DE3347550C2

DE3347550C2 -

Info

Publication number: DE3347550C2
Application number: DE19833347550
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr. 8500 Nuernberg De Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1987-12-23
Also published as: JPS60158524A; DE3347550A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Chrom und Kupfer, insbesondere für elektrische Kontaktstücke bei Vakuumschaltern für mitt lere bis hohe Spannungen der Energietechnik, gemäß dem Ober begriff des Patentanspruches 1.

Bei Kontaktwerkstoffen für Vakuumschalter der Energietechnik für mittlere bis hohe Spannungen und hohe Ausschaltströme besteht 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, ge ringe Werte der Chopping-Stromverteilung und nur eine geringe Erwärmung bei maximalem Nennstrom gefordert. Zur Sicherstellung einer hinreichenden Langzeitfunktion der Kontaktstücke ist da neben immer ein niedriger Gasgehalt des Kontaktwerkstoffes wünschenswert.

Als Kontaktwerkstoffe für Vakuumleistungsschalter haben sich bisher Verbundwerkstoffe aus Chrom und Kupfer mit etwa 50% Chrom bewährt. Sie zeichnen sich durch ihre Abbrandfestigkeit im Lichtbogen und durch eine ausreichende elektrische Leit fähigkeit aus. Üblicherweise sind dabei in der Matrix neben der Hauptkomponente Chrom auch zusätzliche Nebenkomponenten vorhanden, was beispielsweise aus der DE-OS 22 40 493 ersicht lich ist. Daneben können gemäß der DE-OS 23 24 317 Ausschei dungen von Kohlenstoff in der metallischen Matrix zum Errei chen besserer Schalteigenschaften vorteilhaft sein. Speziell in der DE-OS 26 19 459 wird vorgeschlagen, bei Sinterver bundwerkstoffen als Kontaktwerkstoff für Vakuum-Mittelspan nungsleistungsschalter Chromcarbid (Cr₃C₂), das sich durch ei nen hohen Siedepunkt auszeichnet, als abreißstromsenkende Kom ponente zu verwenden.

Zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Chrom und Kupfer werden bisher durchweg Sintertränk-Technologien angewendet. Spezielle Verfahren zur Herstellung derartiger Werkstoffe sind in den älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentan meldungen P 32 26 604.9 und P 33 22 866.3 angegeben.

Bei der Herstellung der obengenannten Verbundwerkstoffe können noch Schwierigkeiten durch teilweise unvollständige Tränkung und zu hohem Gasgehalt auftreten. Zur Kompensierung dieser un erwünschten Werkstoffbeschaffenheit und Verbesserung der Kon takteigenschaften wurden daher bisher durchweg die Kupfer- Chromtränkwerkstoffe als Halbzeug hergestellt, aus denen unter erheblichen Materialverlust Endformteile, beispielsweise durch Schneiden, Drehen od. dgl., 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 flüssi gem Kupfer ohne vorherige Gerüstsinterung einerseits die mecha nische Festigkeit und andererseits die Abbrandfestigkeit nicht immer die hohen Werten der Qualitäten solcher Werkstoffe, bei denen das Chromgerüst vorher durch eine Sinterung verfestigt wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Her stellung eines Verbundwerkstoffes aus Chrom und Kupfer anzu geben, bei dem der Werkstoff verbesserte Eigenschaften zur Anwendung bei Kontaktstücken in Vakuumschaltern hat.

Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Abfolge der Ver fahrensschritte a) bis e) des Patentanspruches 1 gelöst. Vor teilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ange geben.

Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird ein Werk stoff erzeugt, der in an sich bekannter Weise Kohlenstoff enthält, welcher aber speziell teilweise in Form von freiem Graphit und teilweise in gebundener Form von Metallcarbiden, beispielsweise Chromcarbid oder Carbide der zusätzlichen Ne benkomponenten Nickel, Kobalt und/oder Eisen, vorliegt. Die Metallcarbide liegen bei dem erfindungsgemäß hergestellten Werkstoff in den Berührungsflächen zwischen dem Chrom bzw. den weiteren Metallen Nickel, Kobalt oder Eisen und dem Graphit. Zusätzlich kann dem Pulveransatz bei der Herstellung des Werk stoffes auch Titan und/oder Niob in einer Menge von 1 bis 5 Masseanteilen in Prozent zugefügt werden, wodurch die Getter eigenschaften für den unerwünschten Sauerstoff weiter verbes sert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Werkstoff vor teilhafterweise als ein solches Formteil erhalten, das im Idealfall nicht mehr oder im allgemeinen nur noch geringfügig nachbearbeitet werden muß und in dieser Form als Kontaktstück für Vakuumschalter dienen kann. Gegebenenfalls wird lediglich der Tränküberschuß auf der Verbindungsseite des Kontaktstückes beseitigt, beispielsweise durch Plandrehen. Beim eventuellen Nachbearbeiten der Kontaktstückoberfläche ist nur noch eine dünne Schicht und damit wenig hochwertiges Kontaktmaterial abzutragen.

Es ist also mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Formteil technik bzw. eine Fast-Formteiltechnik zur Herstellung von Kontaktstücken aus Chrom-Kupferwerkstoffen hoher Qualitäts stufe realisiert; insgesamt läßt sich dadurch eine hohe Wirt schaftlichkeit erreichen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs beispielen 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 Ausgangs material wird Chrompulver von sauerstoffarmer Qualität, beispielsweise ein Elektrolyse-Chrompulver mit einem Sauerstoffgehalt <500 ppm, insbesondere in der Größen ordnung 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 %; letzte res bedeutet eine Konzentration bezogen auf das Chrom pulver 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 Lösungs mittel, 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 ver hindern, daß in den Pulveransatz Sauerstoff einge bracht 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 <37 µm, das vorher in reinem Wasserstoff reduziert wurde, der Pulverschüttung zuge setzt.

