DE69330598T2

DE69330598T2 - Kontaktmaterial für Vakuumschalter und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69330598T2
Application number: DE69330598T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Okutomi; Tsuneyo Seki; Atsushi Yamamoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: KR0125624B1; CN1044529C; EP0609601B1; JP3597544B2; DE69330598D1; EP0609601A3; JPH06228704A; US5409519A; KR940019387A; EP0609601A2; CN1091856A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktmaterial der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art für einen Vakuumschalter, wie bereits aus EP-A-0 110 176 bekannt, Vakuumschalter selbst und Verfahren zu deren Herstellung.
Die wichtigsten Eigenschaften die ein Kontaktmaterial für Vakuumschalter haben muß, sind die drei Grundforderungen der Antischweißeigenschaft, der Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Spannung und die Stromunterbrechungseigenschaft. Weitere wichtige Anforderungen sind das Aufweisen einer geringen und stabilen Temperaturzunahme und ein niedriger und stabiler Kontaktwiderstand. Es ist jedoch nicht möglich, all diesen Anforderungen durch ein einziges Metall zu genügen, da sich einige von ihnen widersprechen. Dementsprechend bestehen viele der Kontaktmaterialien, die für praktische Anwendungen entwickelt wurden, aus einer Kombination von zwei oder mehr Elementen, um ihre gegenseitigen Mängel in der Leistung auszugleichen und für bestimmte Anwendungen geeignet zu sein, beispielsweise für eine Verwendung bei großen elektrischen Strömen oder geeignet zu sein oder die Fähigkeit zu haben, hohen Spannungen zu widerstehen. Jedoch sind die Leistungsanforderungen stark angestiegen und die augenblickliche Situation ist so, daß diese Materialien in mancher Hinsicht unbefriedigend sind. Eine neuere Tendenz ist darin zu sehen, daß sich die Verwendung dieser Materialien auf Kondensatorstromkreise ausweitet. Eine entsprechende Entwicklung und Verbesserung von Kontaktmaterialien ist eine dringende Aufgabe.
Um dies zu schaffen, wurden früher Kontaktmaterialien eingesetzt, die Kupfer als leitenden Bestandteil enthielten, kombiniert mit Wolfram, Molybdän, Tantal oder Niob, die Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt sind und generell für eine exzellente Spannungswiderstandsfähigkeit sorgen.
Solche Cu-W-Kontaktmaterialien oder dergleichen können in Bereichen angewendet werden, wo ein bestimmter Grad an Spannungswiderstandsfähigkeit erforderlich ist. Jedoch tritt bei ihnen das Problem des Wiederzündens in den kritischen Bereichen hoher Haltespannung und in Stromkreisen auf, in denen Einschaltstromspitzen auftreten. Der Grund dafür ist eine ungenügende Haftfestigkeit zwischen den Körnern des lichtbogenbeständigen Materials und des leitenden Bestandteiles infolge von ungenügender Befeuchtung des lichtbogenbeständigen Materials durch den leitenden Bestandteil.
Insbesondere kommt es, obwohl die Elektroden in offener Stellung sind, zu einem Wiederzünden, weil Partikel des lichtbogenbeständigen Materials elektrisch geladen werden und sich von der Oberfläche der Kontakte lösen und weil bei ungenügender Benetzung Gas in Poren im Inneren der Kontakte entsteht. Weiterhin kommt es zu einem Transfer zu den Oberflächen der Kontakte, wenn die Elektroden getrennt werden, aufgrund von durch elektrische Ströme im Hochfrequenzbereich etc. bedingten örtlichen Verschweißungen, die erzeugt werden, wenn der elektrische Stromkreis geschlossen ist, da die Grenzfläche zwischen dem bereits erwähnten lichtbogenbeständigen Material und dem leitenden Bestandteil schwach ist und örtliche Poren vorhanden sind. Dies verursacht Konzentrationen des elektrischen Feldes etc., die zu einem Wiederzünden führen können. Ein solches Wiederzünden kann Fehlfunktionen im Stromkreissystem verursachen, die z. B. zu einem Stromausfall führen können. Insbesondere in Kondensatorstromkreisen wird eine Spannung verwendet, die zweimal so groß wie die eines gewöhnlichen Stromkreises ist, so daß das Problem der Spannungswiderstandscharakteristik der Kontakte, insbesondere die Unterdrückung eines Wiederzündens, in den Vordergrund gerückt ist.
Wie oben ausgeführt, ist der Grund für das Auftreten eines Wiederzündens eine ungenügende Haftfestigkeit zwischen den Körnern des lichtbogenbeständigen Materials und des leitenden Bestandteiles aufgrund von ungenügender Benetzung des lichtbogenbeständigen Materials mit dem leitenden Bestandteil. Deshalb ist es wichtig, die Häufigkeit des Auftretens eines Wiederzündens durch eine Erhöhung der Grenzflächenfestigkeit und durch eine Verringerung der inneren Poren zu reduzieren.
Dementsprechend ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter anzugeben, durch das die Häufigkeit des Auftretens eines Wiederzünden reduziert ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter anzugeben, durch das die Häufigkeit des Auftretens eines Wiederzündens reduziert ist.
Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, dem lichtbogenbeständigen Bestandteil und dem leitenden Bestandteil einen Hilfsbestandteil hinzuzufügen, der wenigstens aus einem der Elemente Chrom, Titan, Yttrium, Zirkonium, Kobalt und Vanadium besteht, um die Haftfestigkeit des lichtbogenbeständigen und des leitenden Bestandteiles zu verstärken.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können durch die Angabe eines Kontakmaterials für einen Vakuumschalter gemäß Anspruch 1 gelöst werden.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können ferner durch die Angabe eines oben bereits beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Kontaktmaterials gelöst werden, das einen Verfahrensschritt zur Herstellung eines Gerüstes mit dem lichtbogenbeständigen Bestandteil und dem Hilfsbestandteil umfaßt. Das Verfahren umfaßt ferner einen Verfahrensschritt der Infiltrierung des Gerüstes mit einem Infiltrationsmaterial, um das Kontaktmaterial zu erhalten.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können ferner durch die Angabe eines oben bereits beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Kontaktmaterials erreicht werden, das einen Verfahrensschritt der Herstellung eines Gerüstes mit dem lichtbogenbeständigen Bestandteil, dem Hilfsbestandteil und dem leitenden Bestandteil umfaßt. Das Verfahren umfaßt ferner den Verfahrensschritt der Infiltrierung des Gerüstes mit einem Infiltrationsmaterial, um das Kontaktmaterial zu erhalten.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können auch durch die Angabe eines oben bereits beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Kontaktmaterials gelöst werden, das Verfahrensschritte der Herstellung eines Gerüstes mit dem lichtbogenbeständigen Bestandteil und des Infiltrierens des Gerüstes mit einem Infiltrationsmaterial umfaßt, um das Kontaktmaterial zu erhalten. Das Infiltrationsmaterial beinhaltet den leitenden Bestandteil ergänzt um den Hilfsbestandteil.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können ferner durch Angabe eines oben bereits beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Kontaktmaterial gelöst werden, das einen Verfahrensschritt der Vermischung von Pulvern des lichtbogenbeständigen Bestandteiles, des Hilfsbestandteiles und des leitenden Bestandteiles umfaßt, um ein Kontaktmaterial-Mischpulver zu erhalten. Das Verfahren beinhaltet weiterhin die Verfahrensschritte der Formung eines Kontaktmaterial-Mischpulvers für die Bildung eines Gußkörpers und das Sintern des Gußkörpers, um das Kontaktmaterial zu erhalten.
Nachfolgend wird insbesondere die Ursache für die Zunahme der Haftfestigkeit zwischen dem lichtbogenbeständigen und dem leitenden Bestandteil durch die Zusetzung des Hilfsbestandteiles zu dem lichtbogenbeständigen Bestandteil und dem leitenden Bestandteil beschrieben. Im Falle des herkömmlichen Kontaktmaterials, bei dem ein lichtbogenbeständiges Material, wie beispielsweise Wolfram, verwendet wird, war eine ungenügende Grenzflächenfestigkeit die Folge von dessen vollständiger Unfähigkeit, eine feste Lösung mit dem leitenden Bestandteil, wie beispielsweise Kupfer, zu bilden oder mit diesem zu reagieren. Im Fall des erfindungsgemäßen Kontaktmaterials ist der Hilfsbestandteil zugegeben, der sowohl mit dem lichtbogenbeständigen Material als auch mit dem leitenden Material reagiert. Das Ergebnis ist, daß der lichtbogenbeständige Bestandteil und der leitende Bestandteil fester aneinander haften, so daß ein Wiederzünden vermieden ist, da die Ablösung von der Oberfläche der Körner des lichtbogenbeständigen Materials, die Erzeugung einer auffälligen Unebenheit beim Auftreten eines Verschweißens und das Auftreten von Poren im Inneren der Kontakte verringert ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein vollständigere Würdigung der Erfindung und vieler der begleitenden Vorteile wird leicht dadurch erhalten, daß die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verständlich wird, wenn die Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Vakuumschalters ist, bei dem ein erfindungsgemäßes Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter angewendet ist, und
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Elektrodenteils des Vakuumschalters aus Fig. 1 ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Vakuumschalters.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Elektrodenteils des Vakuumschalters gemäß Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Stromkreisunterbrechungskammer 1 dargestellt, die durch ein isoliertes Gefäß 2 gebildet ist, das in der Praxis durch einen Zylinder aus Isoliermaterial und Metallabdeckungen 4a, 4b, die an dessen beiden Enden vorhanden sind, gebildet ist, wobei zwischen dem Zylinder und den Metallabdeckungen 4a, 4b Dichtungsteile 3a und 3b vorhanden sind, um die Kammer unter Vakuum zu halten.
