DE3406535C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem aus der DE-OS 23 46 179 bekannten Verfahren der pulvermetallurgischen Her­ stellung eines Verbundwerkstoffs aus Chrom und Kupfer für Vakuumschalter, bei dem die Pulvermischung der Komponenten zu einem Formkörper gepreßt, der Formkörper unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer unter Vakuum oder Schutzgas gesintert und schließlich unter Schutzgas geglüht wird. Durch dieses bekannte Verfahren werden Kontaktstücke für Vakuumschalter hergestellt, indem man Chrompulver mit Teilchengrößen zwischen 10 µm und 250 µm sowie Kupferpulver miteinander mischt, aus der Pulvermischung durch Pressen Kontaktstück-Vor­ formlinge herstellt, die Vorformlinge in flüssiger oder fester Phase sintert und anschließend zum Erreichen einer relativen Dichte von wenigstens 98% (Porosität kleiner als 2%) durch Pressen nachver­ dichtet. Der Chromanteil in diesen Kontaktstücken liegt zwischen 40 und 65 Vol.-%, der Kupferanteil ent­ sprechend zwischen 60 und 35 Vol.-%.

Aus der DE-OS 29 14 186 ist es ferner bekannt, Kon­ taktstücke für Vakuumschalter dadurch herzustellen, daß man Chrompulver mit Teilchengrößen zwischen 74 µm und 150 µm sowie Kupferpulver mit Teilchengrößen zwischen 35 µm und 50 µm miteinander mischt, aus der Pulvermischung Kontaktstück-Vorformlinge preßt und diese Vorformlinge im Vakuum bei fester Phase sintert und dabei die Sintertemperatur so hoch sowie die Sin­ terdauer so lang wählt, daß eine relative Dichte von wenigstens 97% entsprechend einer Porosität von nicht mehr als 3% erreicht wird.

Der Anteil des Chroms liegt in diesen Kontaktstücken zwischen 10 und 40 Gew.-%, der Anteil des Kupfers entsprechend zwischen 90 und 60 Gew.-%.

Aus der DE-PS 28 22 956 ist es bekannt, Kontaktstücke für Vakuumschalter dadurch herzustellen, daß man Chrom­ pulver mit einer Teilchengröße unter 100 µm sowie Kupferpulver mit einer Teilchengröße größer als 5 µm miteinander mischt, aus der Pulvermischung durch ther­ mische Granulierung zunächst Chrom-Kupfer-Pellets her­ stellt, anschließend aus den Pellets durch Pressen Kontaktstück-Vorformlinge erzeugt und diese in Wasser­ stoffatmosphäre bei fester Phase sintert bis zum Er­ reichen einer relativen Dichte von wenigstens 90%, entsprechend einer Porosität von nicht mehr als 10%. Der Anteil des Chroms liegt bei diesen Kontaktstücken zwischen 20 und 80 Gew.-%, der Kupfergehalt entsprechend zwischen 80 und 20 Gew.-%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pulver­ metallurgisches Verfahren zum Herstellen von elektri­ schen Kontaktstücken für Vakuumschalter durch Sintern von Kupfer-Chrom-Pulvermischungen bei fester Phase herzustellen, welches zu Kontaktstücken mit optimalen Eigenschaften hinsichtlich Ausschaltvermögen, Abbrand, Spannungsfestigkeit und Sicherheit gegen Verschweißen führt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Chrompulver werden üblicherweise durch einen Mahlpro­ zeß hergestellt. Die solcherart hergestellten Chrom­ pulver besitzen üblicherweise eine Teilchengrößenverteilung, die einer Gauss'schen Verteilung ähnlich ist. Bei den bekannten Herstellungsverfahren für Kupfer- Chrom-Kontaktstücke trennt man von dem Chrompulver, welches aus dem Mahlprozeß hervorgegangen ist, die groben Pulverteilchen oberhalb einer vorgegebenen Teilchen­ größe (DE-PS 28 22 956), in manchen Fällen auch die feinkörnigen Anteile unterhalb einer vorgegebenen Teilchen­ größe (DE-OS 29 14 186 und DE-OS 23 46 179) durch Sieben ab. Es ist sogar auch schon vorgeschlagen worden, eine mittlere Teilchengrößenfraktion auszusieben. In allen Fällen kann man jedoch die ursprüngliche Normal­ verteilung der Teilchengrößen im Pulver noch wiedererkennen, da von dieser Normalverteilung gleichsam nur gewisse Bereiche abgetrennt sind.

