DE602004008854T2

DE602004008854T2 - Elektrischer Kontakt und Verfahren zu seiner Herstellung, Elektrode für Vakuumschalter und Vakuumschalter.

Info

Publication number: DE602004008854T2
Application number: DE602004008854T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kikuchi; Noboru Baba; Akira Japan AE Power Syste Nishijima; Toshimasa Japan AE Power Syste Fukai
Original assignee: Japan AE Power Systems Corp
Current assignee: Meiden T&D Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-07-13
Also published as: CN100388403C; EP1528581B1; US20050092714A1; CN1612275A; JP2005135778A; EP1528581A1; DE602004008854D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen elektrischen Kontakt, ein Verfahren zum Herstellen des Kontakts, eine Elektrode für einen Vakuum-Trennschalter sowie einen Vakuum-Leistungsschalter.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Für die Elektrode in den Vakuum-Trennschaltern von Vakuum-Leistungsschaltern wird in der Patentveröffentlichung Nr. 1 und der Patentveröffentlichung Nr. 2 eine gesinterte Cr-Cu-Verbundlegierung beschrieben, die durch Preßformen einer Pulvermischung mit Cr als hitzebeständigem Metall und Cu als Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt wird, gefolgt von einem Sintern der Pulvermischung bei einer Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Cu liegt. In der Patentveröffentlichung Nr. 3 wird ein Elektrodenmaterial beschrieben, das durch Preßformen einer Pulvermischung aus Cr-Pulver als hitzebeständigem Metall, Cu-Pulver als Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und einem Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie Pb, Bi, Te oder Sb, Vorsintern des geschmolzenen Pulvers bei einer Temperatur, die unter dem Schmelzpunkt von Cu liegt, und Imprägnieren des vorgesinterten Körpers mit Cu hergestellt wird. Die Veröffentlichung gibt jedoch keine Konzentration für Verunreinigungen an.

Patentveröffentlichung Nr. 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift 2002-245908
Patentveröffentlichung Nr. 2: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Hei 7-278703
Patentveröffentlichung Nr. 3: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Hei 9-274835

Die EP 1249848 A2 beschreibt einen elektrischen Kontakt aus einem hitzebeständigen Metallpulver wie Cr in einer Matrix aus einem leitenden Metall wie Kupfer. Als hitzebeständiges Metall wird auch Te erwähnt. Bei diesem Stand der Technik wird durch Formen und Sintern von Cu-Pulver und Cr-Pulver ein spezielles Beispiel hergestellt, um einen Kontakt mit der Zusammensetzung 25 Cr–75 Cu zu erhalten. Das Cr-Pulver enthielt des weiteren 1100 ppm Sauerstoff, 800 ppm Aluminium und 440 ppm Silizium.
Die EP 0903760 A2 beschreibt ein Kontaktmaterial aus einer Mischung eines Pulvers mit hoher Leitfähigkeit (wie Cu), einem Lichtbogen unterdrückenden Pulver (wie Cr) und ersten und/oder zweiten Hilfspulvern, für die eine Anzahl von Materialien einschließlich Al, Si und Te vorgeschlagen wird. Ein spezielles Beispiel enthält 75 Gew.-% Kupfer, 0,05 Gew.-% Aluminium und 4,0 Gew.-% Tellur, der Rest ist Chrom.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Anforderungen an die elektrischen Elektroden der Vakuum-Trennschalter in Leistungsschaltern umfassen die Fähigkeit zur Unterbrechung des Stromkreises, eine gute Spannungsfestigkeit, eine hohe Verschweißfestigkeit usw. Es ist schwierig, diese Anforderungen mit den in den Patentveröffentlichungen Nr. 1 und Nr. 2 angegebenen Materialien zu erfüllen; die Materialien werden entsprechend der Verwendung und der Spezifikationen etwa für die Kapazität ausgewählt.
