DE69614489T2

DE69614489T2 - Kontaktmaterial für Vakuumschalter und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69614489T2
Application number: DE69614489T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kusano; Tsutomu Okatomi; Tsuneyo Seki; Atsumi Yamamoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: US6027821A; KR970051560A; EP0779636A3; CN1145182C; CN1157467A; EP0779636A2; KR100199429B1; TW331012B; DE69614489D1; EP0779636B1; JPH09161628A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter und ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie insbesondere ein Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter, das die Gleichstromstellcharakteristik, die Stromzerhackungscharakteristik und die Hochstromführungscharakteristik eines Vakuumschalters verbessert, und ein Verfahren zur Herstellung des Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Kontakte eines Vakuumschalters, der die Unterbrechung eines Stromes in einem Hochvakuum unter Nutzung der Lichtbogendiffusion in einem Vakuum verursacht, bestehen aus zwei sich gegenüberliegenden Kontakten, wobei der eine fest und der andere beweglich ist. Wenn ein induktiver Stromkreis, wie beispielsweise ein Elektromotor-Laststromkreis, mittels des Vakuumschalters unterbrochen wird, besteht durch die Erzeugung einer übermäßigen anormalen Stoßspannung manchmal die Gefahr der Beschädigung der Last.
Ursachen für die Erzeugung einer solchen anormalen Stoßspannung sind beispielsweise das Zerhackungs-Phänomen (Chopping-Phänomen), das durch die Unterbrechung eines kleinen Stromes in einem Vakuum entsteht (das Phänomen, das den Strom, ohne den natürlichen Nullpunkt einer AC-Strom- Wellenform abzuwarten, zwangsläufig unterbricht) oder das Hochfrequenz-Lichtbogenlöschungs- Phänomen. Ein Wert Vs der anormalen Stoßspannung aufgrund des Chopping-Phänomens ist durch Zo·Ic gegeben, wobei Zo ein Kennwiderstand eines Stromkreises und Ic ein Stromchopping-Wert ist. Deshalb muß der Gleichstromstellwert Ic verringert werden, um die anormale Stoßspannung Vs zu verringern.
Kontakte, die niedrige Stromchopping-Charakteristiken aufweisen, sind hauptsächlich Kontakte aus Cu- Bi-Legierungen, die durch Schmelzverfahren hergestellt werden, und Kontakte aus Ag-WC-Legierungen, die durch das Sinter-Infiltrationsverfahren hergestellt werden.
Die herkömmlichen Kontakte aus Ag-WC-Legierungen zeigen überragend niedrige Stromchopping-Charakteristiken in solchen Punkten wie:
(1) die Gegenwart von WC fördert die Elektronenemission,
(2) die Verdampfung des Kontaktmaterials wird aufgrund der Aufheizung der Elekrodenoberfläche durch die Kollision von durch das elektrische Feld emittierten Elektronen beschleunigt und
(3) das Karbid des Kontaktmaterials wird durch den Lichtbogen zersetzt und verbindet den Lichtbogen durch Bildung eines geladenen Körpers. Vakuumschalter, die diese Kontakte aus Legierungen nutzen, wurden bereits entwickelt und eingesetzt.
Auch wurden bereits Ag-Cu-WC-Legierungen vorgeschlagen (Japanische Patentveröffentlichung Showa 63 - 59212), wobei Cu in diese Legierungen gemischt ist, in denen das Verhältnis von Ag und Cu etwa 7 : 3 ist. Da das Verhältnis von Ag und Cu in diesen Legierungen so gewählt ist, wie dies aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist, zeigen diese Kontakte aus Legierungen stabile Stromchopping-Charakteristiken.
Weiterhin wird in der japanischen Patentveröffentlichung Heisei 5 - 61338 vorgeschlagen, daß die Verwendung der Korngröße eines lichtbogenbeständigen Materials (beispielsweise die Korngröße von WC) von 0,2 bis 1 um bei Verbesserung der niedrigen Stromchopping-Charakteristik wirkungsvoll ist.
Auf der anderen Seite wird mit Kontakten aus Cu- Bi-Legierungen die Stromchopping-Charakteristik durch die selektive Verdampfung von Bi verbessert. Aus diesen Legierungen zeigt eine Legierung (japanische Patentveröffentlichung Showa 35 - 14974), in der Bi mit 10 Gewichts-% (nachfolgend als Gew.-% geschrieben) enthalten ist, eine niedrige Stromcharakteristik, da sie einen passenden Dampfdruck aufweist. Auch in einer Legierung, in der Bi mit 0,5 Gew.-% enthalten ist (japanische Patentveröffentlichung Showa 41 - 12131), existiert Bi aufgrund von Segregation an den Korngrenzen des Kristalls. Ein Ergebnis ist, daß durch die Schwächung der Legierung selbst die Legierung eine niedrige Schweißtrennungskraft erzielt und deshalb eine hervorragende Stromunterbrechungseigenschaft aufweist.
Jedoch muß ein Vakuumschalter in seiner traditionellen Verwendung die Hochstromunterbrechung durchführen. Für diese Hochstromunterbrechung ist es wichtig, die Wärmeeinbringung pro Oberflächeneinheit des Kontaktmaterials durch Zündung des Lichtbogens an der gesamten Oberfläche des Kontaktmaterials zu verringern. Als Mittel für dies gibt es eine axiale Magnetfeldzusammensetzung, in der ein magnetisches Feld parallel zum elektrischen Feld zwischen den Elektroden im Inneren der Elektrodenteile, an denen die Kontaktmaterialien angebracht sind, erzeugt wird. Gemäß der japanischen Patentveröffentlichung Showa 54 - 22183 ist es durch eine passende Erzeugung eines magnetischen Feldes in solch einer Richtung möglich, das Lichtbogenplasma gleichmäßig auf den Kontaktoberflächen zu verteilen. Im Ergebnis ist es möglich, die Hochstromunterbrechungsleistung zu erhöhen.
Auch im Hinblick auf das Kontaktmaterial selbst kann, gemäß japanischer Patentoffenlegung Heisei 4 - 206121, die Beweglichkeit der Lichtbogenkathodenpunkte durch die Verwendung einer Spaltweite im WC-Co-Korngefüge in den Kontaktmaterialien aus Ag-Cu-WC-Co-Legierungen von etwa 0,3 bis 3 um erhöht werden, um dadurch die Hochstromunterbrechungscharakteristik zu verbessern. Darüber hinaus ist angezeigt, daß durch die Erhöhung des Anteils an Hilfskomponenten aus der Eisengruppe, wie Co, die Stromunterbrechungsleistung erhöht werden kann.
In Vakuumschaltern ist eine niedrige Sprungkennliniencharakteristik gefordert, und als ein Ergebnis hieraus ist, wie oben beschrieben, konventionell eine niedrige Stromchopping-Charakteristik gefordert. Jedoch nimmt die Anwendung von Vakuumschaltern in induktiven Stromkreisen, wie beispielsweise hochkapazitiven Elektromotoren, in letzter Zeit zu. Weiterhin kamen auch hohe Stoßwiderstandlasten auf. Deshalb ist es für einen Vakuumschalter wünschenswert, eine noch stabilere niedrige Stromchopping-Charakteristik aufzuweisen und auch mit einer Hochstromunterbrechungscharakteristik ausgestattet zu sein.
