DE69532175T2

DE69532175T2 - Zusammensetzung für elektrische Kontakte und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69532175T2
Application number: DE69532175T
Authority: DE
Inventors: Graham Anthony Murrysville Whitlow; William Robert New Kensington Lovic; Paul Graham Pittsburgh Slade
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1995-03-28
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2015-03-29
Also published as: KR100328644B1; CN1113600A; US5828941A; EP0675514B1; JPH07320578A; US5516995A; EP0675514A1; KR950034323A; DE69532175D1; CN1071480C

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung elektrischer Kontakte zur Verwendung in Vakuum-Unterbrechern, die verwendet werden zur Leistungsunterbrechung und für Steuereinrichtungen.
Der grundlegende Kontakt und seine Anordnung in einem Vakuum-Unterbrecher, für die die vorliegende Erfindung eine Verbesserung darstellt, sind in der Technik bekannt. Das Kontaktmaterial ist kritisch für den erfolgreichen Betrieb des Vakuum-Unterbrechers. Wenn sich die Kontakte voneinander trennen, wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen den Kontakten gebildet. Dieser Lichtbogen, auch Vakuum-Bogen genannt, brennt in Metalldampf, der von den Kontakten selbst an den Enden des Lichtbogens verdampft wird.
Bei einer Wechselstromschaltung (AC-Schaltung), bei der Strom einer Sinuswellenform folgt bis zu einem natürlichen Stromnullpunkt, nimmt die an den Kontakten anliegende Energie ab, wenn der Strom abnimmt. Bei einer Verminderung der Energieeingabe an den Kontakt gibt es eine entsprechende Verminderung der Verdampfung des Kontaktmaterials, das benötigt wird, um den Vakuum-Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Eine kritische Eigenschaft von in Vakuum-Unterbrechern verwendeten Kontaktmaterialien ist der Strom, bei dem nicht mehr genug Metalldampf vorhanden ist, um den Vakuum-Lichtbogen aufrechtzuerhalten, und bei dem der Vakuum-Lichtbogen spontan erlöscht vor dem natürlichen Stromnullpunkt. Dieser Strom wird der "Abschneidstrom" ("chop current") genannt. Wenn der Abschneidstrom einen hohen Wert besitzt, dann kann die sieh ergebende hohe Stromänderungsrate hohe Spannungen im Rest der Schaltung verursachen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Schaltung eine hoch induktive Last, wie beispielsweise einen Elektromotor, enthält.
Kontaktzusammensetzungen wurden entwickelt, um niedrige Abschneidströme in Vakuum-Unterbrechern zu erzeugen, die in induktiven Schaltungen, wie beispielsweise (Motorschaltungen, verwendet werden sollen. Zwei bekannte Kontaktmaterialien sind Ag-WC und das bevorzugte Kontaktmaterial für hochstromige Vakuum-Unterbrecher, Cu-Cr, das einen kleinen Prozentsatz von Bi enthält. Jedes dieser Materialien beruht auf einem Material für höheren Dampfdruck. Beispielsweise liefert das Ag in dem Ag-WC-System und das Bi in dem Cu-Cr-Bi-System genug Metalldampf für den Lichtbogen zum Brennen bis zu sehr niedrigen Stromwerten, beispielsweise in der Größenordnung von 1 A oder weniger.
Beide Kontaktmaterialien haben große Nachteile. Die Ag-WC-Materialien unterbrechen sehr zuverlässig Ströme, die niedriger sind als ungefähr 3500A bis 4000A. Bei höheren Strömen jedoch bewirkt die Erwärmung des WC, dass es ein thermischer Elektronenemitter wird, und seine Stromunterbrechungsleistung nimmt rapide ab, wenn der Strom erhöht wird. Das Cu-Cr-Bi-Material funktioniert gut bei hohen Strömen. Wenn große Prozentsätze bzw. Anteile von Bi verwendet werden, ergibt das Reaktionsvermögen von Bi-Dampf mit anderen Materialien unglücklicherweise Schwierigkeiten bei der Herstellung, insbesondere in den Hochtemperatur-Vakuumöfen, die zur Herstellung der kompletten Vakuum-Unterbrecher verwendet werden. Bi-Dampf kann mit den Hartlötmaterialien, die verwendet werden zum Abdichten von Vakuum-Unterbrechern, reagieren und diese zerstören und kann selbst die Ofenmetallwindungen und Vakuumofenauskleidungen zerstören.