Um Elektrodeneigenschaften für die Verwendung in einem Vakuum-Leistungsschalter zu erhalten, wird zu dem Cr-Cu-Verbundmetall ein drittes Element hinzugefügt; es ist jedoch schwierig, die Anforderungen an die Unterbrechungseigenschaften, die Spannungs- und Verschweißfestigkeit und auch an die Steuerung der Verteilung des Zusatzelements zu erfüllen. Im Ergebnis werden in den Unterbrechungseigenschaften erhebliche Schwankungen beobachtet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Kontakt mit hervorragenden Unterbrechungseigenschaften, hervorragender Spannungsfestigkeit und hervorragender Verschweißfestigkeit sowie ein Verfahren zum Herstellen des elektrischen Kontakts vorzugsweise für die Elektrode eines Vakuum-Trennschalters und eines Vakuum-Leistungsschalters zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit dem elektrischen Kontakt nach Patentanspruch 1 und dem Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 4 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht der Elektrode eines erfindungsgemäßen Vakuum-Trennschalters.
2 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Vakuum-Trennschalters.
3 ist eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Vakuum-Leistungsschalters.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch einen elektrischen Kontakt aus einer gesinterten Legierung, die als Hauptkomponenten Cr in einer Menge von 15 bis 30 Gew.-% und dem Rest Cu sowie 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te, 100 bis 3000 ppm O, 7,5 bis 900 ppm Al und 15 bis 750 ppm Si enthält.
Der elektrische Kontakt der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise als Hauptkomponenten 15 bis 30 Gew.-% Cr und 70 bis 84,5 Gew.-% Cu. Der erfindungsgemäße elektrische Kontakt enthält vorzugsweise 1200 ppm oder weniger O, 400 ppm oder weniger Al und 400 ppm oder weniger Si. Noch besser enthält der elektrische Kontakt 1000 ppm oder weniger O, 300 ppm oder weniger Al und 300 ppm oder weniger Si.
Der erfindungsgemäße elektrische Kontakt hat vorzugsweise die Form einer Scheibe mit einer Mittenöffnung im Mittelpunkt des Kreises und mit einer Anzahl von Schlitznuten, die die Scheibe durchsetzen, wobei die Scheibe, die die flache Form eines Propellers hat, durch die Schlitznuten unterteilt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Kontakts, das das Preßformen einer Pulvermischung aus Cr und Cu als Hauptkomponenten und 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te sowie das Sintern des Formlings umfaßt. Das Cr-Pulver enthält vorzugsweise 2000 ppm oder weniger O, 3000 ppm oder weniger Al und 2500 ppm oder weniger Si.
Das Pulver enthält vorzugsweise 15 bis 30 Gew.-% Cr, 70 bis 84,5 Gew.-% Cu und 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te, wobei die Partikelgröße des Cr-Cu-Legierungspulvers oder des Cr-Pulvers 104 μm oder weniger beträgt und die Partikelgröße des Cu-Pulvers 61 μm oder weniger, und wobei der Druck beim Pressen der Pulvermischung 120 bis 500 MPa beträgt und die Temperatur beim Sintern in einer Ar-Atmosphäre von 20 bis 60 Pa unter dem Schmelzpunkt von Cu liegt.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Cr sollte O, Al und Si in Mengen enthalten, die unter den angegebenen Mengen für Sauerstoff, Al und Si liegen; ein solch reines Cr-Material wird zum Beispiel mit dem Thermit-Verfahren erhalten. Es hat sich im Ergebnis herausgestellt, daß das Cr-Material sehr kleine Mengen von O, Al und Si enthält; es hat sich auch herausgestellt, daß die Elektrode für einen Vakuum-Trennschalter die Anforderungen an die Unterbrechungsleistung, die Spannungsfestigkeit und die Verschweißfestigkeit erfüllt und daß sich durch den synergistischen Effekt von Te in einer Menge von 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te nur wenig Schwankungen in den Eigenschaften ergeben.
Der im Cr in einer Menge von 50 bis 3000 ppm enthaltene Sauerstoff wird zum Zeitpunkt der Stromunterbrechung freigesetzt, wodurch die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtbogens zunimmt und die Unterbrechung einfach wird. Da die Elektrode die oben angegebenen Mengen an Al und Si enthält, werden die bei der Unterbrechung erzeugten Sauerstoffgase usw. adsorbiert, wodurch die Elektrode nach der Unterbrechung einen guten Zustand aufweist.
