DE3708158C2 - Schaltkontakt für einen Vakuumschalter und Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schaltkontakts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltkontakt gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein bekannter Schaltkontakt dieser Art (DE-OS 16 40 039) weist auf einem Kontaktträger ein Kontaktmaterial auf, das aus Chrom als Matrixmetall und Kupfer als Imprägnierungsmetall besteht. Durch diesen Aufbau wird die Elektronenemission an der Kontakt­ fläche beim Unterbrechen hoher Ströme so niedrig gehalten, daß eine Wiederzündung des Schaltlichtbogens nach einem Nulldurchgang verhindert wird. Die Herstellung solcher Matrixmaterialien erfordert jedoch einen hohen technologischen Aufwand. Zudem ergibt sich durch die Matrixanordnung ein relativ hoher elektrischer Widerstand des Kontaktmaterials.

Es ist auch ein Schaltkontakt für einen Vakuumschalter bekannt (GB-PS 12 96 358), bei dem in den Hohlraum eines tassenförmigen Kontaktträgers ein Wickel aus einem glatten und einem gewellten Molybdänband eingesetzt und in die senkrecht zur Kontaktfläche verlaufenden Kanäle eine Kupfer-Zinn-Legierung im Vakuum einge­ schmolzen wird. Die Bereitstellung eines tassenförmigen Kontakt­ körpers mit eingepaßtem Bandwickel und blasenfreiem Einschmelzen eines Legierungsmetalls erfordert einen beachtlichen technischen Aufwand.

Bekannt ist auch ein Schaltkontakt für Niederspannungs-Wechselstromschalter (DE-OS 16 40 007), bei dem in einen topfförmigen Kontaktträger Einzeldrähte aus gut leitendem Werkstoff relativ hoher Schmelztemperatur, die etwa parallel zueinander verlaufen und allseitig von einem zweiten Werkstoff mit tieferliegender Siedetemperatur eingehüllt sind, mit Preßsitz eingestellt sind. Bei Schaltvorgängen mit Lichtbogen verdampft der niedersiedende Werkstoff, so daß zwischen den Einzeldrähten Vertiefungen in der Kontaktfläche zurückbleiben und eine unebene Kontaktfläche entsteht.

Bei einem weiteren bekannten Schaltkontakt (DE-PS 7 58 108) sind in einen kompakten Kontaktträger aus Kupfer, Silber oder Platin bzw. Legierungen oder Mischungen derselben mit Molybdän oder Wolfram Nuten eingebracht, in die pulverförmiger Graphit oder eine andere ähnliche Art von Kohle eingepreßt wird, wobei darin feinzerteiltes Edelmetall wie Silber oder Platin enthalten sein kann. Auch bei diesem Aufbau verdampfen niedersiedende Metallteile, so daß die demgegenüber höher siedenden Metallstege stehen bleiben und eine unebene Kontaktfläche bilden.

Daneben ist ein Schaltkontakt für Vakuumschalter bekannt (CH-PS 529 435), dessen Kontaktkörper allein aus geschichteten Blechen oder einem aufgewickelten Blechband besteht, wobei das Band aus Eisen, Kupfer, Wolfram, Molybdän oder Tantal besteht, auf das Wismut, Zinn, Blei oder Berillium im Vakuum aufgedampft ist. Die Bleche dieser Kontaktkörper werden unter mechanischem Druck in einem Diffusionslötverfahren miteinander verlötet.

Es ist bei einem Schaltkontakt für einen Vakuumschalter auch be­ kannt (US-PS 3 614 361), in einem Kontaktträger aus Molybdän oder Wolfram zumindest eine spiralig verlaufende Rille einzuschneiden, die mit Strontium, Wismut, Zinn oder Zink gefüllt wird und die dazu dient, einen beim Schalten auftretenden Lichtbogen bei seiner Rotation nach außen in den Randbereich des Kontaktträgers zu führen.