In der Stromkreisunterbrechungskammer 1 ist ein Paar von Elektroden 7 und 8 derart an leitenden Stangen 5 und 6 angebracht, daß sich die Elektroden 7 und 8 gegenüberliegen. Zum Beispiel ist die obere Elektrode 7 die feststehende Elektrode und die untere Elektrode 8 die bewegliche Elektrode. Ein Balg 9 ist derart an der leitenden Stange 6 der Elektrode 8 angebracht, daß eine Bewegung der Elektrode 8 in axialer Richtung erfolgen kann, wobei die Vakuumdichtigkeit im Inneren der Stromkreisunterbrechungskammer 1 erhalten bleibt. Ein Lichtbogenschild 10 aus Metall ist an der Oberseite des Balges 9 vorgesehen, um die Belegung des Balges 9 mit Lichtbogendampf zu verhindern. Ein Lichtbogenschild 11 aus Metall ist in der Stromkreisunterbrechungskammer 1 zur Überdeckung der Elektroden 7 und 8 vorgesehen, um die Belegung des isolierten Gefäßes 2 mit Lichtbogendampf zu verhindern.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Elektrode 8 an der leitenden Stange 6 durch ein Lötstück 12 befestigt oder durch Verstemmen mit dieser preßverbunden. Ein Kontakt 13a ist an der Elektrode 8 durch Verlötung mit einem Stück 14 angebracht. Dieselbe Konstruktion ist im wesentlichen für die Elektrode 7 vorgesehen, die einen Kontakt 13b aufweist.
Nachfolgend werden Beispiele für ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kontaktmaterials beschrieben. Die Verfahren zur Herstellung von Kontaktmaterial können grob klassifiziert werden in das Infiltrationsverfahren, bei dem der leitende Bestandteil geschmolzen wird und in ein Gerüst aus lichtbogenbeständigem Pulver etc. fließt, und das Sinterverfahren, bei dem die Pulver in vorbestimmten Verhältnissen vermischt, gegossen und gesintert werden.
Verglichen mit den herkömmlichen Verfahren weist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren folgende Eigenschaften auf: Insbesondere im Fall des Infiltrationsverfahrens besteht die charakteristische Eigenschaft darin, daß ein Gerüst durch Sinterung eines vermischten Pulvers bestehend aus lichtbogenbeständigem Pulver und dem Pulver des dritten Elements (Hilfsbestandteil-Pulver), beispielsweise unter Vakuum, hergestellt wird und daß der leitende Bestandteil in das Gerüst, beispielsweise unter Vakuum, infiltriert wird, um das Kontaktmaterial herzustellen. Auch ist es möglich, das Kontaktmaterial durch Infiltration des leitenden Bestandteiles, zu dem das dritte Element hinzugegeben würde, in ein lediglich aus lichtbogenbeständigem Pulver hergestelltes Gerüst herzustellen. Im Falle des Sinterverfahrens besteht die charakteristische Eigenschaft darin, daß das Kontaktmaterial durch Sintern eines vermischten Pulvers, bestehend aus lichtbogenbeständigem Pulver, leitendem Pulver und dem Pulver des dritten Elements, welche in vorher festgelegten Mengen vermengt wurden, beispielsweise unter Vakuum hergestellt wird. Sowohl beim Infiltrations- wie auch beim Sinterverfahren können die Kontakte unter Verwendung eines zusammengesetzten Pulvers hergestellt werden, das durch Überziehen der Oberfläche des Pulvers aus lichtbogenbeständigem Bestandteil mit dem dritten Element oder einem Pulver einer Legierung des lichtbogenbeständigen Elements und dem dritten Element erhalten wird.
Nachfolgend werden ein Verfahren zur Bewertung und die Bedingungen für die Bewertung beschrieben, wobei sich konkrete Beispiele, die beschrieben werden sollen, ergeben. Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Tatsachen wurde ein Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Kontaktmaterial und konventionell hergestelltem Kontaktmaterial in Hinblick auf die Häufigkeit des Auftretens von Wiederzündungen durchgeführt. Die scheibenförmige Probe des Kontaktmaterials mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Stärke von 5 mm wird in einen zerlegbaren Vakuumschalter angebracht. Anschließend wurden Messungen durchgeführt, bei denen die Häufigkeit des Auftretens von Wiederzündungen beim Trennen eines 60 kV · 500 A Stromkreises durch den zerlegbaren Vakuumschalter gemessen wurde, wobei 2000 mal getrennt wurde. Die Ergebnisse wurden als Prozentangabe des Auftretens von Wiederzündungen angegeben. Um die Kontakte anzubringen, wurde nur eine Ofenbeheizung (450ºC · 30 Minuten) durchgeführt. Lötmaterial wurde nicht verwendet, und die Hitze, die ein Verlöten begleiten würde, wurde nicht angewendet. [Tabelle 1] [Tabelle 2] [Tabelle 3] [Tabelle 4]
Bei der Erstellung der Tabellen 1 bis 3 wurde ein Einmetall-Pulver verwendet. Das Gerüst für das Infiltrationsverfahren wurde nur aus lichtbogenbeständigem Pulver und Hilfsbestandteil-Pulver hergestellt. Sauerstoffreies Kupfer und vakuumgeschmolzene Ag/Cu-Legierung wurden als Infiltrationsmaterial verwendet.