Die Gründe für die Wahl der bevorzugten Zusammensetzung des elektrischen Kontakts sind die folgenden. Der elektrische Kontakt enthält 15 bis 30 Gew.-% Cr, der Rest ist Cu, insbesondere 70 bis 84,5 Gew.-% Cu. Wenn die Menge an Cr unter 15 Gew.-% liegt, sinken die Fähigkeit zur Unterbrechung und die Verschweißfestigkeit; und wenn die Menge an Cr größer ist als 30 Gew.-%, wird die elektrische Leitfähigkeit geringer.
Wenn die Elektrode O in einer Menge von 100 bis 3000 ppm, Al in einer Menge von 7,5 bis 900 ppm und Si in einer Menge von 15 bis 750 ppm enthält, steigt die Lichtbogengeschwindigkeit durch den zum Zeitpunkt der Unterbrechung freiwerdenden O an, wodurch die Unterrechung einfacher wird, wobei die Gase wie O nach der Unterbrechung durch das Al und Si adsorbiert werden, wodurch der gewünschte Unterbrechungswiderstand erhalten bleibt. Entsprechend wirken O, Al und Si innerhalb der oben angegebenen Bereiche synergistisch miteinander und sorgen für ausgezeichnete Eigenschaften.
Wenn die Elektrode 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te enthält, wird ein Verschweißen der Elektroden verhindert. Das Te kann in der festen Elektrode und/oder der beweglichen Elektrode enthalten sein, um eine zufriedenstellende Verschweißfestigkeit zu erreichen. Wenn die Menge an Te kleiner ist als 0,05 Gew.-%, sind die Ergebnisse nicht zufriedenstellend; wenn die Menge an Te zu groß ist, kann zum Zeitpunkt der Unterbrechung Te verdampfen, wodurch der Isolationswiderstand sinkt.
Wie beschrieben wird der elektrische Kontakt am besten durch Sintern hergestellt. Bei dem Verfahren beträgt die Partikelgröße der Cr-Cu-Legierung oder des Cr 104 μm oder weniger, und die Partikelgröße des Cu beträgt 61 μm oder weniger. Wenn ein Pulver mit diesen Partikelgrößen verwendet wird, wird ein elektrischer Kontakt mit einer Struktur erhalten, in der das Cr und Cu homogen verteilt sind, so daß die Schwankungen der Eigenschaften gering sind.
Bei dem Sinterverfahren wird die Pulvermischung in eine Propellerform gebracht, die in der Mitte eine Mittenöffnung aufweist, wobei der Formkörper durch Schlitze unterteilt wird. Der Druck beim Pressen beträgt 120 bis 500 MPa, um eine Dichte von 65 bis 75 % zu erhalten. Wenn der Druck kleiner ist, kann der Formkörper brüchig sein; wenn die Dichte größer ist, kann der Formkörper in der Form hängen bleiben, wodurch sich die Lebensdauer der Form verkürzt und die Produktivität bei der Herstellung der Kontakte gering ist.
Die Sinteratmosphäre ist vorzugsweise eine Ar-Atmosphäre von 20 bis 60 Pa. Die Sintertemperatur liegt unter dem Schmelzpunkt von Cu. Wenn das Sintern bei einem Gasdruck der Atmosphäre von 20 bis 60 Pa erfolgt, wird die Oberflächen-Oxidschicht auf dem Cu entfernt und das Verdampfen von Cu verhindert, so daß ein dichter elektrischer Kontakt entsteht. Die Sintertemperatur liegt unter dem Schmelzpunkt von Cu, vorzugsweise bei 1050 bis 1070 °C, so ein elektrischer Kontakt mit einer genauen Kontur erhalten wird, bei dem keine Nachbearbeitung erforderlich ist, so daß die Produktionskosten sinken. Die Elektrode für einen Vakuum-Trennschalter umfaßt die erwähnte Scheibe als elektrischen Kontakt und einen Elektrodenstab, der mit der Scheibe verbunden ist.
Die Mittenöffnung in der Scheibe liegt in der Mitte der Oberfläche für die Lichtbogenerzeugung. Der Elektrodenstab ist in die Öffnung eingesetzt und dort befestigt. Die Oberfläche des Elektrodenstabs weist auf der Seite der Lichtbogenerzeugung vorzugsweise eine Vertiefung auf, die unter der Oberfläche für die Lichtbogenerzeugung liegt. Wenn die Festigkeit der Scheibe nicht groß genug ist, wird zwischen dem Scheibenelement und dem Elektrodenstab noch ein Verstärkungselement angeordnet. Der mit dem Scheibenelement verbundene Abschnitt des Elektrodenstabes hat vorzugsweise einen Durchmesser, der kleiner ist als der des Abschnitts, der mit einem Außenleiter verbunden ist.
