DE3430490A1 - Schaltkammer fuer ein elektrisches schaltgeraet, insbesondere zur verwendung in der niederspannungs-energietechnik - Google Patents

Description

Beschreibung:

Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Bis heute ist Silber der wesentliche Bestandteil der meisten in Niederspannungsschaltgeräten verwendeten Kontaktwerkstoffe, und zwar am häufigsten in Verbindung mit Metalloxiden (Kadmiumoxid, Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid und andere mehr, einzeln oder in Kombination), welche im Silber dispergiert sind und deren Anteil 10 bis 15 Gew.-% nicht übersteigt. Silber ist nämlich praktisch das einzige Metall, welches in Niederspannungsschaltgeräten als Basis für Werkstoffe für elektrische Kontakte, die in Luft schalten sollen, infrage kommt, weil es an Luft keine stabilen Oxide bildet und eine hohe elektrische Leit-

1.5 fähigkeit aufweist. Silber ist jedoch ein Metall, dessen Preis verhältnismäßig hoch und darüberhinaus durch Spekulation beeinflußt ist. Es sind deshalb Bestrebungen im Gange, in Niederspannungsschaltgeräten die Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis durch Kontaktwerkstoffe auf Unedelmetallbasis zu ersetzen. Wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers bieten sich zu diesem Zweck Kontaktwerkstoffe an, die Kupfer enthalten. Sie können jedoch nur dann in Niederspannungsschaltgeräten eingesetzt werden, wenn sie eine Reihe von Anforderungen erfüllen:

- Der Kontaktwiderstand soll gering sein, und zwar auf Dauer,

- die Kontaktstücke sollen eine gute Abbrandfestigkeit

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unter dem Einfluß von Schaltlichtbögen zeigen, - die Kontaktstücke sollen beim Schließen unter Last eine möglichst geringe Neigung zum Verschweißen zeigen,

- und nach dem öffnen des Schalters soll ein Wiederzünden des Schaltlichtbogens nicht auftreten.

Wegen der leichten Oxidierbarkeit des Kupfers ist ein auf Dauer geringer Kontaktwiderstand nur zu erreichen, wenn die kupferhaltigen Schaltkontakte nicht in Luft, sondern unter einem sauerstoffreien Schutzgas betrieben werden. Als Schutzgas kann im Prinzip jedes Gas verwendet werden, welches nicht in unerwünschter Weise mit dem Kontaktwerkstoff reagiert (wie es bei Stickstoff unter Nitridbildung möglich wäre) und welches unter der Wirkung des Schaltlichtbogens keine schädlichen Zersetzungsprodukte freisetzt. Da Schaltgeräte, deren Kontaktstücke in einer mit Schutzgas gefüllten Schaltkammer eingeschlossen sind, aber im Wettbewerb mit den in Luft schaltenden, konstruktiv einfacheren Schaltgeräten mit Kontaktstücken auf Silberbasis konkurrieren müssen, kommt es beim Ersatz der Kontaktstücke auf Silberbasis durch solche auf Unedelmetal 1-basis entscheidend darauf an, für die dann nötige Schaltkammer mit Schutzgasfüllung eine möglichst einfache und preisgünstige Lösung zu finden.

Aus diesen Erwägungen heraus kommt als Schutzgas praktisch nur Argon in Betracht, denn Argon ist billig und infolge

seines großen Atomradius ist es gut einschließbar, d.h., man kann mit bescheidenem Aufwand eine mit Argon gefüllte Schaltkammer verwirklichen, aus welcher das Argon über Jahre hinweg nicht hinausdiffundiert. Leider hat jedoch Argon eine sehr niedrige dielektrische Durchschlagsfestigkeit (vergl. Manfred von Ardenne: Tabellen zur angewandten Physik, Band 3, Seite 418; VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1973). Die niedrige Durchschlagsfestigkeit des Argons läßt befürchten, daß ein Wiederzünden des Lichtbogens nach dem Öffnen eines Schalters nicht zuverlässig verhindert werden kann, und diese Befürchtung hat sich bei Untersuchungen, die die Erfinder u.a. an Kontaktstücken aus 88 Gew.-% Kupfer und 12 % Kadmiumoxid, aus 75 Gew.-% Kupfer und 25 Gew.-% Chrom durchgeführt haben, bestätigt.