Beispiele 1-3, Vergleichsbeispiele 1-2 (siehe Tabelle 1)

Die Kontakte wurden mit einem festen Niobanteil des lichtbogenbeständigen Materials von 25 Volumen-%, aber unter Zugabe von Mengen von 0, 1, 25, 50 und 65 Volumen-% des Chrom-Hilfsbestandteiles (Vergleichsbeispiel 1 bzw. Beispiele 1, 2 und 3 bzw. Vergleichsbeispiel 2) hergestellt. Das verwendete Rohmaterialpulver bestand aus einer Mischung von Niobpulver und Chrompulver. Vergleichsbeispiel 1 und Beispiel 1 wurden durch das Sinterverfahren hergestellt. Im einzelnen wurde die Herstellung durch Vermischen und Gießen des Niobpulvers, Chrompulvers und Kupferpulvers und nachfolgendes Sintern bei einer vorgegebenen Temperatur durchgeführt, um die zu testenden Proben vorzubereiten. Die detaillierten Herstellungsbedingungen dieser Proben sind als BEDINGUNG 1 beschrieben.

BEDINGUNG 1 für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1

Ein Nb-Pulver, ein Cr-Pulver und ein Cu-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 bzw. 50 bzw. 30 Mikrometern werden bereitgestellt. Diese werden für 12 Stunden in einer Kugelmühle vermischt. Die resultierende Mischung wird mit einem Gießdruck von 8 t/cm² gegossen. Der sich ergebende Gußkörper wird bei einer Temperatur von 1050ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa für drei Stunden gesintert, um die Probe des Kontaktmaterials zu erhalten.
Die Beispiele 2 und 3 und Vergleichsbeispiel 2 wurden durch das Infiltrationsverfahren hergestellt. Im einzelnen wurde das Gerüst durch die Vermischung, Formgebung und Sinterung von Niobpulver und Chrompulver hergestellt. Anschließend wurden die Proben durch Infiltration von sauerstoffreiem Kupfer in das Gerüst vorbereitet. Die detaillierten Herstellungsbedingungen dieser Proben sind als BEDINGUNG 2 beschrieben.

