DE69931116T2

DE69931116T2 - Vakuumschalterkontaktwerkstoff und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69931116T2
Application number: DE69931116T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Kunitachi-shi Yamamoto; Takashi Kusano; Tsutomu Yokohama-shi Okutomi; Tsuneyo Seki; Makoto Kataoka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: CN1084034C; EP0982744A3; EP0982744A2; KR20000017400A; DE69931116D1; CN1245963A; US6303076B1; EP0982744B1; KR100332513B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktmaterial zum Bilden der Kontakte eines Vakuumschalters, der ausgezeichnet in Starkstromunterbrechungsfähigkeit, Abreißstromcharakteristiken, Stromführungscharakteristiken und Starkstromführungscharakteristiken ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Offenbarung der US 5 045 281 ist relevant für den Gegenstand der Ansprüche 1 bis 15, während die Offenbarung der EP 0 779 636 relevant für den Gegenstand der Ansprüche 16 bis 24 ist.
Der Vakuumschalter, der einen Strom unter Verwendung der Eigenschaft, dass Schaltlichtbögen im Vakuum zerstreuen, unterbricht, hat zwei entgegen gesetzte, stationäre und bewegliche Kontakte. Wenn ein durch einen induktiven Lastkreis, wie etwa ein elektrischer Motor, fließenderr Strom mit einem Vakuumschalter unterbrochen wird, ist es möglich, dass der Lastkreis durch eine beim Unterbrechen des Stromes erzeugte außerordentlich hohe Stoßspannung zerstört wird.
Eine solche außerordentlich hohe Stoßspannung wird beispielsweise durch ein Phänomen beim Stromabreißen (erzwungene Stromunterbrechung, bevor der Wechselstrom auf den natürlichen Nullpunkt der Wechselstrom-Wellenform abfällt), erzeugt, das auftritt, wenn eine Unterbrechung eines Schwachstromes in einem Vakuum durchgeführt wird oder durch ein Phänomen beim Erlöschen eines Hochfrequenz-Schaltlichtbogens. Eine Stoßspannung V_o, die durch ein Stromabreißphänomen erzeugt wird, ist gleich Z₀ × I_c, wobei Z₀ die Impedanz des Stromkreises und I_c ein Abreißstrom ist. Deshalb muss der Abreißstrom I_c verringert werden, um die abnorme Stoßspannung V₀ zu verringern.
Kontakte mit einer Abreißschwachstromcharakteristik werden in Cu-Bi-Legierungskontakte, die durch einen Schmelzvorgang gebildet werden, und Ag-WC-Legierungskontakte, die durch einen Sinter- und Infiltrationsvorgang gebildet werden, klassifiziert.
Der Ag-WC-Legierungskontakt zeigt eine ausgezeichnete Abreißschwachstromcharakteristik in folgender Hinsicht:

(1) WC ermöglicht die Emission von Elektronen;
(2) Die Verdampfung des den Kontakt bildenden Materials aufgrund der Erwärmung der Oberfläche des Kontakts durch das Aufprallen von Feldemissionselektronen auf den Kontakt wird gefördert; und
(3) Das Carbid, das in dem den Kontakt bildenden Material enthalten ist, wird durch Lichtbögen zersetzt, so dass geladene Teile erzeugt werden und die geladenen Teile den Lichtbogen bestehen lassen.

Ein mit solchen Legierungskontakten ausgestatteter Stromkreis-Vakuumschalter ist kürzlich entwickelt und im praktischen Einsatz angewendet worden.
Eine Ag-Cu-WC-Legierung, die durch Zugabe von Cu zu der den Ag-WC-Legierungskontakt bildenden Ag-WC-Legierung mit einem Ag/Cu-Verhältnis von etwa 7/3 hergestellt wurde, ist in der japanischen Patentveröffentlichung JP B2 (kokoku) Nr. S63-59212 vorgeschlagen worden. Diese bekannte Ag-Cu-WC-Legierung mit einem solchen besonderen Ag/Cu-Verhältnis hat eine stabile Abreißstromcharakteristik.
Eine Technik, die in der japanischen Patentveröffentlichung JP B2 (kokoku) Nr. H05-61338 beschrieben ist, regt an, dass die Verwendung eines bogenfesten Materials, wie etwa eine WC-Legierung mit Teilchengröße im Bereich von 0,2 bis 1 μm, effektiv bei der Verbesserung der Abreißstromcharakteristik ist.
