DE3505303A1 - Kontakt fuer einen vakuum-leistungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kontakt für einen Vakuum-Leistungsschalter mit ausgezeichneten Eigenschaften hinsichtlich der Durchschlagspannung. Vakuum-Leistungsschalter werden zunehmend eingesetzt wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie Wartungsfreiheit und fehlender Umweltbelastung und wegen der ausgezeichneten Leistungsschalteigenschaften. Die Eigenschaften von Vakuum-Leistungsschaltern hängen in hohem Maße von den für den Kontakt verwendeten Materialien ab, der sich abgedichtet in einem Vakuumbehälter befindet, da der wesentliche !Teil des Vakuum-Leistungsschalters im Vakuum arbeitet.

Die Materialien für den Kontakt eines derartigen Leistungsschalters sollten die folgenden qualitativen Erfordernisse rf erfüllen: i

1. Die Unterbrechungsfähigkeit sollte gut sein;

2. die Durchschlagsspannung sollte hoch sein;

3. der Kontaktwiderstand sollte gering sein; 4-. die Schmelzkraft sollte gering sein;

5. die Abnutzung sollte gering sein;

6. der Abreißstrom sollte gering sein;

7. die Bearbeitbarkeit sollte günstig sein;

8. die mechanische Festigkeit sollte hoch sein.

Die bisher eingesetzten Kontaktmaterialien ermöglichen es nicht oder nur schwer, alle diese Erfordernisse zu erfüllen, und im allgemeinen werden Materialien eingesetzt, die lediglich bestimmte wesentliche Eigenschaften für spezielle Anwendungen aufweisen, während auf die Erfüllung der

anderen Erfordernisse mehr oder weniger verzichtet wird. 35

Bislang werden Materialien, wie beispielsweise Kupfer-Wolfram Legierungen (nachstehend als Cu-W bezeichnet) eingesetzt.

Eine Kombination von Metallen mit hoher Durchschlagspannung im Vakuum (wie Cr und W) mit Cu, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, wird üblicherweise für eine hohe Durchschlagspannung und große Strombereiche eingesetzt.

Der Trend zu höheren Durchschlagspannungen und größeren Strömen schraubt die Anforderungen an die Kontaktmaterialien höher, so daß diese bekannten Materialien nicht mehr den höheren Anforderungen genügen. Gleichzeitig besteht die Tendenz zur Miniaturisierung von Vakuum-Leistungsschaltern, so daß ein erheblicher Bedarf nach neuen Materialien für die genannten Kontakte mit höheren Anforderungen besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktmaterial für Vakuum-Leistungsschalter anzugeben, das ein bessez-es Dur-chschlags spannung-Verhalt en als bekannte Materialien aufweist.

Ia Rahmen der Erfindung ist versucht worden, verbesserte Kontalctmaterialien herzustellen, indem man verschiedene Metalle, Legierungen und intermetallische Verbindungen mit Cu hinzugibt; dabei wurden verschiedene Experimente durchgeführt, wobei diese Materialien in Vakuum-Leistungsschaltern eingesetzt wurden. Im Rahmen der Erfindung hat es sich gezeigt, daß Kontaktmaterialien mit Cu, Mo und W ausgezeichnete Diirchschlagsspannungseigenschaften aufweisen. Ausgehend von diesem Grundgedanken zeichnen sich die erfindungsgemäßen Eontaktmaterialien durch Mo und W als feuerfeste Komponenten und etwa 5 bis 80 Vol.# Cu als elektrisch leitfähige Komponente aus.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 einen Querschnitt eines Vakuum-Leistungsschalters,

Pig. 2 einen vergrößerten Querschnitt des Elektrodenteils

des Leistungsschalters nach Pig. 1, 5

Pig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchschlagsspannung-Verhalten eines erfindungsgemäßen Kontaktmaterials und dem Gewichtsverhältnis von Mo zu ¥ in einer Legierung, die 75 Vol.# Mo und w und 25 Vol.# Cu enthält,