Der Vakuum-Trennschalter enthält ein Elektrodenpaar mit einer festen Elektrode und einer beweglichen Elektrode in einem Vakuumgefäß, wobei bei wenigstens einer der Elektroden der oben beschriebene elektrische Kontakt angewendet wird. Der Vakuum-Leistungsschalter enthält den beschriebenen Vakuum-Trennschalter, Leitungsanschlüsse, die jeweils mit der festen Elektrode bzw. der beweglichen Elektrode verbunden sind, und eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der beweglichen Elektrode.
Erfindungsgemäß ist es möglich, einen elektrischen Kontakt mit ausgezeichneten Eigenschaften für die Unterbrechungsleistung, den Isolationswiderstand und die Verschweißfestigkeit sowie ein Verfahren zum Herstellen des Kontakts, einen Vakuum-Trennschalter mit dem Kontakt und einen Vakuum-Leistungsschalter zu schaffen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele anhand von Beispielen erläutert; die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel 1:
Die 1 zeigt eine Schnittansicht durch eine Elektrode für einen erfindungsgemäßen Vakuum-Trennschalter. (a) ist eine Aufsicht auf den elektrischen Kontakt und (b) eine Schnittansicht längs der Linie A-A in (a). Wie in der 1 gezeigt, besteht der elektrische Kontakt 1 aus einem Scheibenelement in Propellerform mit Spiralnuten 2 zum Verhindern des Hängenbleibens eines Lichtbogens dadurch, daß dem Lichtbogen eine Antriebskraft gegeben wird, und mit einer Mittenöffnung 50. Die Elektrode für den Vakuum-Trennschalter besteht aus dem elektrischen Kontakt 1, einem nichtmagnetischen Verstärkungselement 3 aus Edelstahl, dem Elektrodenstab 4 und einem Lötmaterial 5. Das Verstärkungselement 3 wird nur angebracht, wenn es erforderlich ist; wenn die Festigkeit des elektrischen Kontakts groß genug ist, kann es auch weggelassen werden.
Das Verfahren zum Herstellen des elektrischen Kontakts ist das folgende. Es werden Thermit-Cr-Pulver und Elektrolyse-Chrom-Pulver mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 63 μm und Elektrolyse-Kupfer-Pulver mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 60 μm verwendet. Das Thermit-Cr-Pulver enthält 680 ppm O, 700 ppm Al und 800 ppm Si. Das Elektrolyse-Cr-Pulver enthält 4800 ppm O, 26 ppm Al und 12 ppm Si. Wie in der Tabelle 1 gezeigt, wurden elektrische Kontakte 1 mit verschiedenen Zusammensetzungen im Bereich von 10 bis 40 Gew.-% Cr und dem Rest Cu hergestellt. Außerdem wurden Materialien hergestellt, die Te in einer Menge von 0,03 bis 1,0 Gew.-% enthielten. Die Menge von O, Al und Si in den gesinterten Legierungen wurde bestimmt.
Zuerst wurden das Cr-Pulver und das Cu-Pulver gemischt, um die vorgegebene Zusammensetzung zu erhalten. Dann wurde die Pulvermischung in eine Form zum Ausbilden des elektrischen Kontakts mit den Spiralnuten 2 und der Mittenöffnung 50 gefüllt. Das Pulver wurde mit einem Druck von 400 MPa preßgeformt. Die relative Dichte des sich ergebenden Formteils betrug etwa 71 %. Die sich ergebenden Formteile wurden in einer Argonatmosphäre bei 1050 °C, einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von Cu, für 120 Minuten gesintert, um die elektrischen Kontakte herzustellen.