Die Abreißstromcharakteristik des Cu-Bi-Legierungskontaktes wird verbessert, indem man Bi selektiv verdampft. Eine Cu-Bi-Legierung mit einem Bi-Gehalt von 10 Gewichtsprozent (im Folgenden als % pro Gewicht oder Gew.% abgekürzt), die in der japanischen Patentveröffentlichung JP B2 (kokoku) Nr. 535-14974 vorgeschlagen wird, hat eine gemäßigte Dampfdruckcharakteristik und zeigt somit eine Abreißschwachstromcharakteristik. In einer Cu-Bi-Legierung mit einem Bi-Gehalt von 0,5 Gew.%, die in der japanischen Patentveröffentlichung JP B2 (kokoku) Nr. S41-12131 vorgeschlagen wird, sondert sich Bi an Korngrenzen ab, was die Cu-Bi-Legierung verspröden lässt. Deshalb benötigt ein aus dieser Cu-Bi-Legierung hergestellter Kontakt eine niedrige Schweißfreisetzungskraft und hat eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung.
Insbesondere muss der Vakuumschalter dazu in der Lage sein, Starkströme zu unterbrechen. Es ist wichtig, Schaltlichtbögen über die gesamte Oberfläche der Kontakte zu erzeugen, um die Menge zugeführter Wärme pro Flächeneinheit der Kontakte auf ein niedriges Niveau zu begrenzen, damit die Kontakte dazu in die Lage versetzt werden, eine Unterbrechung großer Ströme zu erzielen. Eines der Mittel zum Erzeugen von Schaltlichtbögen über die gesamten Oberflächen der Kontakte verwendet eine longitudinale Magnetfeld-Elektrodenstruktur, die ein Magnetfeld erzeugt, das parallel zu einem elektrischen Feld ist, das zwischen Elektroden erzeugt wird, die mit den Kontakten montiert sind. Gemäß der japanischen Patentveröffentlichung JP B2 (kokoku) Nr. S54-22813 kann ein Lichtbogenplasma gleichmäßig über die Oberflächen der Kontakte verteilt werden, indem man ein passendes Magnetfeld erzeugt, und die Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung kann verstärkt werden.
Gemäß der japanischen Patentveröffentlichung JP A (kokai) Nr. H04-206121 werden die Mobilität des Kathodenpunktes eines Lichtbogens und die Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung verbessert, wenn zwischenpartikuläre Abstände zwischen WC-Co-Teilchen einer Ag-Cu-WC-Co-Legierung im Bereich von etwa 0,3 bis etwa 3 μm liegen, und die Unterbrechungsfunktion der aus solch einer Legierung bestehenden Kontakte wird verbessert, wenn der Gehalt von Eisenhilfskomponenten, wie etwa der Co-Gehalt, erhöht wird.
Von dem Vakuumschalter wird gefordert, dass er in der Lage ist, Stoßspannungen zu unterdrücken, und es ist eine Abreißschwachstromcharakteristik von dem Vakuumschalter gefordert worden. Fälle, wo der Vakuumschalter bei induktiven Schaltkreisen, wie etwa Elektromotoren großer Kapazität, angewendet wird, haben in den letzten Jahren zugenommen, und es sind hohe Stoßspannungs-Impedanzlasten aufgetreten. Infolgedessen besteht der Wunsch, dass der Vakuumschalter sowohl eine weiter stabile Abreißschwachstromcharakteristik und eine Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung hat.
Wenn Kontakte verwendet werden, die aus der in der JP B2 (kokoku) Nr. 535-14974 erwähnten Cu-Bi-Legierung mit einem Bi-Gehalt von 10 Gew.% bestehen, nimmt die Menge an Metalldampf, die in den Raum zwischen den Elektroden abgegeben wird, mit der Zunahme der Stromunterbrechungsfrequenz der Kontakte ab, die Abreißschwachstromcharakteristik verschlechtert sich und es tritt eine Verschlechterung der Haltespannungscharakteristik abhängig von der Menge eines Elementes mit einem hohen Dampfdruck auf. Die Abreißschwachstromcharakteristik der Cu-Bi-Legierung mit einem Bi-Gehalt von 0,5 Gew.% (erwähnt in JP B2 Nr. S41-12131) ist unbefriedigend. Somit ist es unmöglich, eine stabile Abreißschwachstromcharakteristik nur durch die selektive Verdampfung des Elements mit einem hohen Dampfdruck bereit zu stellen.