BEDINGUNG 2 für Beispiele 2 und 3 und Vergleichsbeispiel 2

Ein Nb-Pulver und ein Cr-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 bzw. 50 Mikrometern werden bereitgestellt. Diese werden für 12 Stunden in einer Kugelmühle vermischt. Die resultierende Mischung wird unter einem Gießdruck von 0,5, 2 und 5 t/cm² für Beispiel 2 bzw. Beispiel 3 bzw. Vergleichsbeispiel 2 gegossen. Der sich ergebende Gußkörper wird bei einer Temperatur von 1200ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa für eine Stunde gesintert, um ein Gerüst zu erhalten. Das Gerüst wird bei einer Temperatur von 1130 ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa für 0,5 Stunden von sauerstoffreiem Kupfer infiltriert, um die Probe des Kontaktmaterials zu erhalten.
Die Möglichkeit des Auftretens von Wiederzündungen wurde nach dem Fertigen dieser Proben und deren Anbringung in einem zerlegbaren Vakuumschalter gemessen. Wie in Tabelle 1 gezeigt, war das Ergebnis, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wiederzündungen bei den Beispielen 1, 2 und 3, bei denen 1, 25 und 50% Chrom hinzugegeben wurde, bei 0,5 bis 0,8% lag, wohingegen im Vergleichsbeispiel 1, bei dem kein Chrom zugegeben wurde, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wiederzündungen bei 1-2% lag, was eine Verbesserung bedeutet. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wiederzündungen von 0,8% wurde auch im Fall des Vergleichsbeispieles 2, bei dem 65% Chrom hinzugegeben wurde, verbessert. Aber dieses Vergleichsbeispiel 2 ist problematisch in der praktischen Anwendung, da es einen hohen Kontaktwiderstand aufgrund des Mangels an leitendem Bestandteil aufweist. Zu Vergleichszwecken wurde auch versucht, ein Nb-Cu-Kontaktmaterial ohne Zugabe von Chrom durch das Infiltrationsverfahren herzustellen. Jedoch konnte eine Infiltration aufgrund der Wirkung des Oberflächenoxids nicht erreicht werden.

Beispiele 4-6, Vergleichsbeispiele 3-4 (siehe Tabelle 2)

Kontaktmaterial wurde unter Zugabe des Hilfsbestandteiles mit einem festen Anteil von 1 Volumen-% Titan, aber mit einem Anteil an Tantal als lichtbogenbeständigen Bestandteil von 15, 25, 50, 70 und 90 Volumen-% (Vergleichsbeispiel 3, Beispiele 4, 5 und 6 und Vergleichsbeispiel 4) hergestellt. Im Fall des Vergleichsbeispieles 3 und des Beispieles 4 wurde das Kontaktmaterial durch das Sinterverfahren hergestellt. Die detaillierten Herstellungsbedingungen dieser Proben sind als BEDINGUNG 3 beschrieben.

BEDINGUNG 3 für Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 3

Ein Ta-Pulver, ein Ti-Pulver und ein Cu-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 bzw. 50 bzw. 30 Mikrometern sind bereitgestellt. Der nachfolgende Ablauf ist der gleiche wie unter BEDINGUNG 1.
Im Fall der Beispiele 5 und 6 und des Vergleichsbeispieles 4 wurde das Infiltrationsverfahren angewendet. Die detaillierten Herstellungsbedingungen dieser Proben sind als BEDINGUNG 4 beschrieben.

BEDINGUNG 4 für Beispiele 5 und 6 und Vergleichsbeispiel 4

Ein Ta-Pulver und ein Ti-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 bzw. 50 Mikrometern sind bereitgestellt. Diese werden für 12 Stunden in einer Kugelmühle vermischt. Die resultierende Mischung wird unter einem Gießdruck von 0,5, 2 und 5 t/cm² für Beispiel 5 bzw. Beispiel 6 bzw. Vergleichsbeispiel 4, gegossen. Der folgende Ablauf ist der gleiche wie unter BEDINGUNG 2.
Bei allen Proben wurde in Hinblick auf die Wiederzündwahrscheinlichkeit, die bei 0,5 - 0,8% lag, eine Verbesserung beobachtet. Jedoch war im Fall des Vergleichsbeispieles 3, bei dem der Tantalanteil 15% betrug, die Stromkreisunterbrechungsfähigkeit stark reduziert und im Fall des Vergleichsbeispieles 4, bei dem der Tantalanteil 90% betrug, wurde der Kontaktwiderstand so groß wie im oben bereits erwähnten Vergleichsbeispiel 2, und zwar so groß, daß die Probe nicht in einen praktisch anwendbaren Vakuumschalter eingebaut werden konnte.

Beispiele 7-8 (siehe Tabelle 3)

In Tabelle 1 wurden Beispiele, die Nb-Cr-Cu-Systeme verwenden, und in Tabelle 2 wurden Beispiele, die Ta-Ti-Cu-Systeme verwenden, beschrieben. Jedoch kann eine Verminderung der Wiederzündwahrscheinlichkeit ebenso durch die Verwendung von Wolfram und Molybdän als lichtbogenbeständiges Material, anstelle von Niob und Tantal, und durch die Verwendung von Yttrium, Zirkonium, Kobalt oder Vanadium als Hilfsbestandteil, anstelle von Chrom oder Titan, erreicht werden. Auch kann Silber als leitender Bestandteil anstelle von Kupfer verwendet werden. Beispiel 7 ist ein Beispiel, in dem Kontakte bestehend aus 50 Volumen-% W - 5% Co - 30% Cu - 15% Ag durch das Infiltrationsverfahren hergestellt wurden. Beispiel 8 ist ein Beispiel, in dem Kontakte bestehend aus 25% W - 25% Mo - 1% Y - 1% Zr - Cu (Rest) durch das Infiltrationsverfahren hergestellt wurden. Die detaillierten Herstellungsbedingungen dieser Proben sind als BEDINGUNG 5 beschrieben.