Gemäß der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontakts vorgesehen, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung steht im Gegensatz zu dem dreistufigen Verfahren gemäß JP-A-62077439, bei dem eine Mischung, erhalten durch das Mischen eines feuertesten Materials (WC, MoC, Cr₃C₂, TiC, W, Mo, Cr, Ti) und eines Hilfsstoffes (Co, Fe, Ni) mit einem Material mit hoher Leitfähigkeit (Ag und/oder Cu), zuerst kompaktiert wird, dann in H₂ gesintert wird und schließlich mit einem zusätzlichen Leitfähigkeitsmaterial imprägniert bzw. infiltriert wird.
Eine effektive Menge eines ternären Elements, ausgewählt aus Wismut, Tellur und Thallium, kann bei Bedarf auch zu der Legierung hinzugefügt werden, um den Dampf zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens zu verbessern. Die gewünschte elektrische Zusammensetzung wird gebildet durch Hinzufügen von 0,10 bis 0,99 Gewichtsprozent des ternären Elements zu der Legierung. Eine effektive Menge Kobalt kann auch zu der gewünschten elektrischen Zusammensetzung hinzugefügt werden, um ihre Benetzungseigenschaften zu verbessern und ihre im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur zu verbessern. Die effektive Menge Kobalt ist 0,5 bis 2,5 Gewichtsprozent. Die Legierung weist in geeigneter Weise 50 bis 60 Gewichtsprozent Silber und 40 bis 50 Gewichtsprozent Cr₃C₂ oder 50 bis 60 Gewichtsprozent Silber und 40 bis 50 Gewichtsprozent Cr auf.
Der Kontakt besitzt eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur. Die Verwendung von Ag in der Legierung verbessert den Lichtbogendampf aufgrund eines höheren Dampfdrucks von Ag verglichen mit Cu bei einer gegebenen Temperatur. Der Betrieb des Kontakts kann bei einem niedrigeren Strom erreicht werden aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Chromcarbid.
Das Verfahren zur Herstellung dieses Kontakts weist den folgenden zweistufigen Prozess auf: Kaltpressen eines Rohlings und Imprägnieren bzw. Infiltrieren von Silber bei erhöhter Temperatur in den Rohling, um eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur zu erhalten. Der Rohling wird gebildet durch Mischen von 50 bis 60 Gewichtsprozent Silberpulver mit einem Pulvermaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus 40 bis 50 Gewichtsprozent Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ und Cr besteht, Behandeln der gemischten Pulvermasse mit Wasserstoff, um die gemischte Pulvermasse vorläufig zu überziehen/zu sintern, Granulieren der gemischten Pulvermasse und Durchführen durch ein Maschensieb, erneutes Mischen der gemischten Pulvermasse und Formen in massive Rohlinge. Das erste Mischen verwendet vorzugsweise einen V-förmigen Mischer mit einem Verstärkungsstab und wird für 30 bis 50 Minuten, vorzugsweise 45 Minuten durchgeführt. Die Wasserstoffbehandlung zum vorläufigen Beschichten/Sintern der gemischten Pulvermasse wird durchgeführt bei 900° bis 1100°C für 40 bis 55 Minuten, vorzugsweise bei 1000°C für 45 Minuten. Die granulierte Pulvermasse wird durch Sieb mit einer Maschengröße von 15 bis 25, vorzugsweise 20, bewegt. Der poröse Rohling besitzt beispielsweise 80 bis 85% der theoretischen Dichte für eine Ag-Cr₃C₂-Legierung und 87 bis 93% der theoretischen Dichte für eine Ag-Cr-Legierung. Die Silberimprägnierung findet in einem Wasserstoffofen bei 1000° bis 1200°C für ungefähr 30 Minuten bis 1½ Stunden statt, und zwar vorzugsweise bei 1100°C für 1 Stunde. Die Imprägnierung bzw. Infiltration mit Silber erzeugt eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur durch Diffusion von flüssigem Ag durch die miteinander verbundene Porosität innerhalb des gepressten, ungesinterten Rohlings.
Die gemäß der Erfindung hergestellten Produkte besitzen die Vorteile, dass:
sie die ausgezeichneten Eigenschaften eines niedrigen Abschneidstroms von Ag-WC und Cu-Cr-Bi besitzen, aber nicht ihre Nachteile besitzen;
sie höhere Ströme unterbrechen, als sie mit Cu-Cr-Bi verwendet werden können, und dass sie leicht in Hochtemperatur-Vakuum- oder -Wasserstoff-Öfen verarbeitet werden können;
sie ein Brechen jeglicher Schweißung erleichtern, die sich aus der Lichtbogenbildung zwischen den Kontaktoberflächen ergibt, wenn sich die Kontakte schließen, weil die Belastungen oder Kräfte, die zum Brechen solcher Schweißungen erforderlich sind, niedrig sind;
sie einen Lichtbogen für eine längere Zeit als üblich aufrechterhalten aufgrund des Dampfdrucks von Silber verglichen mit Kupfer für eine effizientere Stromübertragung und einen effizienteren Vakuum-Unterbrecher-Betrieb;
sie ermöglichen, dass der Vakuum-Betrieb bei niedrigeren Strömen erreicht wird aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit von Chromcarbid; und
sie die Anwendung sowohl bei mittleren als auch bei niedrigen Spannungen gestatten.