Jedoch nimmt im Falle einer Legierung, in der 10 Gew.-% Bi und Cu enthalten sind (japanische Patentveröffentlichung Showa 35 - 14974), die Versorgung mit Metalldampf bei Erhöhung der Anzahl von Schaltvorgängen im Raum zwischen den Elektroden ab, was dazu führt, daß sich die niedrige Stromchopping-Charakteristik verschlechtert. Eine Verschlechterung der Haltespannungscharakteristik, die von der Anzahl der Elemente mit hohem Dampfdruck abhängt, wurde ebenfalls aufgezeigt.
Im Falle einer Legierung, in der 0,5 Gew.-% Bi und Cu enthalten sind (japanische Patentveröffentlichung Showa 41 - 12131), ist die niedrige Stromchopping-Charakteristik ungenügend. Es ist deshalb unmöglich, eine stabile niedrige Stromchopping-Charakteristik lediglich durch die selektive Verdampfung der Komponenten mit hohem Dampfdruck zu erzielen. Im Falle von Kontaktmaterialien, die Ag als eine leitende Komponente beinhalten, wie Legierungen aus Ag-WC-Co, kann eine ausreichende Stromunterbrechungsleistung aufgrund des übermäßigen Dampfdrucks nicht erreicht werden, obwohl sie eine vergleichsweise überragende Chopping-Charakteristik zeigen.
Auch sind die Preise dieser Kontakte mit Kontaktmaterialien, die eine leitende Komponente mit Ag als Hauptkomponente aufweisen, wie Legierungen aus Ag-Cu- WC, in denen das Gewichtsverhältnis von Ag und Cu etwa 7 : 3 beträgt (japanische Patentveröffentlichung Showa 63 - 59212) oder Legierungen aus diesen Legierungen, in denen die Korngröße einer lichtbogenbeständigen Komponente, wie WC, 0,2-1 um (japanische Patentveröffentlichung Heisei 5 - 61338) beträgt, hoch, obwohl sie eine vergleichsweise überragende Stromchopping-Charakteristik und Stromunterbrechungscharakteristik zeigen, weil diese Kontakte teures Ag als eine leitende Komponente beinhalten. Weiterhin ist die niedrige Stromchopping-Charakteristik im Falle der Verbesserung der Stromunterbrechungsleistung durch die Erhöhung des Co- Anteils dieser Kontaktmaterialien aufgrund des Anstiegs des Co-Anteils beeinträchtigt,
EP-A-0 354 997 offenbart gemäß dem Oberbegriff des geltenden Anspruchs 1 ein Kontaktmaterial, das Ag als eine leitende Komponente beinhaltet.
Auf der anderen Seite wird bei Verwendung von billigem Cu als leitende Komponente die Stromunterbrechungsleistung vergleichsweise gut, aber gute Stromchopping-Charakteristiken können ohne die Erhöhung des Anteils der lichtbogenbeständigen Komponente nicht erzielt werden. Im Falle einer Legierung aus Cu-WC-Co beispielsweise wird durch Zugabe von Co während des Sinterns des WC-Gerüstes die Porosität des WC-Gerüstes vermindert und die Menge an Co, die in die Leerräume eindringen kann, ist unterdrückt.
Doch verringern die Sinter-Aktivatoren, wie Co, Fe und Ni für Karbide wie WC, die Leitfähigkeit von Cu. Deshalb wird die Stromführungscharakteristik enorm beeinträchtigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter anzugeben, das eine hohe Stromunterbrechungscharakteristik, eine niedrige Stromchopping-Charakteristik und eine hohe Stromführungscharakteristik aufweisen kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines kostengünstigen Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter anzugeben, wobei das Kontaktmaterial eine hohe Stromunterbrechungscharakteristik, eine niedrige Stromchopping-Charakteristik und eine hohe Stromführungscharakteristik aufweisen kann.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung können durch die Angabe eines Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter gelöst werden, das eine leitende Komponente, die wenigstens Cu enthält, und eine lichtbogenbeständige Komponente, die wenigstens ein aus der Gruppe der Karbide von W, Zr, Hf, V und Ti ausgewähltes Element enthält, enthält. Die Menge der leitenden Komponente im Kontaktmaterial beträgt 40-50 Volumen-%, die Menge der lichtbogenbeständigen Komponente im Kontaktmaterial beträgt 50-60 Volumen-% und die Korngröße der lichtbogenbeständigen Komponente beträgt 3 um oder weniger. Eine Gesamtmenge an einem Element zur Beschleunigung der Sinterung, das wenigstens ein aus der Gruppe Co, Fe und Ni ausgewähltes Element, das in die leitende Komponente eingeschmolzen ist, beinhaltet, beträgt 0,1% oder weniger der Menge der leitenden Komponente.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter angegeben, das folgende Verfahrensschritte umfaßt: Vermischung eines Pulvers einer lichtbogenbeständigen Komponente einer ersten Korngröße und eines Pulvers einer leitenden Komponente mit einer zweiten Korngröße, um ein vermischtes Pulver zu erhalten, Granulierung des vermischten Pulvers, um ein granuliertes Pulver mit einer dritten Korngröße, die größer als die erste und die zweite Korngröße ist, zu erhalten, Gießen und Sintern des granulierten Pulvers, um ein Gerüst aus einer lichtbogenbeständigen Komponente mit Leerräumen einer Porosität von 40-50 Vol.-% zu erhalten und Infiltrierung der leitenden Komponente in die Leerräume des Gerüstes aus der lichtbogenbeständigen Komponente, um das Kontaktmaterial zu erhalten.
Im allgemeinen wird die Stromchoppingcharakteristik eines Kontaktmaterials durch die Ionenerzeugungscharakteristik der leitenden Komponente, die thermische Elektronenemissionscharakteristik der lichtbogenbeständigen Komponente und der Menge an lichtbogenbeständiger Komponente bestimmt. Je höher der Dampfdruck der leitenden Komponente ist, desto stärker nimmt die Ionenerzeugungscharakteristik zu, aber wechselweise wird die Stromunterbrechungsleistung geringer. Um eine vergleichsweise überragende Stromunterbrechungsleistung zu zeigen, ist es dementsprechend wünschenswert, daß die leitende Komponente eher auf Cu als auf Ag basiert. Wenn Cu als leitende Komponente verwendet wird ist es aufgrund des niedrigen Preises für Cu-Material möglich, ein kostengünstiges Kontaktmaterial zu erhalten. Jedoch ist es, wenn die leitende Komponente auf Cu basiert, erforderlich, als lichtbogenbeständige Komponente Karbide auszuwählen, die eine thermische Elektronenemissionscharakteristik aufweisen, die gleich der oder höher als die von WC ist, und die Menge an der lichtbogenbeständigen Komponente zu erhöhen, um eine gute Stromchoppingcharakteristik zu haben.