BEDINGUNG 5 für Beispiele 7 und 8

Ein W-Pulver, ein Co-Pulver, ein Cu-Pulver und ein Ag-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 3 bzw. 5 bzw. 30 bzw. 30 Mikrometern sind für Beispiel 7 bereitgestellt. Ein W-Pulver, ein Mo-Pulver, ein Y-Pulver, ein Zr-Pulver und ein Cu-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 3 bzw. 3 bzw. 30 bzw. 30 bzw. 30 Mikrometern sind für Beispiel 8 bereitgestellt. Der folgende Ablauf ist der gleiche wie der für Beispiel 2 unter BEDINGUNG 2. Beide dieser Kontakte waren brauchbar, da sie niedrige Wiederzündwahrscheinlichkeiten von 0,8% und 0,5% aufwiesen.
Aus den Ergebnissen der Untersuchung der obigen Proben geht hervor, daß die Häufigkeit von Wiederzündungen nicht lediglich durch die Zusammensetzungen der Beispiele, sondern durch die Verwendung von Tantal, Niob, Molybdän oder Wolfram als lichtbogenbeständigen Material, Chrom, Titan, Yttrium, Zirkonium, Kobalt oder Vanadium als Hilfsbestandteil und Kupfer oder Silber als leitendem Bestandteil reduziert werden kann.

Beispiele 9-12 (siehe Tabelle 4)

Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren untersucht. Beispiel 9 ist ein Beispiel, bei dem ein Gerüst durch Vermengen und Vermischen von Niobpulver und Chrompulver im Verhältnis 9 : 1 hergestellt und dies dann mit sauerstoffreiem Kupfer infiltriert wurde. Beispiel 10 ist ein Beispiel, bei dem ein nur aus Niobpulver bestehendes Gerüst hergestellt und mit einer vorher vorbereiteten 2% Cr-Cu-Legierung infiltriert wurde. Beispiel 11 ist ein Beispiel, bei dem ein Gerüst durch Vermischung und Sinterung eines Pulvers aus einer Nb/Cr-Legierung mit einem Cu-Pulver vorbereitet und dieses dann mit zusätzlichem sauerstoffreiem Kupfer infiltriert wurde. In Beispiel 12 wurden die Kontakte durch Überziehen der Oberfläche des Niobpulvers mit Chrom und dessen anschließender Vermischung mit einem Kupferpulver, Gießen und nachfolgendem Sintern hergestellt. Die detaillierten Herstellungsbedingungen dieser Proben sind als BEDINGUNGEN 6, 7, 8 und 9 beschrieben.

BEDINGUNG 6 für Beispiel 9

Ein Nb-Pulver und ein Cr-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 bzw. 50 Mikrometern sind bereitgestellt. Das Nb-Pulver und das Cr-Pulver werden im Volumenverhältnis von 9 : 1 vermengt und für 12 Stunden in einer Kugelmühle vermischt. Die resultierende Mischung wird mit einem Gießdruck von 0,5 t/cm² gegossen. Der sich ergebende Gußkörper wird bei einer Temperatur von 1200ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 10&supmin;² Pa für drei Stunden gesintert, um ein Gerüst zu erhalten. Das Gerüst wird mit einem sauerstoffreien Kupfer bei einer Temperatur von 1130ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa für 0,5 Stunden infiltriert, um die Probe des Kontaktmaterials zu erhalten.

BEDINGUNG 7 für Beispiel 10

Ein Nb-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 Mikrometern wird mit einem Gießdruck von 0,5 t/cm² gegossen. Der sich ergebende Gußkörper wird bei einer Temperatur von 1200ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa für drei Stunden gesintert, um ein Gerüst zu erhalten. Vorher wird eine 2% Cr-Cu-Legierung durch Schmelzen von Cr und Cu unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa vorbereitet. Das Gerüst wird mit einer 2% Cr- Cu-Legierung bei einer Temperatur von 1130ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 102 Pa für 0,5 Stunden infiltriert, um die Probe des Kontaktmaterials zu erhalten.