Ein volles Verständnis der Erfindung kann erreicht werden aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, wenn sie mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gelesen wird, die ein Photomikrograph bei einer 500-fachen Vergrößerung ist, und zwar von einer Silber-Chromcarbid-Kontakt-Mikrostruktur mit ihrer im wesentlichen 100% dichten, porositätsfreien Mikrostruktur.
Das Verfahren der Erfindung wird verwendet zum Herstellen eines verbesserten elektrischen Kontaktmaterials, das eine Legierung aus Silber und einem Material ausgewählt aus Chromcarbid und Chrom aufweist. Das Chromcarbid ist ausgewählt aus Cr₃C₂, Cr₇C₃ und Cr₂₃C₆. Eine effektive Menge eines ternären Elements, ausgewählt aus Wismut, Tellur und Thallium, kann auch zu der Legierung hinzugefügt werden, um einen den Lichtbogen erhaltenden Dampf zu verbessern. Die effektive Menge ist weniger als ein Gewichtsprozent, und eine gewünschte elektrische Zusammensetzung kann gebildet werden durch Hinzufügen von 0,10 bis 0,99 Gewichtsprozent des ternären Elements zu der Legierung während des Mischvorgangs. Wenn das temäre Element unter 1 Gewichtsprozent gehalten wird, kann ein Hochtemperatur-Vakuumofen zur Herstellung verwendet werden. Eine effektive Menge Kobalt kann während des Mischvorgangs zu der elektrischen Zusammensetzung hinzugefügt werden, um ihre Benetzungseigenschaften und ihre im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur zu verbessern. Die effektive Menge Kobalt ist 0,5 bis 2,5 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 2 Gewichtsprozent. Die Legierung weist in geeigneter Weise 50 bis 60 Gewichtsprozent Silber und 40 bis 50 Gewichtsprozent Cr₃C₂ oder Cr auf, vorzugsweise 58% Ag und 42% Cr₃C₂, oder vorzugsweise ungefähr 50% Ag und ungefähr 50% Cr.
Der Kontakt besitzt eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur. Die Verwendung von Ag in der Legierung verbessert den Lichtbogendampf aufgrund des höheren Dampfdrucks von Ag verglichen Cu. Der Betrieb des Kontakts kann bei einem niedrigeren Strom erreicht werden aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Chromcarbid kombiniert mit dem hohen Dampfdruck von Ag. Der Lichtbogen brennt in dem Metalldampf, der von den Kontakten verdampft wird. Ein Material mit höherem Dampfdruck bewirkt die Verdampfung des Metalls bei niedrigeren Strömen. Die geringe: Wärmeleitfähigkeit des Chromcarbids hält die Wärme länger, gibt sie langsam an das Ag ab, was gestattet, dass der Ag-Metalldampf den Lichtbogen erhält bzw. stützt. Nach der Lichtbogenbildung wird das Cr oder Chromcarbid in die Oberfläche fein dispergiert, und die Oberfläche erhält einen spröden Überzug über der ursprünglichen Kontaktstruktur, was ein Brechen irgendeiner Schweißung erleichtert, die sich aus der Lichtbogenbildung zwischen Kontaktoberflächen ergibt.