Ferner ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Schaltkontaktplättchens oder einer Schaltkontaktfeder für die Schwachstromtechnik bekannt (DE-AS 18 02 932), nachdem auf einen Träger aus ferromagnetischem Werkstoff, Messing, Kupfer, Silber oder dgl. ein schwerverformbarer Kontaktwerkstoff aus Wolfram, Molybdän, Rhenium und dgl. aufgebracht wird, der seinerseits mit einer Schicht aus Edelmetall, wie Gold, Silber, Platin und dgl. versehen wird.

Schließlich ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials für elektrische Schaltkontakte bekannt (DE-AS 21 51 603), wonach auf einen Träger aus Kupfer oder dgl. ein Kontaktwerkstoff aus einem Edelmetall oder einer Edelmetallegierung mit einem Borid, Carbit, Nitrid oder dgl. Gemischbestandteil partiell aufgebracht und anschließend einer Druck- und Wärmebehandlung unterworfen wird. Dabei wird der feinteilige Kontaktwerkstoff mit einem Siebdruckmittel zu einer Paste verarbeitet, die auf den Träger aufgetragen und danach angesintert, gewalzt oder durch teilweises Schmelzen nachverdichtet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltkontakt für einen Vakuumschalter anzugeben, der einen geringen elektrischen Widerstand im Kontakt bei geringer Verschweißneigung aufweist und der in einfacher Weise herzustellen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3.

Bei einem Aufbau eines Schaltkontakts gemäß der Erfindung bewir­ ken die in Stromflußrichtung durchgehenden Kupferschichten einen geringen elektrischen Widerstand, wobei die Kupfer-Chrom-Vertei­ lung in der Ebene senkrecht zu den Schichten sehr gleichmäßig ist. Dabei wird durch den Schichtenaufbau eine sehr geringe Ver­ schweißneigung erzielt, da in einer dünnen Oberflächenschicht vor allem durch den Lichtbogen beim Trennen der Kontakte eine weitgehend homogene Legierung von Kupfer und Chrom, das in flüssigem Kupfer gut lösbar ist, entsteht. Aus dieser Legierung erstarren beim Abkühlen des Kontakts die Kupfer- und Chromanteile in sehr feiner gleichmäßiger Verteilung, so daß sich nach lichtbogenbehafteten Schalthandlungen eine ebene gleichmäßige Kontaktoberfläche mit sehr geringer Verschweißneigung ausbildet. Durch die senkrecht zu der Kontaktoberfläche verlaufenden Schichten bleiben die Voraus­ setzungen für diese Wirkung auch während des Kontaktabbrands über die gesamte Lebensdauer erhalten, nachdem diese Schichten mit fortschreitendem Abbrand mit guter Homogenität jeweils neu gebildet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung galvanisch verchromter Kupferbänder, -bleche, oder -folien.

Anhand des in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels, das einen Querschnitt durch ein aus Chrom- und Kupferschichten bestehendes Kontaktmate­ rial für einen Vakuumschalter zeigt, wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Die Kontaktanordnung besteht aus dem Kontaktträger 1 und der darauf z. B. durch Löten befestigten ringförmi­ gen Kontaktscheibe 2. Die Kontaktscheibe 2 mit der Kontaktfläche 3 besteht gemäß der Erfindung aus im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, Schichten 4 und 5, von denen die Schicht 4 z. B. aus Chrom und die Schicht 5 aus Kupfer besteht. Die Richtung des die Kontaktanordnung durchfließenden und aus der Kon­ taktfläche 3 austretenden Stromflusses ist mit 6 be­ zeichnet.