BEDINGUNG 8 für Beispiel 11

Eine 50 Gewichts-% Nb-Cr-Legierung wird in ein Legierungspulver mit einer mittleren Korngröße von 100 Mikrometern gebrochen. Das Legierungspulver und ein Cu- Pulver mit einer mittleren Korngröße von 30 Mikrometern werden für 12 Stünden in einer Kugelmühle vermischt. Die resultierende Mischung wird bei einem Gießdruck von 3 t/cm² gegossen. Der sich ergebende Gußkörper wird bei einer Temperatur von 1200ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 1,0&supmin;² Pa für eine Stunde gesintert, um ein Gerüst zu erhalten. Das Gerüst wird mit einem sauerstoffhaltigen Kupfer bei einer Temperatur von 1130ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 10&supmin;² Pa für 0,5 Stunden infiltriert, um die Probe des Kontaktmaterials zu erhalten.

BEDINGUNG 9 für Beispiel 12

Ein Nb-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 100 Mikrometern wird mit Cr umhüllt, um ein zusammengesetztes Pulver zu bilden, in dem Nb und Cr in einem Volumenverhältnis von 9 : 1 vorhanden sind. Das zusammengesetzte Pulver und ein Cu-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 30 Mikrometern werden für 12 Stunden in einer Kugelmühle vermischt. Die resultierende Mischung wird bei einem Gießdruck von 8 t/cm² gegossen. Der sich ergebende Gußkörper wird bei einer Temperatur von 1050 ºC und unter einem Vakuum von 1,0 · 10&supmin;² Pa für drei Stunden gesintert, um eine Probe des Kontaktmaterials zu erhalten.
Die Wiederzündwahrscheinlichkeiten dieser Kontakte betrugen in jedem Fall 0,5 - 0,8%, d. h., daß gute Ergebnisse erzielt wurden.
Bei der Untersuchung des Querschnitts der durch diese verschiedenen Verfahren hergestellten Kontaktmaterialien unter Verwendung eines optischen Mikroskops und eines Elektronenmikroskops wurde festgestellt, daß in allen Fällen die Außenfläche des lichtbogenbeständigen Materials dazu neigte, von dem Hilfsbestandteil umgeben zu werden. Die Untersuchung bestätigte somit, daß der Hilfsbestandteil das Bindeglied zwischen dem lichtbogenbeständigen Material und dem leitenden Bestandteil ist. Insbesondere war diese Neigung besonders auffällig bei Kontaktmaterial, das durch das Infiltrationsverfahren hergestellt wurde. Es kann gefolgert werden, daß sich dieses Ergebnis in der Tatsache widerspiegelt, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wiederzündungen bei durch Infiltration hergestelltem Kontaktmaterial 0,5% beträgt, während sie im Fall des durch Sinterung hergestellten Kontaktmaterials bei ungefähr 0,8% liegt. Um das Auftreten von Wiederzündungen bei durch das Sinterverfahren hergestelltem Kontaktmaterial zu unterdrücken, ist es deshalb wünschenswert, die Sintertemperatur so nah wie möglich am Schmelzpunkt zu haben. Aber auch durch das Sinterverfahren hergestelltes Kontaktmaterial kann ebenfalls die Wahrscheinlichkeit von Wiederzündungen schon ausreichend verringern.
Bei Untersuchung der Struktur des Querschnitts der aus dem leitenden Bestandteil gebildeten Matrix wurde auch erkannt, daß an vielen Stellen der aus leitendem Bestandteil gebildeten Matrix der Hilfsbestandteil im Inneren der Matrix geschmolzen ist oder sich abgesetzt hat, was zu einer festen Haftung zwischen dem Hilfsbestandteil und dem leitenden Bestandteil geführt hat. Auch dieses Phänomen war besonders auffällig bei durch das Infiltrationsverfahren hergestelltem Kontaktmaterial.
Aus den Ergebnissen der Untersuchung obiger Beispiele geht klar hervor, daß durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ähnliche Ergebnisse erzielt werden können, und zwar nicht nur bei den vorliegenden Beispielen, sondern auch bei teilweiser Kombination dieser Beispiele.
Wie oben beschrieben wird durch die vorliegende Erfindung Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben, das sehr zuverlässig ist und durch das die Wahrscheinlichkeit von Wiederzündungen aufgrund der erhöhten Haftfestigkeit zwischen dem lichtbogenbeständigen Bestandteil und dem leitenden Bestandteil verringert ist, die auf die Verwendung des Hilfsbestandteiles zurückzuführen ist.
Es ist offensichtlich, daß vielfache Abwandlungen und Variationen der gemachten Erfindung im Lichte der offenbarten Lehre möglich sind. Im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche kann die Erfindung somit auch auf andere Weise benutzt werden als dies hier beschrieben ist.