Im Falle der auf Ag basierenden Kontakte, wie Ag- WC-Co, ist die Sinterdichte des WC-Gerüstes durch die Sinteraktivierwirkung des Co erhöht. Die Leerräume im Gerüst sind reduziert, und somit ist es möglich, die Menge an in die Leerräume eindringender leitender Komponente zu verringern. Das Ergebnis ist, daß sich die Menge an lichtbogenbeständiger Komponente erhöht. Jedoch reduziert der Sinter-Aktivator, wie Co, Fe oder Ni, die Leitfähigkeit des Kontaktmaterials durch Einschmelzen von Cu, wenn die leitende Komponente auf Cu basiert. Deshalb wird die Stromführungsleistung enorm beeinträchtigt. Weiterhin bedeckt Co die Oberfläche der Körner der lichtbogenbeständigen Komponente. Im Ergebnis wird die thermische Elektronenemission von der lichtbogenbeständigen Komponente behindert, wodurch die Stromchoppingcharakteristik des Kontaktmaterials verschlechtert wird.
Bei der Erfindung ist, um die oben beschriebene Verringerung der Stromführungsleistung und der Stromchopping-Charakteristik zu verhindern, die Dichte des Gerüstes aus der lichtbogenbeständigen Komponente während des Gießens ohne Verwendung eines Sinter-Aktivators erhöht. Gewöhnlich ist es umso einfacher, die Gießdichte zu erhöhen, je grobkörniger das Karbidpulver ist. Jedoch wird die Zufälligkeit der Chopping-Charakteristik erhöht, wenn die Korngröße des Karbidpulvers groß ist. Wenn versucht wird eine stabile niedrige Chopping-Charakteristik zu erhalten, ist es deshalb notwendig, ein Karbidpulver mit einer kleinen Korngröße zu verwenden. Um die Gießbarkeit dieses feinkörnigen Karbidpulvers zu verbessern, ist es wirkungsvoll, das Pulver zu granulieren. Die Wirkung der Granulierung besteht darin, daß die Klopfdichte des Pulvers zunimmt und es möglich wird, die endgültige Dichte bei demselben Gießdruck zu erhöhen.
Um die Chopping-Charakteristik zu verbessern, ist es wirkungsvoll, eine angemessene Menge einer Komponente mit hohem Dampfdruck hinzuzugeben. Bi ist ein typisches Element einer Komponente mit hohem Dampfdruck. Aber für den Fall, daß Bi im Kontaktmaterial enthalten ist, verursacht die selektive Verdampfung von Bi verschiedene nachteilige Wirkungen, wie der beträchtliche Rückgang in der Stromunterbrechungscharakteristik, die Verschlechterung der Stromchopping-Charakteristik mit fortschreitender Benutzungszeit des Vakuumschalters und die Ablagerung von Bi an der Vakuumeinrichtung während der Herstellung des Kontaktmaterials. Auf der anderen Seite erzeugt Te eine intermetallische Komponente mit Cu, obwohl Te einen weitaus höheren Dampfdruck als Cu aufweist, so daß es möglich ist, die selektive Verdampfung von Te auf einen angemessenen Wert zu steuern. Auch ist es wirkungsvoll, in dem Kontaktmaterial ein Element wie Ag zu verwenden, das eher einen höheren Dampfdruck als Cu aufweist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Eine vollständigere Würdigung der Erfindung und vieler der begleitenden Vorteile wird leicht dadurch erhalten, daß die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgende beispielhafte detaillierte Beschreibung einer nicht beschränkenden bevorzugten Ausführungsform besser verständlich wird, wenn die Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles eines Vakuumschalters ist, in dem ein erfindungsgemäßes Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter verwendet ist, und
Fig. 2 eine Schnittansicht im Bereich der Elektrode des Vakuumschalters aus Fig. 1 ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Zuerst wird ein Vakuumschalter, in dem ein erfindungsgemäßes Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter verwendet ist, anhand der Zeichnung erläutert.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Vakuumschalters zur Veranschaulichung des Ausführungsbeispieles dargestellt. In Fig. 2 ist eine Schnittansicht im Bereich der Elektrode aus Fig. 1 dargestellt.
In Fig. 1 ist eine Unterbrechungskammer 1 dargestellt, die in einer luftdichten Weise aus einem Isoliergefäß 2 gebildet ist, das aus in etwa zylindrisch geformten Isoliermaterial und Metallabdeckungen 4a und 4b gebildet ist, wobei die Metallabdeckungen 4a und 4b an beiden Enden mit Metalldichtungen 3a bzw. 3b versehen sind.
In der Unterbrechungskammer 1 ist ein Paar Elektroden 7 und 8 vorgesehen, die jeweils an den Enden sich gegenüberliegender leitender Stangen 5 und 6 angebracht sind. Die obere Elektrode 7 ist die feststehende Elektrode und die untere Elektrode 8 ist die bewegliche Elektrode. Auch ist ein Balg 9 an der leitenden Stange 6 der Elektrode 8 angebracht, so daß die Elektrode 8 in axialer Richtung beweglich ist, während das Innere der Unterbrechungskammer 1 luftdicht bleibt. Darüber hinaus ist ein metallener Lichtbogenschild 10 über dem oberen Teil des Balgs 9 angebracht und verhindert, daß der Balg 9 von Lichtbogendampf bedeckt wird. Weiterhin ist ein Lichtbogenschild 11 im Inneren der Unterbrechungskammer 1 angebracht, so daß es die Elektroden 7 und 8 überdeckt. Auf diese Weise wird verhindert, daß das Isoliergefäß 2 mit Lichtbogendampf belegt wird.
Darüber hinaus ist die Elektrode 8, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, entweder durch ein Lötteil 12 mit der leitenden Stange 6 verbunden oder durch Verstemmen mit dieser preßverbunden. Ein Kontakt 13a ist durch eine Lötung 14 an der Elektrode 8 angebracht. Ebenso ist ein Kontakt 13b durch Lötung an der Elektrode 7 angebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Kontakte 13a, 13b aus einem erfindungsgemäßen Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter hergestellt.
Nachfolgend sind die Bewertungsverfahren und Bewertungsbedingungen, unter denen die Daten generiert wurden, beschrieben, um das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel zu erklären. Tabelle 1 zeigt die Herstellungsbedingungen für verschiedene Kontaktmaterialien. Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzungen und Charakteristiken von verschiedenen Kontaktmaterialien. Tabelle 1. Herstellungsbedingungen für Verschiedene Kontaktmaterialien Tabelle 1. Herstellungsbedingungen für verschiedene Kontaktmaterialien (Fortsetzung) Tabelle 2. Zusammensetzungen und Charakteristiken verschiedener Kontaktmaterialien Tabelle 2. Zusammensetzungen und Charakteristiken verschiedener Kontaktmaterialien (Fortsetzung)