Pig. 4- eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Härte einer Cu-W-Mo-Legierung mit 25 Vol.# Cu gemäß der Erfindung und dem Gewichtsverhältnis von Mo zu W in den verbleibenden 75 Vol.# der Legierung,

Pig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung und dem Gewichtsverhältnis von Mo und W, 20

Pig. 6 einen metallographischen Schliff einer Abbildung durch reflektierende Elektronen eines erfindungsgemäßen Kontaktmaterials, wobei die Legierung 50 Vol.# Cu und 50 Vol.# Mo und ¥ enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Mo zu ¥ 5:95 beträgt, und

Pig. 7 einen metallographischen Schliff einer Abbildung durch reflektierte Elektronen eines erfindungsgemäßen Kontaktmaterials mit 50 Vol.# Cu und 50 Vol.# Mo und ¥, wobei das Gewichtsverhältnis von Mo zu ¥ 58:42 beträgt.

Die Pig. Λ zeigt den Aufbau eines Vakuum-Leistungsschalters, der mit einem erfindungsgemäßen Kontakt versehen werden

kann. Innerhalb eines vakuumdichten Behälters mit Endplatten 2 und 3, die die beiden Enden des Behälters verschließen,

sind Elektroden 4 und 5 einander gegenüberliegend an den Buden von Elektrodenstäben 6 bzw. 7 angeordnet.

Der Elektrodenstab 7 ist mit der Endplatte 3 über einen Balg 8 verbunden, so daß eine Bewegung in Axialrichtung der Stange 7 ohne Beeinträchtigung des Vakuums möglich ist. Um eine Verunreinigung aufgrund von durch Lichtbogen erzeugten Dampf zu vermeiden, sind die Innenfläche des Vakuumbehälters 1 und des Balgs 8 durch Schirme 9 bzw. 10 abgedeckt. Die Pig. 2 zeigt den Aufbau der Elektroden 4· und 5·

Die Elektrode 5 ist auf ihrer Rückseite mit dem Elektrodenstab 7 mit Hilfe eines Lötmittels 51 verlötet. Die Elektroden 4- und 5 bestehen aus einem erfindungsgemäßen Kontaktmaterial auf der Basis von Cu-Mo-W.

Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen und Versuche werden nachstehend erläutert:

S¹Ig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Durchschlagspannungs-Verhalten und dem Gewichtsverhältnis von Mo zu W in einem Kontakt, der 75 Vol.35 Mo und W und 25 Vol.Ji Cu enthält. Das Durchschlagspannungs-Verhalten ist die Ausfallrate eines erfindungsgemäßen Kontakts dividiert durch die Ausfallrate einer üblichen Kontaktlegierung mit 25 Vol.# Cu und 75 Vol.% w.„ Die Ausfallrate wurde ermittelt durch Anlegen einer Spannung über die Kontakte eines Vakuum-Leistungsschalters, der mehrere tausendmal bis zu mehreren zehntausendmal geschaltet wurde. Die Ausfallrate ist gleich der Gesamt-Ausfallzahl dividiert durch die Gesamtzahl der Schaltvorgänge mit dem Jeweiligen Leistungsschalter. Aus Fig. 3 ergibt sich ein erheblich verbessertes Durchschlagspannungs-Verhalten.

Die Maxima in dem Durchschlagspannungs-Verhalten entsprechen Kontaktzusammensetzungen mit einem Gewichtsverhältnis von Mo zu W von 50:50 und 5:95 ohne die elektrisch leitfähige Komponente Cu; im allgemeinen haben diese Legierungen ein

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besseres Durchschlagspannungs-Verhalten als Cu-W- und Cu-Mo-Binärlegierungen. Wenn das Gewichtsverhältnis von W zu Mo kleiner als 95^5 ist, so kann ein Durchschlagspannungs-Verhalten erwartet werden, das besser ist oder gleich dem beim Stand der Technik. Da jedoch das Durchschlagspannungs-Verhalten um den Faktor 1,5 bis 2 gegenüber dem Stand der Technik bevorzugt ist, sollte das Gewichtsverhältnis von Mo zu W vorzugsweise etwa 1:99 bis etwa 10:90 oder von etwa 25:75 bis etwa 80:20 betragen.