Erfindungsgemäß wird hingegen ein Chrompulver für die Herstellung der Kontaktstück-Vorformlinge verwendet, welches die ursprüngliche Normalverteilung nicht mehr aufweist und nicht mehr erkennen läßt. Vielmehr wird eine einigermaßen ausgeglichene Teilchengrößenverteilung angestrebt, und dies erreicht man dadurch, daß man ein Chrompulver, welches in üblicher Weise durch einen Mahlprozeß hergestellt wurde, durch Siebvorgänge in unterschiedliche Teilchengrößenfraktionen aufteilt und diese Fraktionen anschließend so miteinander mischt, daß in der neuen Mischung eine einigermaßen gleich­ förmige Teilchengrößenverteilung vorliegt, d. h. daß die kleinen Teilchengrößen und die großen Teilchengrößen in der Mischung stärker vertreten sind als im Ausgangspulver mit der Gauss'schen Teilchengrößenverteilung. Wollte man eine ideal gleichmäßige Teilchengrößenverteilung erreichen, müßte man das ursprüngliche Chrompulver durch viele Siebvorgänge in sehr viele, entsprechend schmale Teilchengrößenfraktionen unterteilen und diese dann in bestimmten Verhältnissen wieder miteinander mischen. In der Praxis genügt es jedoch vollkommen, das durch Mahlen erhaltene Chrompulver in verhältnismäßig breite Teilchengrößenfraktionen zu unterteilen - und zwar wird erfindungsgemäß eine Unterteilung in jeweils 30 µm breite Teilchengrößenfraktionen vorgeschlagen. Die erfin­ dungsgemäß vorgeschlagene und sich vom Stand der Technik abhebende, verhältnismäßig gleichmäßige Teilchen­ größenverteilung wirkt sich einerseits positiv auf eine geringe Verschweißneigung und andererseits positiv auf das Ausschaltvermögen und die Spannungsfestigkeit der Kontaktstücke aus und bewirkt, daß sich die Eigenschaften der Kontaktstücke auch nach längerer Betriebsdauer, welche durch die Lichtbogeneinwirkung unvermeidbar das Gefüge bzw. die Oberfläche der Kontaktstücke beeinflußt, nicht gravierend verändern.

Als besonders geeignet hat sich die Pulverteilchengrößen­ verteilung erwiesen, welche im Patentanspruch 2 wieder­ gegeben ist. Die Pulvermischung, aus welcher die Kontaktstück-Vorformlinge hergestellt werden, enthalten vorzugsweise zwischen 35 und 40 Gew.-% Chrom, der Rest entfällt auf Kupfer.

Die Auswahl der Teilchengröße ist beim Kupferpulver weit weniger kritisch als beim Chrompulver. Zweckmäßigerweise verwendet man ein feines Kupferpulver, dessen mittlere Teilchengröße kleiner als 5 µm ist.

Hat man Kupferpulver und Chrompulver in den vorgesehenen Anteilen miteinander gründlich vermischt, dann stellt man daraus durch Pressen die Kontaktstück-Vor­ formlinge her. Zweckmäßigerweise werden die Pulver kalt verpreßt, um dem Chrom keine Gelegenheit zu geben, zu oxidieren. Die Höhe des Preßdrucks richtet sich nach der Dichte, welche die Vorformlinge erreichen sollen. Einerseits soll die Dichte der Vorform­ linge so hoch sein, daß im nachfolgenden Sinterprozeß die angestrebte relative Dichte zwischen 93% und 97% ohne zu lange Sinterzeiten erreicht wird. Andererseits muß die Dichte der Vorformlinge so niedrig bleiben, daß die Vorformlinge während des Sintervorganges noch entgasen und das Kupfer - soweit es oxidiert war - noch reduziert werden kann.

Es sollte angestrebt werden, daß die Vorformlinge eine relative Dichte zwischen 75% und 85% aufweisen, bezogen auf die theoretisch erreichbare maximale Dichte des Kupfer-Chrom-Werkstoffs (die maximale Dichte ist erreicht, wenn das Kontaktstück kein Porenvolumen mehr aufweist).

Durch den nachfolgenden Sintervorgang sollen die Vor­ formlinge eine relative Dichte zwischen 93% und 97% erreichen. Mit dieser Vorschrift vollzieht die Erfindung eine gewisse Abkehr von dem, was in der Fachwelt bisher für nötig erachtet worden war:

Bisher war man nämlich der Meinung, daß die Eigen­ schaften von Kupfer-Chrom-Kontaktstücken umso vorteil­ hafter seien, je höher deren relative Dichte sei. Deshalb hat man sich auch bislang stets um eine möglichst hohe Dichte der Kontaktstücke bemüht (vergl. DE-OS 29 14 186; mindestens 97%; DE-OS 23 46 179; mindestens 98%), und da man durch einen Sintervorgang allein besonders hohe Dichten schwer erreichen kann, hat man bislang die gesinterten Vorformlinge regelmäßig durch Heißpressen nachverdichtet, um die angestrebte hohe Dichte zu erreichen. Die Erfinder haben jedoch fest­ gestellt, daß man optimale Eigenschaften von Kupfer- Chrom-Kontaktstücken bereits bei niedrigerer Dichte erreichen kann, wenn man die erfindungsgemäße Vor­ schrift für die Wahl der Teilchengrößenverteilung des Chrompulvers befolgt und durch geeignetes thermisches Nachbe­ handeln der Kontaktstücke, nämlich durch Lösungsglühen und nachfolgendes Abschrecken, dafür Sorge trägt, daß die sich im Kupfer ausscheidenden Chrompartikel kleiner als 1 µm bleiben.

Die relativen Dichten zwischen 93% und 97%, welche erfindungsgemäß erreicht werden sollen, können durch Sintern der kalt gepreßten Vorformlinge erreicht werden und erfordern kein Nachverdichten durch Heißpressen. Gleichwohl könnte jedoch an den Sintervorgang ein Nachverdichten durch Heißpressen angeschlossen werden, wenn die Sinterbedingungen so gewählt wurden, daß die für das Kontaktstück angestrebte relative Dichte durch den Sintervorgang noch nicht erreicht wurde.

Das Sintern wird bei fester Phase durchgeführt, d. h., unterhalb der Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Komponente (Kupfer). Vorzugsweise soll das Sintern bei Temperaturen zwischen 1030°C und 1070°C erfolgen. Die Sinterdauer hängt von der gewählten Sintertemperatur ab:

Je höher man die Sintertemperatur wählt, mit desto geringerer Sinterdauer kommt man aus. Die Chrom-Pulver­ teilchen, welche aus dem Mahlprozeß hervorgehen, haben eine sehr unregelmäßige, vielfach gezackte Gestalt. Man hat beobachtet, daß durch den Sintervorgang die Zacken der Chromteilchen fortschreitend ausgeglichen werden. Die Erfinder empfehlen, die Parameter des Sintervorgangs (Sintertemperatur und Sinterdauer) so zu wählen, daß die Chromteilchen durch den Sintervorgang in ihrer Gestalt möglichst wenig verändert werden. Nach den Erfahrungen der Erfinder ist dies von erheblicher Bedeutung für die positiven Eigenschaften des Kontaktstückes. Während des Sintervorganges sollen die Vorform­ linge reduziert werden. Deshalb sollte der Sintervor­ gang wenigstens zeitweise unter Wasserstoff ablaufen.

Vorzugsweise hält man die Vorformlinge nur während der Aufheizphase unter Wasserstoff, während man den eigentlichen Sintervorgang bei Temperaturen zwischen 1030°C und 1070°C im Vakuum ablaufen läßt, wodurch ein Entgasen der Vorformlinge ermöglicht wird.

Chrom ist nur in geringen Mengen in Kupfer löslich; bei den angegebenen Sintertemperaturen liegt die maximale Löslichkeit etwa bei 0,8 Gew.-%. Mit abnehmender Temperatur fällt die Löslichkeit des Chroms im Kupfer ab. Daraus folgt, daß beim Abkühlen der Vorformlinge das im Verlauf des vorangegangenen Sintervorgangs im Kupfer gelöste Chrom teilweise ausgeschieden wird. Durch die thermische Nachbehandlung durch Lösungsglühen, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 960°C und 1030°C unter Wasserstoff und nachfolgendes Abschrecken wird dafür gesorgt, daß die im Kupfer ausgeschiedenen Chrom­ partikel kleiner als 1 µm sind. Das Abschrecken kann dadurch erfolgen, daß man die mit Abschluß des Lösungsglühvorgangs aus einem Durchlaufofen kommenden Kontaktstücke auf eine gekühlte Metallplatte aufschiebt und dabei mit kaltem Schutzgas anbläst.

Eine hochwirksame Kühlung der Metallplatte kann z. B. durch flüssigen Stickstoff erfolgen.