(1) Stromchopping-Charakteristik

Es wurden Knock-down-Unterbrecher hergestellt, die bis 10&supmin;&sup5; Pa oder weniger evakuiert wurden und in denen die verschiedenen Kontakte angebracht wurden. An diesen Einrichtungen wurden Choppingströme bei der Trennung von Strömen mit geringer Verzögerung durch die Öffnung der Elektroden mit einer Elektrodenöffnungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s gemessen. Im vorliegenden Fall war der Unterbrechungsstrom 20A (Effektivwert), bei 50 Hz. Die Elektrodenöffnungsphase wurde durch Zufall hergestellt. Die Choppingströme wurden nach 500facher Unterbrechung bei drei Kontakten gemessen. Die Maximalwerte der drei entsprechenden Kontakte sind in Tabelle 2 aufgelistet. Die numerischen Werte sind durch die Relativwerte angezeigt, bei denen der Maximalwert der Gleichstromstellwerte von Beispiel 2 als 1,0 gesetzt ist. Ist der Relativwert einer Kontaktprobe unter 2,0, so wird bewertet, daß die Kontaktprobe eine gute Stromchoppingcharakteristik zeigt.

(2) Stromführungscharakteristik

Ein Strom von 1000 A in dem Vakuumschalter wurde solange aufrechterhalten, bis die Temperatur des Vakuumschalters konstant blieb. Die Stromführungscharakteristik wurde dann durch den Temperaturanstiegswert bewertet. Tabelle 2 zeigt als Stromführungscharakteristiken die Relativwerte, wenn der Temperaturanstiegswert von Beispiel 2 als 1,0 gesetzt ist. Ist der Relativwert einer Kontaktprobe unter 2,0, so wird bewertet, daß die Kontaktprobe eine gute Stromführungscharakteristik zeigt.