Das Verfahren zur Herstellung dieses Kontakts weist einen zweistufigen Prozess des Kaltpressens eines Rohlings und der Imprägnierung bzw. Infiltration von Silber in den Rohling bei erhöhter Temperatur auf, um eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur zu erhalten. Das Verfahren weist ferner die folgenden Schritte auf: Mischen von Silber und einem Material, ausgewählt aus Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ und Cr, Behandeln der Mischung mit Wasserstoff, um eine gemischte Pulvermasse vorläufig zu überziehen/zu sintern, Granulieren der gemischten Pulvermasse und Durchführen durch ein Maschensieb, erneutes Mischen der gemischten Pulvermasse in einem V-förmigen Mischer und Formen derselben in massive Rohlinge. Das erste Mischen verwendet einen Verstärkungs- bzw. Intensivierstab und benötigt 30 bis 50 Minuten, vorzugsweise 45 Minuten. Die Wasserstoffbehandlung zum vorläufigen Beschichten/Sintern der gemischten Pulvermasse erfolgt bei 900° bis 1100°C für 40 bis 55 Minuten, vorzugsweise bei 1000°C für 45 Minuten. Die granulierte Pulvermasse wird durch ein Sieb mit einer Maschengröße von 15 bis 25 gegeben. Der poröse Rohling besitzt eine Dichte von 80 bis 90% der theoretischen Dichte für eine Ag-Cr₃C₂-Legierung und von 87 bis 93% der theoretischen Dichte für eine Ag-Cr-Legierung. Die Silberimprägnierung bzw. -infiltration erfolgt in einem Wasserstoffofen bei 1000° bis 1200°C für 30 Minuten bis 1½ Stunden, vorzugsweise bei 1100°C für 1 Stunde. Die Imprägnierung bzw. Infiltration mit Silber erzeugt eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Mikrostruktur.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
Ein verbesserter elektrischer Kontakt, der ungefähr 58 Gewichtsprozent Silber und 42 Gewichtsprozent Cr₃C₂ aufwies, wurde durch das folgende Verfahren hergestellt. 1224 Gramm Silberpulver und 1176 Gramm Cr₃C₂-Pulver wurden in einem mit einem Verstärkungsstab ausgestalten V-Mischer für 45 Minuten gemischt. Die gemischte Pulvermasse wurde einer Wasserstoffbehandlung für 45 Minuten bei 1000°C unterzogen, um die Pulvermasse vorläufig zu überziehen/zu sintern. Die Pulvermasse wurde in einem Granulator bzw. Granulat-Bildner aufgebrochen und durch ein Sieb mit einer Maschengröße von 20 gegeben. Die Mischung wurde dann für einige Minuten erneut gemischt in einem V-Mischer, aus dem der Verstärkungsstab entfernt worden war. Massive, zylindrisch geformte Rohlinge wurden dann kaltgepresst auf ungefähr 80 bis 93% der theoretischen Dichte der Ag-Cr₃C₂-Zusammensetzung. Die Rohlinge wurden dann mit Silber imprägniert bzw. infiltriert, indem entweder eine gepresste Scheibe aus Silberpulver oder massives Silber, das ein überschüssiges Silbervolumen über das Füllen der Porosität in dem gepressten Rohling hinaus erforderliche enthielt, auf die flache Oberseite des Rohlings gelegt wurde, und die Anordnung wurde dann in einem Wasserstoffofen angeordnet bei 1000°C für eine Stunde. Nach der Imprägnierung bzw. Infiltration mit Silber können die Kontakte in eine gewünschte Größe bearbeitet werden durch herkömmliches Fräsen und/oder Drehen in einer Drehmaschine. Vor dem Mischen kann es vorteilhaft sein, weniger als ungefähr 1 Gewichtsprozent eines ternären Elements, wie beispielsweise Wismut-, Tellur- oder Thalliumpulver, zu der Ag/Cr_xC_y-Pulvermischung hinzuzufügen zur Verbesserung der Lichtbogenbildung. Um die Benetzung und Dichte des Kontakts zu verbessern, kann es auch vorteilhaft sein, 1 bis 2 Gewichtsprozent Kobaltpulver zu der Ag/Cr_xC_y-Pulvermischung hinzuzufügen.