Die sich ergebenden Kontakte wiesen eine relative Dichte von 94 bis 97 % auf. Das Verfahren zum Herstellen der Elektroden für Vakuum-Trennschalter war folgendes. Die Elektrodenstange bestand aus sauerstofffreiem Kupfer, das Verstärkungselement 3 aus SUS304. Das Verstärkungselement 3 wurde vorab in die gewünschte Form gebracht. Der vorstehende Abschnitt der Elektrodenstange 4 wurde mittels des Lötmaterials 5 in die Mittenöffnung 50 des gesinterten elektrischen Kontakts und die Mittenöffnung des Verstärkungselements 3 eingesetzt. Das Lötmaterial 5 befand sich zwischen dem elektrischen Kontakt 1 und dem Verstärkungselement 3. Die Anordnung wurde bei 8,2 × 10^–4 Pa für 10 Minuten auf 970 °C erhitzt, um die in der 1 gezeigte Elektrode zu erzeugen. Die Elektrode ist eine Elektrode für einen Vakuum-Trennschalter mit einer Nennspannung von 12 kV, einem Nennstrom von 600 A und einem Nenn-Unterbrechungsstrom von 25 kA. Wenn die Festigkeit des Scheibenelements ausreicht, kann das Verstärkungselement auch weggelassen werden.
Die 2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Vakuum-Trennschalters. In diesem Beispiel wurde der elektrische Kontakt für den Vakuum-Trennschalter zur Herstellung des Vakuum-Trennschalters verwendet. Die Spezifikationen für den Vakuum-Trennschalter waren: Nennspannung 12 kV, Nennstrom 600 A und Nenn-Unterbrechungsstrom 25 kA. Wie in der 2 gezeigt, wird die Elektrode für Vakuum-Trennschalter, die im Beispiel 1 hergestellt wurde, durch den Elektrodenkontakt 1a auf der Seite der festen Elektrode, eine Elektrode 1b auf der Seite der beweglichen Elektrode, Verstärkungselemente 3a, 3b, einen Elektrodenstab 4a auf der Seite der festen Elektrode und einen Elektrodenstab 4b auf der beweglichen Seite gebildet. Diese Elemente bilden die feste Elektrode 6a bzw. die bewegliche Elektrode 6b.
Die bewegliche Elektrode 6b wird mittels eines Schildes 8 auf der beweglichen Seite, der zum Zeitpunkt der Unterbrechung ein Verteilen von Metalldampf verhindert, an einen beweglichen Elektrodenhalter 12 angelötet. Diese Elemente werden mittels einer Platte 9a auf der Seite der festen Elektrode, einer Platte 9b auf der Seite der beweglichen Elektrode und einem Isolierzylinder 13 hermetisch in ein Hochvakuum eingeschlossen. Die Schrauben der festen Elektrode 6a und des beweglichen Halters 12 stehen mit Außenleitern in Verbindung. Im Isolierzylinder 13 befindet sich ein Schirm 7 zum Verhindern des Verteilens von Metalldampf usw. zum Zeitpunkt der Unterbrechung. Es gibt auch eine Führung 11 zum Halten des Gleitabschnitts zwischen der beweglichen Elektrodenplatte 9b und dem Halter 12 auf der Seite der beweglichen Elektrode.
Zwischen dem Schild 8 auf der beweglichen Seite und der Platte 9b auf der beweglichen Seite befindet sich ein Balg 10, so daß sich der Halter 12 auf der beweglichen Seite unter Erhaltung des Vakuums im Vakuum-Trennschalter auf und ab bewegen kann und dadurch den Kontakt zwischen der festen Elektrode 6a und der beweglichen Elektrode 6b herstellen und unterbrechen kann.
In diesem Beispiel wird mit dem Vakuum-Trennschalter des Beispiels 2 ein Vakuum-Leistungsschalter hergestellt. Die 3 zeigt eine schematische Ansicht des Vakuum-Leistungsschalters mit dem Vakuum-Trennschalter 14 und einem Betätigungsmechanismus.
Der Vakuum-Leistungsschalter zeigt den Betätigungsmechanismus vor dem Vakuum-Trennschalter und drei Epoxidharzzylinder 15 zum Halten des Vakuum-Trennschalters 14 vom Dreiphasen-Einheitstyp auf der Rückseite des Vakuum-Trennschalters. Der Vakuum-Trennschalter 14 wird mit einer Betätigungsstange 16 betätigt. Wenn der Vakuum-Trennschalter geschlossen ist, fließt Strom vom oberen Anschluß 17 durch die elektrischen Kontakte 1a, 1b und den Kollektor 18 zum unteren Anschluß 19. Die Kontaktkraft zwi schen den Elektroden wird durch die Kontaktfeder 20 an der Betätigungsstange aufrecht erhalten. Die elektromagnetisch-motorische Kraft aufgrund eines Kurzschlusses wird von einem Haltehebel 21 und einer Stütze 22 gehalten.