(3) Hochstromunterbrechungscharakteristik

Unterbrechungsversuche wurden unter Benutzung des Tests Nr. 5 der JEC-Spezifikation durchgeführt und die Stromunterbrechungscharakteristiken wurden mit diesem Test bewertet.
Zuerst werden die Herstellungsverfahren für die Versuchsproben der Kontaktmaterialien erläutert. Für die Versuchsproben sind Kontaktmaterialien der Beispiele 1-18 und Vergleichsbeispiele 1-13 hergestellt worden. Die Versuchsproben sind in die nachfolgenden neun Gruppen klassifiziert.
Gruppe 1: Beispiele 1-3 und Vergleichsbeispiele 1, 2
Gruppe 2: Beispiele 4, 5 und Vergleichsbeispiel 3
Gruppe 3: Beispiel 6 und Vergleichsbeispiele 4-7
Gruppe 4: Beispiele 7-9 und Vergleichsbeispiel 8
Gruppe 5: Beispiele 10-12 und Vergleichsbeispiel 9
Gruppe 6: Beispiele 13-14 und Vergleichsbeispiel 10, 11
Gruppe 7: Beispiele 15-16 und Vergleichsbeispiel 12
Gruppe 8: Beispiel 17 und Vergleichsbeispiel 13
Gruppe 9: Beispiel 18
Zuerst werden die Herstellungsverfahren für die Versuchsproben für alle Gruppen mit Ausnahme der Gruppen 3 und 6 erläutert. In diesen Kontaktmaterialien wird WC als lichtbogenbeständige Komponente verwendet.
Vor der Herstellung wurden die lichtbogenbeständige Komponente WC und die leitende Komponente Cu in die erforderlichen Korngrößen sortiert. Der Sortiervorgang kann beispielsweise durch die kombinierte Verwendung der Siebung und des Sedimentationsverfahrens durchgeführt werden, und die Pulver der spezifizierten Korngrößen von WC und Cu können einfach erhalten werden. Zuerst werden eine spezifizierte Menge an WC mit der spezifizierten Korngröße, wie 0,7 um, und eine spezifizierte Menge an Cu mit der spezifizierten Korngröße, wie 45u, vorbereitet. Dann werden diese miteinander vermischt und in eine zweite Körnung spezifizierter Korngröße, beispielsweise 0,1-1 mm, granuliert.
Das folgende Verfahren wird für das Granulierverfahren mit Ausnahme des Kontaktmaterials aus Gruppe 9 verwendet. Das vermischte Pulver wird durch einen spezifizierten Druck, beispielsweise 8 t, gepreßt und dann gebrochen. Dieser Preß-/Brechvorgang wird für eine spezifische Zeit fortgesetzt, um dadurch die granulierte zweite Körnung zu erhalten. Im Falle des Kontaktmaterials der Gruppe 9 wird das vermischte Pulver unter Verwendung eines Sprühtrockners granuliert.
Dann werden die Körner dieser zweiten Körnung unter einem Endgießdruck, wie 4t, preßgegossen, um einen Preßkörper zu erhalten.
Dann wird dieser Preßkörper bei einer spezifischen Temperatur und einer spezifischen Zeit, wie beispielsweise unter Bedingungen von 1.150ºC und 1 Stunde, vorgesintert, und ein vorgesinterter Körper wird erhalten. Der Rohblock wird durch Vakuumschmelzen der Infiltrationsmaterialien, die in einem spezifischen Verhältnis bei einer spezifischen Temperatur vermischt wurden, unter einem Vakuum von 1,3 · 10&supmin;² Pa erhalten. Infiltrationsmaterialien wie Cu werden durch Zerschneiden des Rohblocks erhalten.
Dann wird für die Gruppen 1 und 2 Cu, für Gruppe 4 eine Cu-Ag-Legierung, für Gruppe 5 eine Cu-Te-Legierung, und für Gruppen 7-9 Cu in die luftgefüllten Hohlräume, die in dem vorgesinterten Körper verblieben sind, für 1 Stunde bei 1.150ºC infiltriert, um so eine spezifische Legierung, beispielsweise eine Cu-WC-Legierung, zu erhalten.
Eine Versuchsprobe eines Kontaktmaterials wird durch die Verwendung einer wie oben beschrieben hergestellten Legierung erzeugt.
Zweitens werden die Herstellungsverfahren für die Versuchsproben der Gruppe 3 erläutert. Die Pulver von WC und Cu werden auf dem gleichen Wege wie bei dem obigen Verfahren vorbereitet. Dann wird die spezifische Menge des Materials, wie Co, Fe oder Ni, mit der spezifischen Korngröße vorbereitet und in die Pulver von WC und Cu gemischt. Ohne Granulierung wird dieses vermischte Pulver bei einem Endgießdruck, wie 2t, preßgegossen, und dann werden Sinterung und Infiltration von Cu in gleicher Weise wie in dem obigen Verfahren durchgeführt.
Drittens werden die Herstellungsverfahren für die Versuchsproben der Gruppe 6 erläutert. Bei diesen Kontaktmaterialien wird TiC als lichtbogenbeständige Komponente verwendet. Zuerst wird eine spezifische Menge an TiC mit einer spezifischen Korngröße, wie 0,7 um, und eine spezifische Menge an Cu mit einer spezifischen Korngröße vorbereitet. Dann wird eine spezifische Menge von Cr-Material mit einer spezifischen Korngröße, wie 80 um, vorbereitet. Dann werden diese Pulver miteinander vermischt und in Körner einer zweiten Körnung mit einer spezifischen Korngröße granuliert. Anschließend werden Sinterung und Infiltration des Cu in gleicher Weise wie in dem obigen Verfahren durchgeführt.
Nachfolgend werden die verschiedenen Zusammensetzungen des Kontaktmaterials und deren charakteristische Daten anhand der Tabelle 2 untersucht.