Aus der japanischen Offenlegungsschrift 58-22 346 ist ein Kontaktwerkstoff für gekapselte Kontaktsysteme in Niederspannungsschaltgeräten bekannt, welcher 5 bis Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% Molybdän und als Rest Kupfer enthält, über die Art des verwendeten Schutzgases ist nichts bekannt. Nach den Angaben in dieser Offenlegungsschrift wurde mit Kontaktstücken aus 10 % Molybdän und 90 % Kupfer ein Kontaktwiderstand gemessen, welcher dem Kontaktwiderstand von Kontaktstücken aus Silber mit 12 Gew.-% Kadmiumoxid vergleichbar war. Nicht zufriedenstellend verhält sich dieser Werkstoff jedoch hinsichtlich der Abbrandfestigkeit und der Verschweißneigung sowie

insbesondere hinsichtlich des Wiederzündens des Lichtbogens nach dem öffnen des Schalters. Letzteres ist nicht verwunderlich, denn die Sofortverfestigungsspannung, welche das Wiederzündverhalten entscheidend beeinflußt, ist für hochsiedende Metalle wie Wolfram und Molybdän sowie für Werkstoffe, die diese hochsiedenden Metalle enthalten, z.B. für Wolfram mit 30 Gew.-% Silber, sehr niedrig und damit schlecht geeignet, das Wiederzünden des Lichtbogens zu verhindern, wohingegen die Sofortverfestigungsspannung für Werkstoffe wie Silber-Nickel und Silber- Kadmiumoxid hoch und damit günstig liegt (vergl. A. Keil, W.A. Merl, E. Vinaricky: Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe, Springer-Verlag 1984, Seite 101).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktwerkstoff zu finden, welcher sich in Schaltgeräten, insbesondere in solchen für die Niederspannungsenergietechnik, in besonderem Maße dafür eignet, unter Argon als Schutzgas verwendet zu werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Kontaktwerkstoffs, welcher - abgesehen von ggfs. vorhandenen geringfügige Zusätzen eines oder mehrerer als Sinterhilfe oder Benetzungshilfe dienender Metalle - aus 35 bis 75 Vo1-% Wolfram oder Molybdän und 0 bis 12 Vol-% eines oder mehrerer Elemente aus der

Gruppe Tellur, Antimon und Wismut sowie zum Rest aus

Kupfer besteht. Die besondere Eignung solcher Kontaktwerkstoffe ist angesichts der bekannt schlechten dielektrischen

Eigenschaften des Argons und der niedrigen Sofortverfestigungsspannung des Wolframs und des Molybdäns ausserordentlich überraschend, und zwar umso mehr, als der erfindungsgemäß verwendete Kontaktwerkstoff einen sehr hohen Schwermetallanteil enthält (bei Wolfram entsprechen die 35 bis 75 Vol-% einem Gehalt von rund 55 bis 85 Gew.-%). Die Zusatzmetalle Tellur, Antimon und Wismut - von denen Antimon besonders geeignet ist - stellen allenfalls einen kleinen Anteil am Kontaktwerkstoff; sie werden vorzugsweise mit einem Anteil von 1 bis 6 Vol.% (entsprechend etwa 0,5 bis 2,5 Gew.-%) im Kontaktwerkstoff eingesetzt, wobei niedrige Gehalte besonders bevorzugt sind.

Die Herstellung von Kontaktstücken aus dem erfindüngsgemäßen Kontaktwerkstoff kann dadurch erfolgen, daß man aus Wolframpulver oder aus Molybdänpulver durch Sintern zunächst einen porösen Formkörper herstellt, welcher anschließend mit Kupfer, welches die Zusatzmetalle Tellur, Antimon und/oder Wismut gegebenenfalls als Legierungsmetalle enthält, infiltriert wird und zwar bevorzugt durch Überschußtränkung. Das Wolframpulver oder das Molybdänpulver kann dabei in an sich bekannter Weise geringe Mengen eines Zusatzmetalls enthalten, welches den Sintervorgang begünstigt; als Sinterhilfe eignen sich z.B. Nickel oder Kobalt, welche dem Wolfram ggfs. in einem Anteil von rund 0,5 Gew.-% zugesetzt werden. Ferner kann der Kontaktwerkstoff geringe Mengen (weniger als 1 Gew.-%) eines oder mehrerer

Metalle enthalten, welche als Benetzungshilfe dienen und das Infiltrieren des Kupfers bzw. der Kupferlegierung begünstigen; als BenetzungshiIfe eignen sich neben Zirkon beispielsweise auch Kobalt und Nickel, welche man ggfs. dem zu infiltrierenden Kupfer zusetzen kann.

Man könnte aber auch das Wolfram- oder Molybdänpulver mit Kupferpulver sowie mit Antimon-, Tellur- und/oder Wismutpulver, ggfs. auch mit einem als Sinterhilfe oder Benetzungshilfe vorgesehenen Zusatzmetall in Pulverform mischmund aus der Pulvermischung durch Sintern bei flüssiger Phase einen Formkörper herstellen. Dabei legt man vorzugsweise auf die in eine Form gegebene Pulver-

mischung noch eine überschüssige Menge

des Tränkwerkstoffs (Kupfer und das vorgesehene Zusatzmetall aus der Gruppe Antimon, Wismut und Tellur) auf, um eine möglichst vollständige Tränkung des sich beim Sintern ausbildenden Wolfram- bzw. Molybdängerüsts zu gewährleisten und zugleich auf einer Seite eine gut lot- und schweißbare Oberflächenschicht zu erhalten.