Wenn sich der Vakuum-Trennschalter in einem Zustand befindet, in dem die Trennspule 27 frei ist, wird die Trennspule erregt, um die Stütze 22 vom Trennhebel 28 zu lösen, um dadurch den Haupthebel 26 zu schwenken. Im Ergebnis werden dadurch die Elektroden getrennt.
Wenn der Vakuum-Leistungsschalter im offenen Zustand ist, kehrt das Gelenk durch die Wirkung der Rückstellfeder 29 nach der Trennung der Elektroden zurück, und die Stütze 22 kommt mit dem Trennhebel 28 in Eingriff. Wenn die Schließspule 30 in diesem Zustand erregt wird, wird der Stromkreis geschlossen. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet einen Evakuierzylinder.
Beispiel 2:

In diesem Beispiel wurden Unterbrechungstests mit den im Beispiel 1 vorbereiteten Elektroden für den Vakuum-Trennschalter durchgeführt, um die Unterbrechungsleistung zu bewerten. Die Unterbrechungstests wurden durch Einbauen der im Beispiel 2 vorbereiteten Elektroden in einen Vakuum-Trennschalter mit einer Nennspannung von 12 kV, einem Nennstrom von 600 A und einem Nenn-Unterbrechungsstrom von 25 kA, der in den Vakuum-Leistungsschalter des Beispiels 3 eingebaut wurde, durchgeführt. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Unterbrechungstests. In den Nr. 1 bis 11 wurde Thermit-Cr-Pulver verwendet und in den Nr. 12 bis 13 Elektrolyse-Cr-Pulver. Tabelle 1

Nr.	Zusammensetzung Gew.-%			Verunreinigungen (ppm)			Leistungsvermögen (relative Werte)
	Cr	Cu	Te	O	Al	Si	A	B	C
1	15	85	–	557	98	134	1.05	0,90	0,95
2	20	80	–	702	149	142	1	1	1
3	20	79,95	0,05	748	151	136	1	0,97	1,10
4	20	79,5	0,5	869	131	177	1	0,95	1,40
5	25	75	–	755	168	179	0,97	1,10	1,05
6	30	70	–	837	220	225	0,95	1,18	1,12
7	10	90	–	4512	79	66	0,95	0,80	0,78
8	40	60	–	1002	308	343	0,90	1,25	1,15
9	20	79,97	0,03	719	137	129	1	0,97	1
10	20	79,3	0,03	907	153	184	0,95	0,85	1,55
11	20	79	0,7	1116	144	180	0,90	0,80	1,60
12	20	79,95	1,0	2237	11	53	0,77	0,80	1,35
13	20	80	0,05	2072	13	72	0,84	0,86	1,20

In der Tabelle 1 steht A für den Unterbrechungsstrom, B für den Isolationswiderstand und C für die Verschweißfestigkeit. Die Unterbrechungsfähigkeit ist der maximale Wert für den Strom, der von den Kontakten unterbrochen werden kann. Der Isolationswiderstand ist die maximale Spannung, bei der an den um 6 mm beabstandeten Kontakten keine Entladung auftritt. Die Verschweißfestigkeit ist die maximale Zeit bei einem Strom vom Nennwert (25 kA), nach der die geschlossenen Kontakte getrennt werden können, ohne daß sie verschweißt sind oder aneinander haften.
Die Eigenschaften sind in relativen Werten mit Bezug zu dem Wert 1 des Materials Nr. 2 (20 % Cr, 80 % Cu) angegeben. Die elektrischen Kontakte Nr. 1 bis 11, bei denen Thermit-Cr-Pulver verwendet wurde, werden im folgenden erläutert.