Obwohl ein Kontaktmaterial, das Ag als eine leitfähige Komponente enthält, wie etwa eine Ag-WC-Co-Legierung, eine vergleichsweise befriedigende Abreißstromcharakteristik hat, ist der Dampfdruck desselben übermäßig hoch und dasselbe ist nicht in der Lage, eine voll befriedigende Unterbrechungsfunktion auszuführen. Obwohl die Ag-Cu-WC-Legierung mit dem Ag/Cu-Gewichtsverhältnis von 7/3 (erwähnt in JP B2 Nr. S63-59212) und ein Kontaktmaterial, das Ag als leitfähige Hauptkomponente enthält, wie etwa die Ag-Cu-WC-Legierung, die Teilchen einer bogenfesten Komponente, wie etwa WC-Teilchen, enthält, mit einer Teilchengröße im Bereich von 0,2 bis 1 μm (erwähnt in JP B2 Nr. H05-61338), ausgezeichnet sind in ihrer Unterbrechungsfähigkeit und Abreißstromcharakteristik, sind aus diesen Legierungen hergestellte Kontakte teuer.
Eine Erhöhung des Co-Gehalts jener Kontaktmaterialien zum Verbessern der Unterbrechungsfunktion bringt die Verringerung der Abreißschwachstromcharakteristik mit sich.
Im Gegensatz dazu ist ein Kontaktmaterial enthaltend Cu, das billig ist, als eine leitfähige Komponente vergleichsweise befriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit, jedoch ist die Abreißstromcharakteristik des Kontaktmaterials unbefriedigend, solange der Gehalt der bogenfesten Komponente nicht erhöht wird. Zum Beispiel wird die Porosität eines WC-Grundgerüsts durch Zugabe von Co zu dem WC-Grundgerüst verringert, wenn das WC-Grundgerüst für die Cu-WC-Co-Legierung zum Unterdrücken der Infiltration von Cu in das WC-Grundgerüst gesintert wird.
Jedoch verringern Komponenten zum Fördern der Sinterung von Carbiden, wie etwa Co, Fe und Ni die Leitfähigkeit von Cu und daher verschlechtert sich die stromführende Charakteristik der Legierung stark, falls die Legierung jene Komponenten im Übermaß enthält.
Kurzfassung der Erfindung
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kontaktmaterial zum Bilden der Kontakte eines Vakuumschalters, mit einer ausgezeichneten Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung, einer Abreißschwachstromcharakteristik und einer Starkstrom tragenden Charakteristik, bereitzustellen und ein Verfahren zur Herstellung des Kontaktes bereitzustellen.
Gemäß eines ersten Gesichtspunktes der vorliegenden Erfindung wird ein Kontaktmaterial bereitgestellt, das 50 bis 70 Gew.% leitfähiger Komponenten einschließlich Cu als eine Hauptkomponente, 30 bis 50 Gew.% TiC oder VC als eine bogenfeste Komponente mit, einem mittleren Teilchendurchmesser von 8 μm oder darunter, und 0,2 bis 2,0 Gew.% Cr bezogen auf die Summe der entsprechenden Mengen von Cr und Cu oder 0,2 bis 2,0 Gew.% von Zr auf der Grundlage der Summe der entsprechenden Mengen von Zr und Cu, enthält, worin das Kontaktmaterial einen Wasserstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 50 ppm hat.
Da das Atomgewicht von Cu kleiner ist als das von Ag und Cu einen niedrigeren Dampfdruck hat als den von Ag, hat ein Kontakt aus einem Kontaktmaterial, das Cu als eine leitfähige Komponente enthält, die Eigenschaft der Wiederherstellung der Isolierung nach Unterbrechung stärker als die eines Kontaktes aus einem Kontaktmaterial, das Ag als eine leitfähige Komponente enthält, wie etwa eine Ag-WC-Legierung. Jedoch ist der erstere Kontakt dem letzteren in der Abreißschwachstromcharakteristik unterlegen. Deshalb kann eine Abreißschwachstromcharakteristik im wesentlichen gleich der einer Ag-WC-Legierung aufrechterhalten werden, indem man TiC anwendet, das in der Abreißschwachstromcharakteristik dem WC überlegen ist. Im Allgemeinen sind Cu und TiC in der Benetzbarkeit überlegen. Jedoch wenn Cr oder Zr in Cu (flüssig) enthalten sind und in der TiC/Cu-Grenze liegt, wird die Benetzbarkeit von Cu und TiC verbessert und es kann ein Infiltrationsvorgang verwendet werden.