Gruppe 1: Beispiele 1-3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2

In allen Fällen wird als leitende Komponente Cu und als lichtbogenbeständige Komponente WC mit einer Korngröße von 0,8 um verwendet. Der Gießdruck wird in einem Bereich von 1-10t variiert.
Wie in Tabelle 1 bei den Beispielen 1-3 und Vergleichsbeispiel 1, für die die Gießdrücke angemessen sind, gezeigt, werden solide Preßkörper erhalten. Jedoch sind in Vergleichsbeispiel 2, da der Gießdruck (10 t) zu hoch ist, Risse erzeugt worden und ein solider Preßkörper kann nicht erhalten werden. In den Beispielen 1-3 und Vergleichsbeispiel 1 variieren die Volumenverhältnisse der leitenden Komponente Cu in einem Kontaktmaterial im Bereich von 51,4-40,5 Vol.-%. Deshalb ist es erforderlich, das Volumenverhältnis der leitenden Komponente in einem Kontaktmaterial zu 40 Vol.-% oder mehr zu wählen, um einen soliden Preßkörper zu erhalten.
Die Beispiele 1-3, in denen die leitende Komponente Cu in einem Kontaktmaterial 50 Vol.-% oder weniger beträgt, ist die Chopping-Charakteristik gut bei 2,0 oder weniger. Jedoch ist in Vergleichsbeispiel 1 der Gleichstromstellwert 2,5, was unpassend ist.
Aus diesen Beispielen geht hervor, daß sich der angemessene Wert der leitenden Komponente in einem Kontaktmaterial in einem Bereich von 40-50 Vol.-% bewegt.

Gruppe 2: Beispiele 4, 5 und Vergleichsbeispiel 3

In diesen Fällen ist das Zusammensetzungsverhältnis in einem Kontaktmaterial konstant, nämlich beträgt der Anteil der die leitenden Komponente Cu etwa 45 Vol.-% und der Anteil der lichtbogenbeständigen Komponente WC etwa 55 Vol.-%. Die Korngrößen der lichtbogenbeständigen Komponente WC variieren in einem Bereich von 1,5-5 um. Das Zusammensetzungsverhältnis in dem Kontaktmaterial wird durch die Anpassung des Gießdruckes, wie 3, 2 und 1 t, im Gießverfahren gesteuert. In den Beispielen 4 und 5, in denen die Korngröße der lichtbogenbeständigen Komponente WC 3 um oder weniger beträgt, zeigen beide eine gute Stromchoppingcharakteristik, Stromführungscharakteristik und Stromunterbrechungscharakteristik. Jedoch zeigt Vergleichsbeispiel 3, in dem die Korngröße der lichtbogenbeständigen Komponente WC 5 um beträgt, keine gute Stromunterbrechungscharakteristik.
Aus diesen Beispielen geht hervor, daß der passende Wert für die Korngröße der lichtbogenbeständigen Komponente 3 um oder weniger beträgt.

Gruppe 3: Beispiel 6 und Vergleichsbeispiele 4-7

In diesen Fällen werden die Pulver nicht granuliert. Statt dessen wird die Sinterdichte des gesinterten Körpers durch Beschleunigung der Sinterung des WC durch die Zugabe von Sinter-Aktivatoren wie Co, Fe und Ni erhöht, wodurch die Menge der lichtbogenbeständigen Komponente WC im Kontaktmaterial erhöht ist. In den Vergleichsbeispielen 4-7, in denen die Menge an Sinter- Aktivatoren wie Co, Fe und Ni 0,1 Gew.-% oder mehr der Menge an Cu beträgt, ist die Leitfähigkeit des Kontaktmaterials signifikant niedrig und die Stromführungscharakteristik ist schlecht, da diese Aktivatoren in die leitende Komponente Cu einschmelzen. In Beispiel 6, in dem die Menge an Sinter-Aktivator Co eingeschmolzen in Cu 0,1 Gew.-% oder weniger der Menge an Cu beträgt, kann die erforderliche Stromführungsleistung gewährleistet werden, und die Stromchopping-Charakteristik und Stromunterbrechungscharakteristik sind ebenfalls gut.
Aus diesen Beispielen geht hervor, daß die Menge an Sinter-Aktivatoren wie Co, Fe oder Ni, die in Cu eingeschmolzen werden, 0,1% oder weniger der Menge an Cu betragen sollte.

Gruppe 4: Beispiele 7-9 und Vergleichsbeispiel 8

In diesen Fällen wird Cu-Ag als Infiltrationsmaterial verwendet, zu dem Ag als Komponente mit hohem Dampfdruck zugegeben ist. Die Beispiele 7-9, in denen die Menge der Komponente Ag in der leitenden Komponente 30 Gew.-% oder weniger beträgt, weisen alle gute Chopping-Charakteristiken, Stromführungscharakteristiken und Stromunterbrechungscharakteristiken auf. Jedoch ist bei Vergleichsbeispiel 8, in dem die Komponente Ag in der leitenden Komponente 30 Gew.-% oder mehr beträgt, die Stromunterbrechungsleistung ungenügend.

Gruppe 5: Beispiele 10-12 und Vergleichsbeispiel 9

In diesen Fällen wird Cu-Te als Infiltrationsmaterial verwendet, zu dem Te als Komponente mit hohem Dampfdruck zugegeben ist. Die Beispiele 10-12, in denen die Menge der Komponente Te in der leitenden Komponente 12 Gew.-% oder weniger beträgt, weisen alle eine gute Chopping-Charakteristik, Stromführungscharakteristik und Stromunterbrechungscharakteristik auf. Jedoch ist bei Vergleichsbeispiel 9, in dem der Anteil der Komponente Te in der leitenden Komponente 12 Gew.-% oder mehr beträgt, die Stromunterbrechungsleistung ungenügend.
Aus diesen Beispielen geht hervor, daß bei Verwendung von Cu-Ag als Infiltrationsmaterial die Menge an Ag in der leitenden Komponente 30 Gew.-% oder weniger sein sollte und bei Verwendung von Cu-Te als Irifiltrationsmaterial die Menge an Te in der leitenden Komponente 12 Gew.-% oder weniger betragen sollte.