Bei 15 % Cr-Cu (Nr. 1) sind die Unterbrechungsleistung, der Isolationswiderstand und die Verschweißfestigkeit etwas herabgesetzt, da die Menge an Cr als hitzebeständigem Metall nur 15 Gew.-% beträgt; die Eigenschaften sind jedoch für praktische Zwecke durchaus ausreichend. Wenn zu 20 % Cr-Cu 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te hinzugefügt wird (Nr. 3 und 4), nimmt die Verschweißfestigkeit zu, der Isolationswiderstand jedoch etwas ab. Das hinzugefügte Te verhindert das Fortschreiten der Sinterung und damit eine Verringerung der Festigkeit des elektrischen Kontakts, wodurch die Trennkraft für verschweißte Kontakte geringer wird. Unter praktischen Gesichtspunkten stellt die Verringerung des Isolationswiderstands kein Problem dar.
Bei 25Cr-Cu (Nr. 5) nimmt der Isolationswiderstand mit der zunehmenden Menge an Cr zu, und die Lichtbogenlöschung wird besser, so daß die Unterbrechungsfähigkeit etwas zunimmt. Bei 30Cr-Cu (Nr. 6) nimmt die Leitfähigkeit ab und etwas auch die Unterbrechungsfähigkeit; unter praktischen Gesichtspunkten gibt es jedoch dadurch keine Probleme. Bei 10Cr-Cu (Nr. 7) nimmt die Unterbrechungsfähigkeit etwas ab, der Lichtbogen neigt zum Verbleiben, und die Verschweißfestigkeit nimmt ab, da die Menge an Cr klein ist. Bei 40Cr-Cu (Nr. 8) sind die Sintereigenschaften nicht gut, da die Menge an Cr zu groß ist; da auch zu viel O vorhanden ist, nimmt die Unterbrechungsfähigkeit ab.
Bei der vorliegenden Erfindung wird zu den Cr-Cu-Legierungen Te hinzugefügt, um die Verschweißfestigkeit zu erhöhen. Wenn die hinzugefügte Menge an Te 0,03 Gew.-% beträgt (Nr. 9), ist der Verbesserungseffekt für die Verschweißfestigkeit gering, verglichen mit Cr-Cu (Nr. 3), das 0,05 Gew.-% Te enthält. Wenn andererseits die Menge an Te in 0,7 % Cr-Cu größer ist als 0,5 Gew.-% (Nr. 10) und in Cr-Cu (Nr. 11) größer als 1,0 Gew.-%, nehmen wegen der Zunahme der Menge an O und der zunehmenden Verdampfung von Te der Isolationswiderstand und die Unterbrechungsfähigkeit zu. Entsprechend sollte die Menge an Te 0,05 bis 0,5 Gew.-% betragen. In den Fällen der Nr. 12 und 13 wurde Elektrolyse-Cr-Pulver verwendet, und da die Menge an O ist zu groß ist, betragen die relativen Werte für die Unterbrechungsfähigkeit und den Isolationswiderstand 0,90 oder weniger, während die Verschweißfestigkeit hoch ist. Wenn Te hinzugefügt wird, werden die Unterbrechungsfähigkeit und der Isolationswiderstand noch schlechter.
Die 4 zeigt die Beziehungen zwischen der Menge an Cr und der Unterbrechungsfähigkeit, dem Isolationswiderstand und der Verschweißfestigkeit. Wie in der 4 zu sehen, zeigen die elektrischen Kontakte, die mit Thermit-Cr-Pulver erhalten werden, in den relativen Werten einen hohen Isolationswiderstand und eine hohe Verschweißfestigkeit von 0,95 und mehr, wenn die Menge an Cr 15 Gew.-% beträgt. Die Unterbrechungsfähigkeit beträgt bei einer Cr-Menge von 10 bis 30 Gew.-% 0,95 oder mehr. Bei den elektrischen Kontakten aus Elektrolyse-Cr-Pulver liegen jedoch die Verschweißfestigkeit und der Isolationswiderstand bei 0,86 und weniger, während die Unterbrechungsfähigkeit 1,0 und mehr beträgt.
Die 5 zeigt die Beziehung zwischen der Menge an Te und der Verschweißfestigkeit. Wie in der 5 zu sehen, zeigen die elektrischen Kontakte mit Thermit-Cr-Pulver und mit Elektrolyse-Cr-Pulver in den relativen Werten eine hohe Verschweißfestigkeit von 1,0 und mehr.