Kontaktstücke aus dem erf indungsgemäßai Werkstoff haben nicht nur einen niedrigen Kontaktwiderstand und damit eine nur geringe Kontakterwärmung, sondern auch eine hohe Lebensdauer, hinreichend niedrigen Abbrand und hinreichend niedrige Verschweißneigung sowie insbesondere eine hervorragende Eignung zur Lichtbogenlöschung gerade unter Argon als Schutzgas.

Nachfolgend wird noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben:

99,5 Gewichtsteile Wolframpulver mit einer mittleren Korngröße zwischen 1 und 10 pm (FSSS) und 0,5 Gewichtsteile feinkörniges Nickelpulver werden miteinander vermischt, in eine Preßform gegeben, darin verdichtet und anschließend bei einer Temperatur von rund 1100⁰C für die Dauer von 30 min. unter Spaltgas gesintert. Es entsteht auf diese Weise ein Formkörper aus einem porösen Wolframgerüst, welches anschließend mit einer Legierung aus Kupfer mit 3 Gew.-%Antimon getränkt wird. Das Tränken erfolgt bei einer Temperatur von ca. 1150⁰C im Vakuum.

Nach dem Tränkvorgang weist der Kontaktstückrohling eine Restporosität von weniger als 2 % auf und besitzt die folgende gewichtsmässige Zusammensetzung

	68	- 69	% Wolfram
	29	- 30	% Kupfer
ca.	1 %		Antimon
	0,3	- 0,4	% Nickel.

Derart zusammengesetzte Kontaktstüeke zeigen unter Argon anfänglich einen-Kontaktwiderstand von 200 - 300 (50 % - bzw. 99 %-Werte der Summenhäufigkeit, Prüfstrom I= 5OA, Prüfspannung U = 37V, Kontaktkraft F₁,= 7N, kein

PPN

Lichtbogen) welcher im Laufe von 10 000 Schaltspielen (I= 300A, U = 220V, Leistungsfaktor cos cp = 0,35,

- ίο -

Lichtbogenbrenndauer Γ _a„ = 10 ms) auf Werte zwischen 300 - 400 Mg
Die entsprechenden Werte für Kontaktstücke aus Silber mit 12 % Kadmiumoxid beim Schalten an Luft sind 300 - 400 μ JO!. bzw. 500 - 700 uil.

Der Abbrand beträgt bei den Kontaktstücken aus Silber mit 12 % Kadmiumoxid in Luft 20 mg/1000 Schaltspiele, für die Kontaktstücke aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff in obiger Zusammensetzung in Kombination mit Argon als Schutzgas 15 mg/1000 Schaltspiele. Die Wiederverfestigungsspannung, welche unter Argon für Frequenzen im Bereich von 20 - 100 kHz der einschwingenden Spannung mit einem Überschwingfaktor von 1,1 bestimmt wurde (Prüfstrom I =300A, Prüfspannung U = 220V, Leistungsfaktor cosy = 0,35,

Lichtbogenbrenndauer 2Γ „,„„= 10 ms, mittlere Trennungsar C A

geschwindigkeit der Kontaktstücke ν = 1ms" , Kontaktdistanz in Endlage d= 5 mm), erreichte Werte, wie man sie sonst mit Kontaktstücken aus Silber mit 12 % Kadmiumoxid beim Schalten in Luft erreicht.

Claims (2)

DODUCO KG Dr. Eugen Dürrwächter, 7530 Pforzheim "Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere zur Verwendung in der Niederspannungs-Energietechnik" Patentansprüche:

1. Spaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät, ins·

besondere zur Verwendung in der Niederspannungs-Energietechnik, in welcher Kontaktstücke aus einem Kupfer und ein hochschmelzendes Metal ![enthaltenden Kontaktwerkstoff sowie ein Schutzgas eingeschlossen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwerkstoff - abgesehen von ggfs. vorhandenen geringfügigen Zusätzen eines oder mehrerer als Sinterhilfe oder BenetzungshiIfe dienender Metalle - aus 35 bis 75 Vol-% Wolfram oder Molybdän und 0 bis 12 Vol-% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Tellur, Antimon und Wismut, zum Rest aus Kupfer besteht, und daß das Schutzgas Argon ist.

2. Schaltkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich·

net, daß die Elemente aus der Gruppe Tellur, Antimon und Wismut mit einem Anteil von 1 bis 6 Vol-% im Kontaktwerkstoff enthalten sind.