Gruppe 6: Beispiele 13, 14 und Vergleichsbeispiele 10, 11

In diesen Fällen wird die Feuchte von TiC und Cu während der Infiltration durch die Zugabe von Cr zu den Pulvern von TiC und Cu verbessert. Die Beispiele 13 und 14 und Vergleichsbeispiel 10, in denen die Menge an Cr im Kontaktmaterial 7 Vol.-% oder weniger beträgt, weisen alle eine gute Stromchopping-Charakteristik, Stromführungscharakteristik und Stromunterbrechungscharakteristik auf. Jedoch ist bei Vergleichsbeispiel 11, in dem die Menge an Cr im Kontaktmaterial 8,3 Vol.-% beträgt, was mehr als 7 Vol.-% ist, die Stromführungscharakteristik ungenügend, da eine große Menge an Cr in Cu einschmilzt.
In den Beispielen 13 und 14, in denen die Menge an Cr während der Vermengung der Pulver in einem Bereich von 1-12 Gew.-% liegt, ist die Menge an Poren im Kontaktmaterial unter 2,0 Vol.-%, und die Feuchtigkeitsverbesserungswirkung ist ausreichend. Jedoch ist bei Vergleichsbeispiel 10, in dem die Menge an Cr während des Vermengens der Pulver geringer als 1 Gew.-% ist, die Menge an Poren im Kontaktmaterial eher hoch bei 3,5 Vol.-%, und aus den Poren kann Gasfreisetzung auftreten, da die Feuchtigkeitsverbesserungswirkung von Cr ungenügend ist. Dementsprechend ist es in den Fällen, in denen TiC als lichtbogenbeständige Komponente verwendet wird, wünschenswert, daß die Menge an Cr während der Vermengung der Pulver in einem Bereich von 1-12 Gew.-% und die Menge an Cr im Kontaktmaterial in einem Bereich von 0,5-7 Vol.-% liegt.
In diesen Beispielen ist Te im Kontaktmaterial nicht enthalten. Dies deshalb, weil diese Beispiele die erforderlichen Wirkungen ohne Zugabe von Te im Kontaktmaterial erreichen können, da TiC im Hinblick auf die thermische Elektronenemissionscharakteristik gegenüber WC überlegen ist. Aber wenn Te in den TiC enthaltenden Beispielen beinhaltet ist, kann erwartet werden, daß das Kontaktmaterial bezüglich dieser Beispiele weiter verbesserte Charakteristiken zeigt.

Gruppe 7: Beispiele 15 und 16 und Vergleichsbeispiel 12

In diesen Fällen wird die Granulation durch Wiederholung der Verfahren des Gießens des Pulvers bei 8 t und des daran anschließenden Brechens ausgeführt. In den Fällen, in denen die Anzahl der Wiederholungen der Granulation zwei oder mehr beträgt, wie in den Beispielen 15 und 16, werden solide Preßkörper erhalten und alle entsprechenden Charakteristiken sind gut. Jedoch ist bei Vergleichsbeispiel 12, in dem Gießen und Brechen nur einmal durchgeführt wurden, die Granulation ungenügend, und es treten Risse während des abschließenden Gießens auf. Deshalb ist es nicht möglich, die angestrebte Menge an Cu-Komponente zu erzielen.

Gruppe 8: Beispiel 17 und Vergleichsbeispiel 13

In diesen Fällen wird die Granulation durch Wiederholung der Verfahren des Gießens der Pulver bei 4 t oder 6 t und des Brechens ausgeführt. In Beispiel 17, in dem der Gießdruck für die Granulation bei 6 t liegt, wird ein solider Preßkörper erreicht, und alle Charakteristiken sind gut. Jedoch ist bei Vergleichsbeispiel 13, bei dem für die Granulation ein Gießdruck von 4 t verwendet wird, die Granulation ungenügend, und während des abschließenden Gießens treten Risse auf. Deshalb ist es nicht möglich, die angestrebte Menge an Cu-Komponente zu erzielen.