Wenn eine Cu-TiC-Legierung, die einen Kontakt bildet, einen hohen Wasserstoffgehalt hat, verschlechtert sich die Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung stark. Deshalb ist es wesentlich, dass der Wasserstoffgehalt auf 50 ppm oder darunter begrenzt wird. Wenn die Cu-TiC-Legierung in einer Vakuumatmosphäre von 10^–2 Pa oder darüber, was durch ein Vakuumsystem erreicht werden kann, das eine Diffusionspumpe enthält und in einem allgemeinen Vakuumwärmebehandlungsvorgang angewendet wird, hergestellt wird, ist der Wasserstoffgehalt der Cu-TiC-Legierung 0,2 ppm oder darüber. Die Wärmebehandlung in einer höheren Vakuumatmosphäre ist nicht bevorzugt, weil eine solche Wärmebehandlung sehr teuer ist und das Ti/TiC-Verhältnis aufgrund der Zersetzung von Carbiden abnimmt, so dass sich die Abreißstromcharakteristik verschlechtert.
Die Cu-TiC-Cr- oder Cu-TiC-Zr-Legierung, die von der vorliegenden Erfindung bereit gestellt wird, hat eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung, eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Starkstromleitung und eine ausgezeichnete Abreißschwachstromcharakteristik verglichen mit der einer Ag-WC-Legierung, und ist billig, weil die Legierung Cu als eine leitfähige Komponente enthält.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktes für einen Vakuumschalter bereit gestellt, das folgende Schritte einschließt: Bilden eines Grundgerüsts aus einem Pulver enthaltend TiC oder VC als eine Hauptkomponente und mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 8 μm oder niedriger; und Infiltrieren des Grundgerüsts mit einem Infiltrationsmaterial enthaltend eine auf Cu basierende Legierung mit einem Cr-Gehalt im Bereich von 0,2 bis 2,0 Gew.% oder eine auf Cu basierende Legierung mit einem Zr-Gehalt im Bereich von 0,2 bis 2,0 Gew.%, so dass der Kontakt 30 bis 50 Gew.% des Grundgerüsts und 50 bis 70 Gew.% des Infiltrationsmaterials umfasst. Ein Verfahren zum Infiltrieren des Grundgerüsts mit einer Cu-Cr- oder Cu-Zr-Legierung ist die einfachste, optimale Methode, um Cr oder Zr in der Cu/TiC-Grenze anzusammeln und homogen zu verteilen.
Das Grundgerüst kann aus einem Pulver enthaltend 0,25 bis 2,3 Gew.% Cr oder Zr anstelle der Infiltration des Grundgerüsts mit dem vorher genannten Cr oder Zr enthaltenden Infiltrationsmaterial gebildet werden. Cr und Zr enthalten in Cu (flüssig) während eines Infiltrationsprozesses sind effektiv in der Verbesserung der Benetzbarkeit der Cu/TiC-Grenze. Deshalb löst sich Cr oder Zr, das in dem das Grundgerüst bildende Pulver enthalten ist, in flüssigem Cu am Anfang der Infiltration und verbessert die Benetzbarkeit des Grundgerüsts wirkungsvoll.
Cu als eine leitfähige Komponente kann in dem Pulver für die Bildung des Grundgerüsts zusätzlich zu dem, dass es in dem Infiltrationsmaterial enthalten ist, enthalten sein. Wenn das Grundgerüst aus einem Pulver, das Cu, enthält, gebildet wird, ist es bevorzugt, dass der Cu-Gehalt des Pulvers im Bereich von 10 bis 40 Gew.% liegt. Wenn das Grundgerüst aus dem Cu enthaltenden Pulver gebildet wird, wird die Benetzbarkeit von Cu und TiC weiter verbessert.
