken hoher Qualitätsstufe. Die Kontaktstücke aus dem vorgeschlagenen Werkstoff lassen sich also besonders wirtschaftlich herstellen.
1 4 Patentansprüche 0 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Verbundwerkstoff aus Chrom und Kupfer, insbesondere für elektrische Kontaktstücke in Vakuumschaltern für mittlere bis hohe Spannungen der Energietechnik, wobei der Werkstoff aus einem mit Kupfer od. Kupfer-Legierungen getränkten Chromgerüst besteht, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Werkstoff Kohlenstoff enthält, der teilweise in Form von freiem Graphit und teilweise in gebundener Form von Metallcarbiden vorliegt, wozu das Chromgerüst zusätzlich einen Gehalt eines oder mehrerer der Metalle~Nickel, Kobalt oder Eisen in einer Menge von 0,05 bis 2 Masseanteilen in % hat.
2. Verbundwerkstoff 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 das Gerüst zusätzlich Titan und/oder Niob in einer Menge von 1 bis 5 Masseanteilen in % aufweist.
3. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zur Erzeugung des Tränkgerüstes eine Pulverschüttung aus Chrompulver mit einem Sauerstoffgehalt <500 ppm, vorzugsweise etwa 100 ppm, verwendet wird, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Verfahrensschritte: a) einem Pulveransatz aus Chrom und einemoder mehreren der Metalle Nickel, Kobalt oder Eisen wird im Hochvakuum geglühtes Graphit-Pulver zugesetzt, dessen Menge an Graphit bezogen auf das getränkte Chromgerüst bei 0,2 bis 3 Masseanteile in % liegt, b) das Mischen des Pulveransatzes erfolgt in einem Mischer unter Schutzgas oder in einer Rührwerkskugelmühle unter einem organischen Lösungsmittel.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Schutzgas bei Verfahrensschritt b) gereinigter Stickstoff ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dad u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das organische Lösungsmittel bei Verfahrensschritt b) Hexan, Azeton oder Methanol ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Pulveransatz bereits ein Teil des zur Tränkung des Chromgerüstes erforderlichen Kupfers als Pulver in einer Menge von 5 bis 10 Masseanteilen in % zugesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Kupferpulver aus Elektrolyse-Kupfer besteht und eine Teilchengröße von kleiner als 37 ßm hat, welches vorher in reinem Wasserstoff reduziert wurde.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzpulver Nickel, Kobalt oder Eisen des Pulveransatzes ebenfalls in Wasserstoff reduziert wurden.
9. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Pulveransatz in eine Form aus Graphit geschüttet, gerüttelt oder in einer Matrize zu einem Formkörper verdichtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Sinterung des Pulveransatzes in einem Vakuum besser als 10 mb während einer Stunde bei etwa 1573 K (1300 OC) erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 4 und 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Tränken nach Abkühlung des Sintergerüstes mit gasarmem Kupfer als Auf-oder Unterlagentränkung mit einem Tränküberschuß an Kupfer unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Pulverschüttung für die Sinterung des Tränkgerüstes zusätzlich Titan- oder Niob-Pulver in einer Menge von 1 bis 5 Masseanteilen in % zugegeben wird.
13. Formteilkontaktstück aus einem Mbrbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Formkörper nach dem Verfahren eines der Ansprüche 3 bis 12 hergestellt wird, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Formkörper nach der Tränkbehandlung lediglich an seiner Wirkungsfläche oberflächenbehandelt ist, wobei kein wesentlicher Volumenanteil an Gerüstwerkstoff abgetragen wird.
14. Formteilkontaktstück nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der abgetragene Volumenanteil weniger als 5 % des Formkörpers, vorzugsweise weniger als 1 %, beträgt.