Wenn das Gewichtsverhältnis von Mo zu W 50:50 beträgt, liegt das relative Durchschlagspannungs-Verhalten bei etwa 5· Dies bedeutet, daß die Ausfallrate dieser Legierung etwa 1/5 der üblichen Legierung mit 25$ Cu und 75% W beträgt.

Fig. A- zeigt die relative Härte einer erfindungsgemäßen Legierung mit 25 Vol.% Cu (wie bei Fig. 3)? wobei an der Abszisse die Gewichtsprozente von Mo und W in den verbliebenen 75 Vol.% der Legierung und an der Ordinate die Härte relativ zu der einer üblichen Legierung mit 25% Cu und 75% W aufgetragen sind.

Es zeigt sich, daß ein hoher Gewichtsanteil von W zu einer größeren Härte und daß ein hoher Gewichtsanteil von Mo zu einer niedrigeren Härte führt. Die Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis von Mo zu W und der Härte wird durch eine Gerade wiedergegeben, während die Beziehung zwischen dem Gewichtsverhältnis von Mo zu W (an der Abszisse) und der an der Ordinate aufgetragenen Härte durch eine glatte, leicht gebogene Kurve gemäß Fig. A- wiedergegeben wird.

Obwohl früher angenommen worden ist, daß die Härte mit dem Durchschlagsspannungs-Verhalten korreliert ist, zeigt sich keinerlei Korrelation zwischen der Harte gemäß Fig. A- und dem Durchschlagsspannungs-Verhalten gemäß Fig. 3·

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Γ - 8 -

Die 5"ig. 5 zeigt die relative elektrische Leitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Kontakts, der 25 Vol.# Cu enthält; an der Abszisse sind die Gewichtsprozente von W und Mo in den verbleibenden 75 Vol.# der Legierung aufgetragen, während an der Ordinate die elektrische Leitfähigkeit relativ zu der einer bekannten Legierung aus 25$ Cu und 75$ W aufgetragen ist. Es zeigt sich, daß sich mit Erhöhung der Mo-Menge die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Dieses Phänomen ergibt sich aufgrund der Differenz im spezifischen Widerstand zwischen W und Mo und hängt zum größten Teil von dem 25prozentigen Volumenanteil von Cu in der Legierung ab.

Ss zeigt sich jedoch keine direkte Korrelation zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und dem Durchschlagsspannungs-Verhalten, ebenso wie keine direkte Korrelation zwischen letzterem und der Härte besteht.

Dies liegt daran, daß Mo und W kaum eine feste Lösung mit Cu eingehen und daher die Härte der Legierung vollständig durch das Mo/W-Verhältnis des Rests bestimmt wird; ferner wird vermutlich die elektrische Leitfähigkeit durch den Gewichtsanteil von Mo bestimmt, wenn das Volumen von Cu in der Legierung festliegt.

Hinsichtlich des Durchschlagsspannungs-Verhaltens wurde im Rahmen der Erfindung zunächst angenommen, daß bei konstantem Volumenanteil von Cu in einer Legierung das Durchschlagsspannungs-Verhalten einer ternären Legierung, die gleichzeitig Mo und W enthält, auf einer Linie liegen würde, die zwisehen den Punkten verläuft, die das Durchschlagspannungs-ϊerhalten einer Cu-W- und einer Cu-Mo-Binärlegierung angeben. Das Ergebnis gemäß Fig. 3 war demnach nicht vorhersehbar.

Die Gründe hierfür sind bislang noch nicht bekannt. Mögliche Erklärungen werden jedoch nachstehend angegeben: Obwohl Cu und W oder Cu und Mo nach dem Hansen'sehen Zustandsdiagramm

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für Binärlegiernngen keine feste Lösung bilden, müssen sie dennoch eine vollständig feste Lösung ausbilden. Obwohl es unbekannt ist, ob Mo und W eine feste Lösung in der erhaltenen Ternärlegierung aus Cu, Mo und W bilden, kann nicht angenommen werden, daß keine feste Lösung gebildet wurde.