Die Herstellung solcher Schichtstrukturen für Kontakt­ materialien erfolgt gemäß der Erfindung bei den üb­ lichen ring- oder scheibenförmigen Kontakten auf ver­ schiedene Weise.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wickelt man spiralför­ mig dünne Kupfer- und dünne Chrombänder zu einem Kon­ taktring.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschichtet man Kupferbänder ein- oder beidseitig mit Chrom und wickelt diese beschichteten Bänder alleine oder zu­ sammen mit unbeschichteten Kupferbändern zu einem Kontaktring. Die Beschichtung der Bänder kann durch Galvanisieren, Sputtern oder sonstige Beschichtungs­ verfahren erfolgen.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel beschichtet man ein- oder beidseitig Kupferbänder mit Chrompulver, so daß eine durchgehende Chromschicht entsteht und wickelt diese Bänder alleine oder zusammen mit unbeschichteten Kupferbändern zu Kontakten. Die Chromteilchen können z. B. durch Walzen oder Kleben mit organischen Klebern auf den Kupferbändern befestigt werden.

Gemäß wiederum einem anderen Ausführungsbeispiel fer­ tigt man Bändern aus organischen Materialien mit hohem Chrompulver durch Gießen oder Extrudieren und wickelt diese zusammen mit Kupferbändern zu Kontakten. Ebenso können Bänder aus Kupferpulver hergestellt werden und diese zusammen mit Chrompulverbändern zu Kontakten gewickelt oder gestapelt werden.

Die nach einem der vorgenannten Verfahren hergestellten Rohlinge werden anschließend einer Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre und/oder im Vakuum unterzogen. Diese Wärmebehandlung erfolgt im Temperaturbereich von 300°C bis max. 1150°C. Nach der Wärmebehandlung werden die Kontakte in üblicher Weise oberflächenbearbeitet und auf Kontaktträger aufgelötet.

Claims (10)

1. Schaltkontakt für einen Vakuumschalter, bestehend aus einem Kontaktträger und einem auf dem Kontaktträger befestigten Kon­ taktmaterial aus Kupfer und Chrom, welches eine mit einem weite­ ren Kontaktstück zusammenwirkende Kontaktfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial aus Schichten (4, 5) von Kupfer und Chrom besteht, die sich parallel zur Richtung des das Kontaktmaterial durchfließenden und aus der Kontaktfläche (3) austretenden Stromflusses (6) erstrecken, so daß die Kontaktfläche (3) durch abwechselnd nebeneinander­ liegende Bereiche von Kupfer und Chrom gebildet ist.

2. Schaltkontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur aus 25-98 Gew.-% Kupfer und 2 bis 75 Gew.-% Chrom besteht.

3. Verfahren zum Herstellen eines Schaltkontakts nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bandförmiges Kupfer als Trägermaterial mit Chrom beschichtet und die Schichtstruktur durch Wickeln eines oder mehrerer Bänder oder durch Stapeln des mit Chrom beschichteten Kupfers erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Chrom durch chemische Verfahren (z. B. galvanisch) oder/und physikalische Verfahren (z. B. Aufdampfen, Sputtern, Walzen, Spritzen) aufgebracht wird, wobei das Kupferband ein- oder beidseitig beschichtet und dann zum Kontaktmaterial gestapelt oder gewickelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Chrommaterial beschichtete Kupferbänder zusammen mit unbeschichteten Kupferbändern gestapelt oder gewickelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrommaterial oder das Kupfermaterial als Pulver vorliegt und in einer dünnen Schicht auf Bänder aus Kupfermaterial oder Chrommaterial aufgetragen oder aufgewalzt wird und diese Bänder allein oder zusammen mit anderen Bändern ohne Pulverbeschichtung gewickelt oder gestapelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfermaterial und Chrommaterial als Pulver vorliegen und mit Hilfe von organischen Stoffen durch Gießen oder Extrudieren Bänder oder Folien mit hohem Anteil hergestellt werden und diese zu einer Schichtstruktur gewickelt oder gestapelt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gewickelten oder gestapelten Kontaktrohlinge einer Wärmebehandlung in oxidierender, inerter, reduzierender Atmosphäre und/oder im Vakuum unterworfen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen 100°C und 1400°C, insbesondere 700°C bis 1150°C erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre und im Vakuum erfolgt und bevorzugt Maximaltemperaturen zwischen 800°C und 1150°C verwendet werden.