Gruppe 9: Beispiel 18

In diesem Fall wird die Granulation unter Verwendung eines Sprühtrockners ausgeführt. In diesem Fall sind, wie in Beispiel 2, alle Charakteristiken gut.
In obigem Ausführungsbeispiel wurden die Ergebnisse der Bewertung von Kontaktmaterialien, bei denen hauptsächlich WC als lichtbogenbeständige Komponente verwendet wurde, angegeben. Jedoch können die gleichen Wirkungen unter Verwendung von ZrC, HfC, VC und TiC als lichtbogenbeständiger Komponente in den Fällen der Anwendung einer Vielzahl von lichtbogenbeständigen Komponenten unter Verwendung von WC enthaltenden Karbiden erreicht werden.
In einem Herstellungsverfahren, in dem ein Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter durch Bildung eines Gerüstes aus einer lichtbogenbeständigen Komponente durch Gießen und Sintern von Pulvern und anschließender Infiltration einer leitenden Komponente in das Gerüst hergestellt wird, wird eine hohe Gußdichte erreicht durch die Granulation der vermischten Pulver, bestehend aus dem Pulver der lichtbogenbeständigen Komponente und dem Pulver der leitenden Komponente, in ein granuliertes Pulver einer größeren Korngröße. Somit ist klar, daß es möglich ist, die Porosität des Gerüstes in einen Bereich von 40-50 Vol.-% zu verringern, ohne Sinter-Aktivatoren wie Co, Fe und Ni zu dem zu sinternden Pulver hinzuzugeben. Diese Erfindung beruht vollständig auf dieser Erkenntnis.
Es ist bewiesen, daß in diesem Herstellungsverfahren in dem Fall, in dem TiC als lichtbogenbeständige Komponente verwendet wird, die Ausgewogenheit des Gerüstes durch Zugabe von Cr in einer Menge von 1-12 Gew.-% des gesamten Pulvers zu dem zu sinternden Pulver erhöht wird.
Es ist bewiesen, daß bei Granulierung der vermischten Pulver in einem Sprühtrockner ein Preßkörper hoher Dichte erhalten werden kann.
Darüber hinaus ist es bewiesen, daß die Dichte des Preßkörpers durch Zugabe von Paraffin oder Wachs während der Pulververmischung noch höher werden kann.
Wie oben beschrieben, ist es Erfindungsgemäß möglich, ein kostengünstiges Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter anzugeben, der eine hohe Stromunterbrechungscharakteristik, eine niedrige Stromchopping-Charakteristik und eine hohe Stromführungscharakteristik aufweist.
Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zur Herstellung eines kostengünstigen Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter an, der eine hohe Stromunterbrechungscharakteristik, eine niedrige Stromchopping-Charakteristik und eine hohe Stromführungscharakteristik zeigt.
Es ist offensichtlich, daß vielfache Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung aufgrund der offenbarten Lehre möglich sind. Im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche kann die Erfindung auch auf andere Weise als hier beschrieben benutzt werden.

Claims

1. Ein Kontaktmaterial für einen Vakuumschalter, das folgendes enthält:

Eine leitende Komponente und

eine lichtbogenbeständige Komponente, die wenigstens ein Karbid aus der Gruppe der Karbide von W, Zr, Hf, V und Ti enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Komponente Cu als ihre Hauptkomponente enthält,

daß die Menge der leitenden Komponente in dem Kontaktmaterial 40 bis 50 Volumen-% beträgt,

daß die Menge der lichtbogenbeständigen Komponente in dem Kontaktmaterial 50 bis 60 Volumen-% beträgt,

daß die Korngröße der lichtbogenbeständigen Komponente 3 um oder weniger beträgt und

daß die Gesamtmenge eines Sinter-Aktivators, der wenigstens eines der Elemente der Gruppe bestehend aus Co, Fe und Ni enthält und in die leitende Komponente eingeschmolzen ist, 0,1 Gewichts-% oder weniger der Menge der leitenden Komponente beträgt.

2. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, wobei die leitende Komponente einen Bestandteil mit einem hohen Dampfdruck enthält, der wenigstens eines der beiden Elemente Ag und Te aufweist.

3. Kontaktmaterial nach Anspruch 2, wobei die leitende Komponente Ag als Bestandteil mit hohem Dampfdruck enthält und

die Menge an Ag 30 Gewichts-% oder weniger der Menge der leitenden Komponente beträgt.

4. Kontaktmaterial nach Anspruch 2, wobei die leitende Komponente Te als Bestandteil mit hohem Dampfdruck enthält und

die Menge an Te 12 Gewichts-% oder weniger der Menge der leitenden Komponente beträgt.

5. Kontaktmaterial nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das weiterhin enthält:

eine Hilfskomponente aus Cr,

wobei die lichtbogenbeständige Komponente TiC ist

und

wobei die Menge an Cr 0,5 bis 7 Volumen-% des Kontaktmaterials beträgt.

6. Kontaktmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Komponente im wesentlichen aus Cu besteht.

7. Ein Vakuumschalter, der wenigstens einen Kontakt aufweist, der aus einem Kontaktmaterial nach einem der vorangegangenen Ansprüche besteht.

8. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter, das folgende Schritte umfaßt:

Vermischung eines Pulvers einer lichtbogenbeständigen Komponente mit einer ersten Korngröße und eines Pulvers einer leitenden Komponente mit einer zweiten Korngröße, um ein vermischtes Pulver zu erhalten,

Granulierung des vermischten Pulvers, um ein granuliertes Pulver mit einer dritten Korngröße, die größer als die erste und die zweite Korngröße ist, zu erhalten,

Gießen und Sintern des granulierten Pulvers, um ein Gerüst aus einer lichtbogenbeständigen Komponente mit Leerräumen mit einer Porosität von 40 bis 50 Volumen-% zu erhalten und

Infiltration der leitenden Komponente in die Leerräume des Gerüstes aus der lichtbogenbeständigen Komponente, um das Kontaktmaterial zu erhalten.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei der Granulierung ein aufeinanderfolgendes Gießen und Brechen wenigstens zweimal wiederholt ausgeführt wird,

wobei bei einem ersten Mal eines der vermischten Pulver gegossen wird und bei einem zweiten Mal ein gebrochenes Pulver gegossen wird und später, bei einem Gießdruck von 6 t/cm² oder mehr, ein Preßkörper gegossen wird und dieser Preßkörper gebrochen wird, um das gebrochene Pulver zu erhalten,

wodurch das zuletzt gebrochene Pulver als das granulierte Pulver mit der dritten Korngröße vorliegt.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Vermischung eine Vermischung eines ZiC-Pulvers als Pulver aus der lichtbogenbeständigen Komponente mit der ersten Korngröße mit dem Pulver aus der leitenden Komponente mit der zweiten Korngröße und einem Pulver einer Hilfskomponente Cr mit einer dritten Korngröße umfaßt, um das vermischte Pulver zu erhalten,

wobei eine Menge der Hilfskomponente Cr in einem Bereich von 1-12 Gewichts-% der Menge des vermischten Pulvers liegt.

11. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, verwendet zur Herstellung eines Kontaktmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.