Je nach Raumerfüllungsgrad des gewünschten Chromgerüstes, das mit Kupfer getränkt werden soll, wird der oben her gestellte Pulveransatz in einer Form aus Graphit ge schüttelt, gerüttelt oder auch in einer Matrize zu einem Formkörper, der der gewünschten Endform nahe kommt, ver dichtet. Anschließend wird die Sinterung durchgeführt.

Die Sinterung erfolgt in einem Vakkum besser als 10^-4 mb während einer Stunde bei etwa 1573 K (1300°C).

Bei der Sinterung findet eine Reaktion zwischen sauer stoffhaltigen Bereichen und dem Kohlenstoff statt, was zur Bindung des Restsauerstoffes führt. Gleichzeitig er folgt aber auch eine Carbidbildung in den Berührungsflä chen zwischen Chrom und Graphit einerseits bzw. dem zuge setzten 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 Sinter gerüstes mit Kupfer durchgeführt werden.

Die Tränkung erfolgt mit gasarmem Kupfer als Auf- oder Unterlagentränkung, wobei zur Porenfüllung die erforder liche 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 Sintergerüst nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommt. Dies wird in bekannter Weise durch Schutzgas, insbe sondere 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 Getter werkstoff Titan- oder Niobpulver in einer Menge von 1 bis 5 Masseanteilen in % zugesetzt, wodurch sich der Sauer stoff binden läßt und besonders gute Tränkvoraussetzungen vorliegen.

Vorteile der beschriebenen Verbundwerkstoffe sind durch die speziell angegebene Zusammensetzung und die immer er reichte Vollständigkeit der Tränkung gegeben, weil ein Überzug des Chromgerüstes speziell mit einer Kupfer- Legierung, beispielsweise mit einer CuNi-Legierung, er reicht 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. Das 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 beschrie benen 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 besei tigen, beispielsweise durch Plandrehen. Bei der Ober flächenbehandlung an der Wirkungsfläche wird allenfalls immer nur eine dünne Schicht und damit insgesamt kein wesentlicher Volumenanteil des hochwertigen Gerüstmate rials abgetragen. Der abgetragene Volumenanteil beträgt weniger als 5% des Formkörpers, meist sogar weniger als 1%.

Es ergibt sich somit durch die Erfindung eine Formteil technik bzw. Fast-Formteiltechnik, mit Chrom-Kupfer-Kon taktstücken hoher Qualitätsstufe. Die Kontaktstücke aus dem vorgeschlagenen Werkstoff lassen sich also be sonders wirtschaftlich herstellen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Chrom und Kupfer, insbesondere für elektrische Kontaktstücke in Vakuumschaltern für mittlere bis hohe Spannungen der Energietechnik, unter Anwendung einer Sinter-Tränktechnik, wobei ein Pulveransatz aus Chrom und weiteren Komponenten zu einem Tränkgerüst gesintert wird, das mit Kupfer oder Kupfer legierungen getränkt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es wird Chrompulver mit einem Sauerstoffgehalt kleiner 500 ppm, vorzugsweise etwa 100 ppm, verwendet;
b) dem Pulver aus Chrom und den weiteren Metallen wie Nickel, Kobalt und/oder Eisen wird im Hochvakuum geglühtes Graphit- Pulver zugesetzt, wobei die Menge an Graphit, bezogen auf den Werkstoff bei 0,2 bis 0,3 Massenanteilen in Prozent, liegt;
c) das Mischen des Pulveransatzes erfolgt in einem Mischer unter Schutzgas oder in einer Rührwerkskugelmühle unter einem organischen Lösungsmittel;
d) die Sinterung des Pulveransatzes zum Tränkgerüst erfolgt in einer Graphitform im Vakuum besser als 10^-4 mb während einer Stunde bei etwa 1573 K;
e) das Tränken erfolgt nach Abkühlung mit gasarmem Kupfer als Auflagen- oder Unterlagentränkung mit einem Tränküberschuß an Kupfer unter Schutzgasatmosphäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das für den Pulveransatz gemäß Ver fahrensschritt b) Nickel, Kobalt und/oder Eisen mit einem Ge halt von 0,05 bis 2 Massenanteile in % verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die als Schutzgas bei Verfahrens schritt c) gereinigter Stickstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als organische Lösungsmittel bei Ver fahrensschritt c) Hexan, Azeton oder Methanol verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß im Anschluß an Verfahrensschritt c) der Pulveransatz in der Graphitform gerüttelt oder statt dessen in einer separaten Matrize zu einem Formkörper verdichtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulver ansatz bereits ein Teil des zur Tränkung erforderlichen Kupfers als Pulver in einer Menge von 5 bis 10 Massenanteilen in Prozent zugesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß als Kupferpulver Elektrolyse- Kupfer mit einer Teilchengröße von kleiner 37 µm und vorher in reinem Wasserstoff reduziert verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Metalle Nickel, Kobalt oder Eisen als Zusätze in Wasserstoff reduzierter Form verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulveransatz für die Sinterung des Tränkgerüstes zusätzlich Titan oder Niob als Pulver in einer Menge von 1 bis 5 Masse anteilen in Prozent zugegeben wird.