Claims

1. Ein Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter, das aufweist:

einen lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteil, der wenigstens eines der folgenden Elemente aufweist:

Tantal, Niob, Wolfram und Molybdän;

einen Hilfsbestandteil der wenigstens eines der folgenden Elemente aufweist:

Chrom, Titan, Yttrium, Zirkonium, Kobalt und Vanadium; und

einen leitenden Bestandteil, der Kupfer und/oder Silber aufweist, wobei

die Menge des lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteiles in einem Bereich von 25 Volumen-% bis 75 Volumen-% liegt,

die Gesamtmenge des lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteiles zusammen mit dem Hilfsbestandteil nicht mehr als 75 Volumen-% beträgt und die Menge des leitenden Bestandteiles den Rest bildet,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Hilfsbestandteil so geformt ist, daß er eine Peripherie des lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteiles umgibt und

daß der leitende Bestandteil in Form einer Matrix des leitenden Bestandteiles enthalten ist.

2. Ein Kontaktmaterial nach Anspruch 1, wobei der lichtbogenwiderstehende oder lichtbogenbeständige Bestandteil und der Hilfsbestandteil eine Legierung bilden.

3. Ein Kontaktmaterial nach Anspruch 2, wobei der Hilfsbestandteil in die Matrix des leitenden Bestandteiles eingeschmolzen ist.

4. Ein Kontaktmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hilfsbestandteil innerhalb der Matrix des leitenden Bestandteiles abgesetzt ist.

5. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmateriales nach Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist:

Herstellen eines Gerüstes mit dem lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteil und dem Hilfsbestandteil und

Infiltrieren des Gerüstes mit einem Infiltrationsmaterial, um das Kontaktmaterial zu erhalten.

6. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials nach Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist:

Herstellung eines Gerüstes mit dem lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteil, dem Hilfsbestandteil und dem leitenden Bestandteil und

7. Ein Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Infiltrationsmaterial den leitenden Bestandteil enthält.

8. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Infiltrationsmaterial den leitenden Bestandteil ergänzt um den Hilfsbestandteil enthält.

9. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei bei der Herstellung des Gerüstes ein Pulver des lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteiles und ein Pulver des Hilfsbestandteiles vermischt werden, um ein Mischpulver zu bilden, aus dem das Gerüst hergestellt wird.

10. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei bei der Herstellung des Gerüstes ein zusammengesetztes Pulver des von dem Hilfsbestandteil umgebenen lichtbogenbeständigen Bestandteiles vorbereitet und das Gerüst mit dem zusammengesetzten Pulver hergestellt wird.

11. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei bei der Herstellung des Gerüstes ein Pulver einer Legierung des lichtbogenbeständigen Bestandteiles und des Hilfsbestandteiles vorbereitet und das Gerüst aus dem Pulver der Legierung hergestellt wird.

12. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials nach Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist:

Herstellung eines Gerüstes mit dem lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteil und

Infiltration des Gerüstes mit einem Infiltrationsmaterial, um das Kontaktmaterial zu erhalten,

wobei das Infiltrationsmaterial den leitenden Bestandteil ergänzt um den Hilfsbestandteil enthält.

13. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials nach Anspruch 1, das folgende Schritte aufweist:

Vermischung der Pulver des lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteiles, des Hilfsbestandteiles und des leitenden Bestandteiles, um ein vermischtes Kontaktmaterialpulver zu bilden,

Gießen des vermischten Kontaktmaterialpulvers, um einen Gußkörper zu bilden, und

Sintern des Gußkörpers, um das Kontaktmaterial zu erhalten.

14. Ein Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei der Vermischung das Pulver des lichtbogenwiderstehenden oder lichtbogenbeständigen Bestandteiles und das Pulver des Hilfsbestandteiles vermischt werden, um ein Mischpulver zu bilden, wobei das Mischpulver und das Pulver des leitenden Bestandteiles vermischt werden, um ein vermischtes Kontaktmaterialpulver zu bilden.

15. Ein Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei der Vermischung ein zusammengesetztes Pulver des von dem Hilfsbestandteil umgebenen lichtbogenbeständigen Bestandteiles vorbereitet wird und das zusammengesetzte Pulver und das Pulver des leitenden Bestandteiles vermischt werden, um das vermischte Kontaktmaterialpulver zu bilden.

16. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei bei dem Vermischen ein Pulver einer Legierung des lichtbogenbeständigen Bestandteiles und des Hilfsbestandteiles vorbereitet wird und das Pulver der Legierung und das Pulver des leitenden Bestandteiles vermischt werden, um das vermischte Kontaktmaterialpulver zu bilden.

17. Ein Vakuumschalter, der Kontakte aufweist, die aus einem Material gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 gebildet sind.