Die 6 zeigt die Beziehungen zwischen der Menge an Te und der Unterbrechungsfähigkeit sowie dem Isolationswiderstand. Wie in der 6 zu sehen, hat ein Hinzufügen von Te bis zu 0,5 Gew.-% keinen Einfluß auf die Unterbrechungsfähigkeit, wenn Thermit-Cr-Pulver verwendet wird. Wenn die hinzugefügte Menge 0,7 Gew.-% und mehr beträgt, wird die Unterbrechungsfähigkeit zu 0,95; bei einem Kontakt mit Elektrolyse-Cr-Pulver nimmt sie auf 0,85 und weniger ab.
Der elektrische Kontakt mit Thermit-Cr-Pulver zeigt in den relativen Werten einen Isolationswiderstand von 0,95 und mehr, bis die Menge an Te 0,5 Gew.-% beträgt. Der elektrische Kontakt mit Elekrolyse-Cr-Pulver zeigt einen Isolationswiderstand von 0,85 und weniger.
Wie beschrieben weisen elektrische Kontakte für Vakuum-Trennschalter, die bestimmte Menge an O, Al und Si enthalten und die 15 bis 30 Gew.-% Cr und 0,05 bis 0,5 Gew.%-Te enthalten, hinsichtlich der Unterbrechungsleistung, dem Isolationswiderstand und der Verschweißfestigkeit ausgezeichnete Eigenschaften auf. Die elektrischen Kontakte erfüllen alle Vorgaben. Die Schwankungen in der Unterbrechungsleistung sind nur klein, so daß Vakuum-Trennschalter und Vakuum-Leistungsschalter mit hoher Leistungsfähigkeit, hoher Zuverlässigkeit und hoher Sicherheit verwirklicht werden können.
Insgesamt erfüllen die erfindungsgemäßen elektrischen Kontakte die folgenden Anforderungen: Die Unterbrechungsfähigkeit (A) ist die wichtigste Eigenschaft für den Vakuum-Trennschalter und sollte gegenüber dem Vergleichsbeispiel (Nr. 2), das aus Kupfer und Chrom besteht, den Wert 1 oder größer aufweisen. Der Isolationswiderstand (B) sollte wenigstens 0,95 des Isolationswiderstands des Vergleichsbeispiels Nr. 1 betragen. Die Verschweißfestigkeit, deren Verbesserung das Ziel der vorliegenden Erfindung war, sollte so hoch wie möglich sein. Unter diesem Gesichtspunkten erfüllen nur die Proben Nr. 3 und 4 die erwähnten Kriterien.

Claims

Elektrischer Kontakt aus einer gesinterten Legierung aus einer Pulvermischung, die im wesentlichen aus 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te, 100 bis 3000 ppm O, 7,5 bis 900 ppm Al, 15 bis 750 ppm Si, Cr in einer Menge von 15 bis 30 Gew.-% und im Rest Cu besteht.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, wobei die Menge an Cu 70 bis 84,5 Gew.-% beträgt.
Elektrischer Kontakt nach Anspruch 1, wobei die Menge an O 400 bis 1200 ppm, die Menge an Al 50 bis 400 ppm und die Menge an Si 50 bis 400 ppm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts, umfassend das Pressen und Formen einer Pulvermischung, die 0,05 bis 0,5 Gew.-% Te sowie Cr in einer Menge von 15 bis 30 Gew.-% und im Rest Cu als Hauptkomponenten enthält, und Sintern der geformten Pulvermischung, wobei das Cr-Pulver 50 bis 2000 ppm O, 50 bis 3000 ppm Al und 100 bis 2500 ppm Si enthält.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 4, wobei die Menge an Cu 70 bis 84,5 Gew.-% beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 4, wobei die Partikelgröße der Cr-Cu-Legierung oder des Cr 104 μm oder weniger beträgt und die Partikelgröße des Cu 61 μm oder weniger.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 4, wobei der Formdruck 120 bis 500 MPa beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts nach Anspruch 7, wobei das Sintern in einer Ar-Atmosphäre mit einem Druck von 20 bis 60 Pa bei einer Temperatur erfolgt, die nicht höher ist als der Schmelzpunkt von Cu.