Vorzugsweise werden der Sinterungsprozess und der Infiltrationsprozess in einer Vakuumatmosphäre ausgeführt. Es ist bevorzugt, zu verhindern, dass der Sinterkörper und das Infiltrationsmaterial mit Kohlenstoff in der Vakuumatmosphäre in Berührung kommt. Falls das Grundgerüst dem Sinterprozess und dem Infiltrationsprozess in einer Wasserstoff haltigen Atmosphäre, die häufig zum Herstellen einer Ag-WC-Legierung verwendet wird, ausgesetzt wird, verbindet sich in der Atmosphäre enthaltener Wasserstoff mit TiC, so dass sich die Unterbrechungsfähigkeit stark verschlechtert, weil Ti ein Wasserstoff absorbierendes Element ist. Demgemäß müssen der Sinterprozess und der Infiltrationsprozess in einer Vakuumatmosphäre ausgeführt werden. Wenn eine Cu-TiC-Legierung, die Cr oder Zr enthält, mit Wasserstoff verarbeitet wird, wird in dem Infiltrationsmaterial enthaltenes Cr oder Zr veranlasst, mit Kohlenstoff, der in dem den Ofen oder den Schmelztiegel bildenden Material enthalten ist, durch die Wirkung von Wasserstoff zu reagieren, um eine Schicht aus Cr-Carbid oder Zr-Carbid zu bilden. Das Cr-Carbid oder Zr-Carbid blockiert den Fluss des Infiltrationsmaterials in die flüssige Phase und folglich kann das Grundgerüst nicht befriedigend mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert werden. Auf diese Weise ist es ungeeignet, den Infiltrationsprozess in einer Wasserstoffatmosphäre auszuführen.
Wenn das Infiltrationsmaterial Cr oder Zr enthält, wird das Infiltrationsmaterial zu dem stark benetzbaren Kohlenstoffmaterial, das den Schmelztiegel bildet, hingezogen, wenn das Infiltrationsmaterial in Berührung mit dem Schmelztiegel kommt und folglich kann das Grundgerüst nicht befriedigend mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert werden. Deshalb ist es bevorzugt, einen Ofen oder einen Schmelztiegel zu verwenden, der aus einem Material gebildet ist, der keinen Kohlenstoff enthält, oder den Ofen oder den Schmelztiegel von dem Infiltrationsmaterial mit Aluminiumoxidpulver zu isolieren, um den Kontakt des Infiltrationsmaterials mit Kohlenstoff zu verhindern.
Es ist bevorzugt, eine geteilte Form zum Bilden des Grundgerüsts zu verwenden. Wenn ein Kontakt einer auf Ag basierenden Legierung, z.B. Ag-WC-Co-Legierung, gebildet wird, ist es möglich, die in Poren eines WC-Grundgerüsts infiltrierte leitfähige Komponente auf einen kleinen Anteil zu begrenzen, indem man die Dichte des gesinterten WC-Grundgerüsts erhöht und die Poren des gesinterten WC-Grundgerüsts durch die die Sinterung fördernde Wirkung von Co verringert. Folglich kann der Gehalt der bogenfesten Komponente des Kontakts erhöht werden. Wenn man einen Kontakt einer auf Cu basierenden Legierung, die Cu als eine leitfähige Komponente enthält, lösen sich jedoch die Sinterung fördernde Komponenten, wie etwa Co, Fe und Ni, in Cu, um eine feste Lösung zu bilden, so dass die Leitfähigkeit des Kontaktes verringert wird, was die stromführende Fähigkeit stark verschlechtert. Außerdem wird die Thermo-Elektronen emittierende Funktion der bogenfesten Komponente durch Co, das die Teilchen der bogenfesten Komponente beschichtet, behindert, wodurch sich die Stromabreißcharakteristik verschlechtert.