Nachfolgend werden noch besonders bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung angegeben:

I. Es wird ein Chrompulver hergestellt durch ein Mischen von ausgewählten Teilchengrößenfraktionen in den nachstehend angegebenen Anteilen:

von   0 µm bis zu  30 µm: 10 Gew.-% von  30 µm bis zu  60 µm: 15 Gew.-% von  60 µm bis zu  90 µm: 15 Gew.-% von  90 µm bis zu 120 µm: 15 Gew.-% von 120 µm bis zu 150 µm: 15 Gew.-% von 150 µm bis zu 180 µm: 15 Gew.-% von 180 µm bis zu 200 µm: 15 Gew.-%
100 Gew.-%

Diese Chrompulvermischung besitzt eine mittlere Pulver- Teilchengröße von ungefähr 110 µm. 35 Gewichtsteile dieser Chrompulvermischung und 65 Gewichtsteile eines feinen Kupferpulvers mit einer mittleren Teilchengröße von nicht mehr als 5 µm wrden ca. 1 Stunde lang intensiv miteinander vermischt und ohne Zusätze kalt zu Vorformlinge verpreßt, die eine relative Dichte von ungefähr 80% (entsprechend einem Porenvolumen von 20%) aufweisen. Der dazu benötigte Preßdruck beträgt zwischen 5500 bar und 6500 bar. Die so erzeugten Vorformlinge werden in einen Sinter­ ofen überführt, in diesem unter Wasserstoff auf eine zwischen 1030°C und 1070°C liegende Sintertemperatur aufgeheizt und anschließend bei dieser Temperatur für die Dauer von 2 Stunden gehalten und anschließend durch Abschalten der Heizung des Sinterofens allmählich abge­ kühlt. Die gesinterten Kontaktstücke weisen eine relative Dichte von ungefähr 95% auf. Sie werden nach der Entnahme aus dem Sinterofen in einem Durchlaufofen einer Nachbehandlung durch Lösungsglühen unter Wasser­ stoff bei einer Temperatur von 1000°C unterzogen, und zwar für die Dauer von 1 Stunde. Anschließend werden die Kontaktstücke abgeschreckt, indem sie - aus dem Durch­ laufofen kommend - unter Einwirkung einer kalten Wasser­ stoffdusche auf eine gekühlte Metallplatte aufgeschoben werden.

II. In einer Abwandlung des beschriebenen Verfahrens wird die Dauer des in I. genannten Sintervorgangs abgekürzt auf einen Zeitraum von 30 Minuten. Die gesinterten Kontaktstücke weisen dann eine relative Dichte von nur ungefähr 90% auf. Sie werden deshalb kurzzeitig einem heiß-isostatischen Druck­ sintern bei einer Temperatur von 1000°C sowie unter einem Druck von 200 bar unterworfen und dabei nachverdichtet. Sie erreichen dadurch eine relative Dichte von ebenfalls 95%. Im übrigen läuft das Verfahren ab wie im ersten Beispiel angegeben. Die durch das abgewandelte Verfahren erzeugten Kontaktstücke unterscheiden sich von denen des zuerst angegebenen Verfahrens dadurch, daß infolge des verkürzten Sintervorgangs die Chromteilchen in den Kontaktstücken noch eine stärker gezackte Gestalt beibehalten haben.

Claims (5)

1. Anwendung eines Verfahrens der pulvermetallurgischen Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus Chrom und Kupfer für Vakuumschalter, bei dem die Pulvermischung der Komponenten zu einem Formkörper gepreßt, der Formkörper unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer unter Vakuum oder Schutzgas gesintert und schließlich unter Schutzgas geglüht wird, auf eine Mischung aus 30 bis 80 Gew.-% Chrompulver und Kupferpulver als Rest, wobei das Chrompulver Teil­ chengröße von max. 210 µm sowie eine Teilchengrößenver­ teilung aufweist, die durch annähernd gleiche, auf die Breite der jeweiligen Fraktion normierte Anteile in den Fraktionen

• bis 30 µm von 30 bis  60 µm von 60 bis  90 µm von 90 bis 120 µm von120 bis 150 µm von150 bis 180 µm und von180 bis 210 µm

sowie durch eine zwischen 100 und 120 µm liegende mittlere Teilchengröße gekennzeichnet ist, mit der Maßgabe, daß bis auf eine Dichte zwischen 93 und 97% der theoretischen Dichte gesintert wird und die Sinterkörper zur Begrenzung der Chromausscheidungen im Kupfer auf Größen kleiner als 1 µm Durchmesser einem Lösungsglühen mit nachfolgendem Abschrecken unterzogen werden.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Mischung, in der das Chrompulver folgende Teilchen­ größenverteilung aufweist:

• bis zu 30 µm: 10 Gew.-% von  30 µm bis zu  60 µm: 15 Gew.-% von  60 µm bis zu  90 µm: 15 Gew.-% von  90 µm bis zu 120 µm: 15 Gew.-% von 120 µm bis zu 150 µm: 15 Gew.-% von 150 µm bis zu 180 µm: 15 Gew.-% von 180 µm bis zu 210 µm: 15 Gew.-%
  100 Gew.-%

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf eine Mischung, in der das Kupferpulver eine mittlere Teilchengröße kleiner als 5 µm hat.

4. Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit der Maßgabe, daß das Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 960°C und 1030°C unter Wasserstoff erfolgt.