Diese feste Lösung aus W und Mo trägt offenbar zu einer Verbesserung des Durchschlagspannungs-Verhaltens der erfindungsgemäßen Legierung bei.

Obwohl bei den vorstehenden Ausführungsformen 25 Vol.# Cu vorgesehen sind, hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, daß dann, wenn Cu in einer Legierung in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 80 Vol.# enthalten ist und die verbleibenden 95 bis 20 Vol.# der feuerfesten Komponente aus Mo und W bestehen, man ein ausgezeichnetes Durchschlagspannungs-Verhalten erhält.

Fig. 6 zeigt eine Abbildung durch reflektierte Elektroden von einer Legierung für einen Kontakt nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform mit 50 Vol.# Cu, wobei das Gewichtsverhältnis von Mo zu W in der verbleibenden, feuerfesten Komponente 5^95 beträgt; der sehr helle Teil besteht aus W, der mittelhelle Teil besteht aus Mo und der matte Teil aus Cu. Fig. 7 zeigt eine Abbildung durch reflektrierte Elektronen einer Legierung für einen Kontakt gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform mit 50 Vol.^S Cu und einem Gewichtsprozent-Verhältnis von Mo zu W im Rest von

58:42.
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Aus den Fig. 6 und 7 wird angenommen, daß sich eine vollständige feste Lösung nicht ausgebildet hat, da W und Mo in den Darstellungen unterschiedliche Helligkeit aufweisen. Hieraus kann jedoch noch nicht geschlossen werden, daß keine feste Lösung gebildet wurde. Selbst wenn daher die Korrelation zwischen dem Durchschlagspannungs-Verhalten und dem Grad der

gebildeten festen Lösung von W-Mo noch unklar ist, kann das Vorliegen einer derartigen Korrelation angenommen werden.

Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Legierungen wurden mit Hilfe des sogenannten Infiltrationsverfahrens hergestellt, wobei Cu bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Cu in nichtoxidierender Atmosphäre in ein Skelett infiltriert wird.

Um die Beziehung zwischen dem Herstellungsverfahren der Legierung und dem Durchschlagspannungs-Verhalten zu untersuchen, wurden im Rahmen der Erfindung ferner Legierungen mit Hilfe des Ifiltrationsverfahrens, des Sinterverfahrens mit Pulver in fester Phase und mit Hilfe des Sinterverfahrens mit Pulver in flüssiger Phase hergestellt. Es zeigten sich Iceine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Durchschlagspannungs-Terhaltens unter den hergestellten Legierungen.

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BAD OFNGINAL

Claims (6)

VOSSIUS · VOSSIUS · TAUCH N ER ■ HEUNE MAN N - RAUH PATENTANWÄLTE SIEBERTSTRASSE 4 · 8OOO MÜNCHEN 86 - PHONE: (O89) 47 4O 75 CABLE: BENZOLP AT ENT MÖNCHEN -TELEX 5-29 4-53 VOPAT D u.Z.: 0? 569 15. Februar 1985 Case: lAM-6868 MITSUBISHI DENKI KABUSHIKT KAISHA "Kontakt für einen Vakuum-Leistungsschalter" Patentansprüche

1. Kontakt für einen Vakuum-Leistungsschalter, gekennzeichnet durch Molybdän und Wolfram als feuerfeste Bestandteile und etwa 5 bis 80 Vol.# Kupfer als elektrisch leitfähige Komponente.

2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram etwa 1:99 bis etwa 95:5 beträgt.

3. Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram etwa 1:99 bis etwa 10:90 beträgt.

4-, Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram etwa 25:75 bis etwa 80:20 beträgt.

5. Kontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zun Wolfram 5·* 95 beträgt.

1

6. Eontakt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram 50:50 beträgt.

10 15

< 20

25 30 35

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