Die vorliegende Erfindung verwendet keinerlei die Sinterung förderndes Material, wenn das Grundgerüst geformt wird, und erhöht die Dichte des Grundgerüsts des bogenfesten Materials, um die Verschlechterung der stromführenden Fähigkeit und der Abreißschwachstromcharakteristik zu verhindern. Je gröber ein Carbidpulver ist, umso leichter ist es im Allgemeinen, ein Formteil aus dem Carbidpulvers in einer hohen Dichte zu bilden. Jedoch muss ein feines Carbidpulver zum Bilden eines Kontaktes mit einer stabilen Abreißschwachstromcharakteristik verwendet werden, weil die entsprechenden Abreißstromcharakteristiken von Kontakten, die aus einem groben Carbidpulver gebildet werden, über einen weiten Bereich verteilt sind. Das feine Carbidpulver muss durch einen hohen Formungsdruck geformt werden, um ein Formteil mit einer hohen Dichte zu bilden. Im Allgemeinen wird eine Extrusionsform zum Formen eines Kontaktmaterials verwendet. Wenn ein Carbidpulver durch eine Extrusionsform zum Formen durch einen hohen Druck extrudiert wird, neigt das Formteil dazu, Risse zu bilden, wenn das selbe durch die Extrusionsform extrudiert wird. Wenn ein Kohlenwasserstoffbindemittel, wie etwa ein Paraffin, verwendet wird, um das Formteil vor dem Zerreißen zu bewahren, wird Wasserstoff, der in dem Paraffin enthalten ist, und Wasserstoffgas, das in einer Atmosphäre für einen Prozess zum Entfernen von Paraffin enthalten ist, mit dem das Formteil bildenden Material verbunden, wodurch sich die Unterbrechungsfähigkeit stark verschlechtert. Wenn eine mehrteilige Form zum Formen des Kontaktmaterials verwendet wird, wird die mehrteilige Form geteilt und ein Formteil wird aus der geteilten Form herausgenommen, ohne das Formteil zu zerreißen. Auf diese Weise kann ein perfektes Formteil ohne Verwendung irgend eines Bindemittels, wie etwa Paraffin, gebildet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktmaterials für einen Vakuumschalter, das 40 bis 55 Volumenprozent (im Folgenden als % pro Volumen oder Vol.% abgekürzt) an leitfähigem Material enthaltend Cu als eine Hauptkomponente und 45 bis 60 Volumenprozent eines bogenfesten Materials enthaltend TiC oder VC als eine Hauptkomponente enthält, bereitgestellt, welches einschließt: einen Mischprozess zum Herstellen eines Mischpulvers durch Mischen eines Pulvers des bogenfesten Materials von Teilchengrößen im Bereich von 0,3 bis 3 μm, Cu-Pulver und Paraffinpulver; einen Formungsprozess zum Formen des Mischpulvers in ein Grundgerüstformteil; und einen Infiltrationsprozess zum Infiltrieren des Grundgerüstformteils mit einem leitfähigen Material; worin die in dem Mischprozess verwendete Menge von Cu-Pulver einem Cu-Gehalt im Bereich von 16 bis 43 Volumenprozent der Summe der Menge des bogenfesten Pulvers und derjenigen des Cu-Pulvers entspricht, und die in dem Mischprozess verwendete Menge des Paraffinpulvers einem Paraffingehalt im Bereich von 5 bis 30 Vol.% der Summe der Menge des bogenfesten Materials und derjenigen de Cu-Pulvers entspricht.
Das billige Kontaktmaterial, das geeignet für die Massenproduktion ist und eine Fähigkeit zur Starkstromunterbrechung, eine ausgezeichnete Abreißstromcharakteristik und eine Fähigkeit zum Führen von Starkstrom hat, kann hergestellt werden.
Dieses Verfahren zum Herstellen von Kontaktmaterial verwendet ein Mischpulver, das das Paraffinpulver zum Bilden des Formteils zum Verbessern der Formbarkeit von TiC-Pulver oder VC-Pulver enthält, so dass Formteile nicht zerrissen werden und stabil hergestellt werden können, selbst wenn die Formteile unter Verwendung einer Kompressionsform gebildet werden.
Vorzugsweise ist die Teilchengröße des dem bogenfesten Material zugefügten Cu-Pulvers im Mischprozess 100 μm oder darunter. Je feiner das Cu-Pulver, umso kleiner ist die Porosität des Formteils, umso kleiner ist die Menge von in das Formteil infiltriertem Cu und umso kleiner ist der Cu-Gehalt des Kontaktes. Wenn die Teilchengröße des Cu-Pulvers 100 μm oder darunter ist, kann der Cu-Gehalt des Kontaktes auf einen Wert begrenzt werden, der nicht größer ist als eine obere Grenze des Cu-Gehaltes (50 Volumenprozent), die bestimmt ist, eine vorbestimmte Abreißstromcharakteristik sicherzustellen.
Das dem bogenfesten Pulver in dem Mischprozess zugefügte Paraffin muss entfernt werden. Im Hinblick auf die Instandhaltung eines Ofens wird ein Entparaffinierungsprozess unter Atmosphärendruck ausgeführt. Wenn der Entparaffinierungsprozess unter einer Wasserstoffatmosphäre ausgeführt wird, wird ein Teil des Ti-Carbids in Ti-Hydrid umgewandelt. Folglich ist Wasserstoff in dem Kontakt enthalten und trägt schwerwiegend nachteilig zu der Unterbrechungsfähigkeit des Kontaktes bei.