Beispiel 2
Ein verbesserter elektrischer Kontakt, der ungefähr 50 Gewichtsprozent Silber und 50 Gewichtsprozent Cr aufwies, wurde durch das folgende Verfahren hergestellt. 1000 Gramm Silberpulver und 1000 Gramm Cr-Pulver wurden in einem mit einem Verstärkungs- bzw. Intensivierstab ausgestatteten V-Mischer für 45 Minuten gemischt. Die gemischte Pulvermasse wurde einer Wasserstoffbehandlung für 45 Minuten bei 1000°C unterzogen, um die Pulvermasse vorläufig zu beschichten/zu sintern. Die Pulvermasse wurde in einem Granulator bzw. Granulat-Bildner aufgebrochen und durch ein Sieb mit einer Maschengröße von 20 gegeben. Die Mischung wurde für einige Minuten erneut gemischt in einem V-Mischer, aus dem der Verstärkungsstab entfernt worden war. Massive, zylindrisch geformte Rohlinge wurden dann kaltgepresst auf ungefähr 80 bis 93% der theoretischen Dichte der Ag-Cr-Zusammensetzung. Die Rohlinge wurden dann mit Silber imprägniert bzw. infiltriert, indem entweder eine gepresste Scheibe aus Silberpulver oder massives Silber, das ein überschüssiges Silbervolumen über das Füllen der Porosität in dem gepressten Rohling hinaus erforderliche enthielt, auf die flache Oberseite des Rohlings gelegt wurde, und die Anordnung wurde dann in einem Wasserstoffofen angeordnet bei 1000°C für eine Stunde. Nach der Imprägnierung bzw. Infiltration mit Silber können die Kontakte in eine gewünschte Größe bearbeitet werden durch herkömmliches Fräsen und/oder Drehen in einer Drehmaschine. Vor dem Mischen kann es vorteilhaft sein, weniger als ungefähr 1 Gewichtsprozent eines ternären Elements, wie beispielsweise Wismut-, Tellur- oder Thalliumpulver, zu der Ag/Cr-Mischung hinzuzufügen zur Verbesserung der Lichtbogenbildung. Um die Benetzung und Dichte des Kontakts zu verbessern, kann es auch vorteilhaft sein, 1 bis 2 Gewichtsprozent Kobaltpulver zu der Ag/Cr-Mischung hinzuzufügen.
Die Zeichnung zeigt in einem Photo-Mikrograph bei 500-facher Vergrößerung des Silber-Chromcarbid-Kontakts bzw. Ag-Cr₂C₃-Kontakts die Mikrostruktur, die hergestellt wurde durch Silberimprägnierung bzw. -infiltration des gepressten, ungesinterten Kontakts. Die obigen Mittel zur Herstellung, bestehend aus einer Kaltpressung und Imprägnierung bzw. Infiltration von Silber bei erhöhter Temperatur, ergeben eine im wesentlichen 100% dichte, porositätsfreie Kontakt-Mikrostruktur, die eine Unterbrechung hoher Ströme gestattet.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts, der eine Legierung aus Ag und eines Materials aufweist, das ausgewählt ist aus Cr_xC_y und Cr, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Mischen von Ag und einem Material ausgewählt aus Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ und Mischungen daraus und Cr zum Bilden einer Mischung, (b) Behandeln der Mischung mit Wasserstoff zum Vorbeschichten/ Vorsintern einer gemischten Pulvermasse, (c) Granulieren und Hindurchgebender gemischten Pulvermasse durch ein Maschensieb, (d) erneutes Mischen und Formen der gemischten Pulvermasse in feste Rohlinge, und (e) Kaltpressen der Mischung aus Ag und des Materials ausgewählt aus Cr_xC_y und Cr zum Bilden eines Rohlings und Infiltrieren von Silber bei erhöhter Temperatur in den Rohling zum Erhalten einer im wesentlichen 100% dichten, porositätsfreien Mikrostruktur.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Mischschritt (a) die Verwendung eines Verstärkungsstabs umfasst und durchgeführt wird für 30 bis 50 Minuten.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Mischen für 45 Minuten ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der Behandlungsschritt (b) durchgeführt wird bei 900 bis 1100°C, für 40 bis 55 Minuten.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Behandlungsschritt (b) durchgeführt wird bei 1000°C für 45 Minuten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt (c) die Verwendung eines Siebs mit einer Maschengröße von 15 bis 25.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Sieb eine Maschengröße von ungefähr 20 besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Rohling nach dem Kaltpressen 80 bis 85% der theoretischen Dichte bei einer Ag-Cr₃C₂-Legierung und 87 bis 93% der theoretischen Dichte bei einer Ag-Cr-Legierung besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schritt des Infiltrierens von Silber in den Rohling das Erwärmen des Rohlings in einem Wasserstoffofen auf 1000 bis 1200°C für 30 bis 90 Minuten aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein ternäres Element ausgewählt aus Wismut, Tellur und Thallium während des, Mischschritts (a) zugegeben wird zur Verbesserung eines Bogenhaltedampfs.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das ternäre Element in einer Menge von 0,10 bis 0,99 Gewichtsprozent zugegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Kobalt während des Mischschritts (a) zugegeben wird zum Verbessern der Benetzungs- und Dichtecharakteristika des elektrischen Kontakts.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei Kobalt in einer Menge von 0,5 bis 2,5 Gewichtsprozent zugegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Legierung 50 bis 60 Gew.-% Ag und 40 bis 50 Gew.-% Cr₃C₂ aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Legierung 58 Gew.-% Aq und 42 Gew.-% Cr₃C₂ aufweist.