Um ein solches Problem zu vermeiden, ist es bevorzugt, das Formteil, das durch den Formungsprozess gebildet wird, einem Entparaffinierungsprozess auszusetzen, bevor dasselbe dem Infiltrationsprozess ausgesetzt wird. In dem Entparaffinierungsprozess wird das Formteil bei einer Temperatur im Bereich von 300 bis 500°C in einer Stickstoffatmosphäre für 10 min oder Länger gehalten, um das Paraffin durch Verdampfung von dem Formteil zu entfernen. Wenn das Formteil auf diese Weise in der Stickstoffatmosphäre durch den Entparaffinierungsprozess bearbeitet wird, werden Gase, die der Unterbrechungscharakteristik schädlich sind, wie etwa Wasserstoffgas, vom Kontakt entfernt, und man kann einen Kontakt erhalten, der in der Lage ist, eine ausgezeichnete Unterbrechungsfähigkeit auszuüben.
Der Infiltrationsprozess wird nach dem Entparaffinierungsprozess ausgeführt. In dem Infiltrationsprozess wird das leitfähige Material, das Cu als eine Hauptkomponente enthält, in das Formteil in einem Vakuum bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1200 °C infiltriert, wodurch der Wasserstoffgehalt des Kontaktformteils weiter verringert wird.
Selbst wenn das Paraffin durch einen Entparaffinierungsprozess unter Verwendung einer Wasserstoffatmosphäre entfernt und der Wasserstoffgehalt des Kontaktes erhöht wird, kann Wasserstoff von dem Kontakt durch den folgenden Entparaffinierungs- und Dehydrierungsprozess anstelle des vorhergehenden Entparaffinierungsprozesss in der Stickstoffatmosphäre entfernt werden. In diesem Fall wird in dem Entparaffinierungsprozess Paraffin entfernt, indem das Formteil in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von nicht niedriger als 300 °C und nicht höher als der Schmelzpunkt des in das Formteil zu infiltrierenden leitfähigen Materials 10 min oder Länger gehalten wird, um das Paraffin zu verdampfen, bevor das Formteil dem Infiltrationsprozess ausgesetzt wird. Als nächstes wird das Formteil in dem Dehydrierungsprozess in einem Vakuum bei einer Temperatur von nicht niedriger als 900 °C und nicht höher als der Schmelzpunkt des in das Formteil infiltrierte Material 30 min oder länger gehalten. Auf diese Weise kann man einen Kontakt erhalten, der einen geringen Wasserstoffgehalt besitzt und in der Lage ist, eine ausgezeichnete Unterbrechungsfähigkeit auszuüben.
Das Paraffin kann durch ein chemisches Paraffinentfernungsverfahren anstelle der Verwendung des vorhergehenden thermischen Paraffinentfernungsverfahrens entfernt werden. Das Paraffin kann von dem Formteil entfernt werden, indem man das Formteil in eine Kohlenwasserstoffreinigungsflüssigkeit mit einem Siedepunkt im Bereich von 50 bis 200 °C, das auf eine Temperatur nicht niedriger als 40 °C und nicht höher als der Siedepunkt der Kohlenwasserstoffreinigungsflüssigkeit erwärmt wird, eintaucht und hält, um das Paraffin von dem Formteil zu extrahieren. Auf diese Weise kann man einen Kontakt erhalten, der einen geringen Wasserstoffgehalt besitzt und eine ausgezeichnete Unterbrechungsfähigkeit ausübt.
Wenn man das Paraffin durch das vorhergehende chemische Verfahren entfernt, hängt die Paraffinextraktionsrate der Kohlenwasserstoffreinigungsflüssigkeit mit einem Siedepunkt im Bereich von 50 bis 200 °C, wie etwa n-Hexan, von der Paraffinkonzentration der Reinigungsflüssigkeit ab. Deshalb ist es wesentlich, die Aufmerksamkeit darauf zu richten, die Paraffinkonzentration der Reinigungsflüssigkeit niedrig zu halten, damit eine hohe Paraffinextraktionsrate aufrechterhalten wird. Deshalb ist es bevorzugt, die Reinigungsflüssigkeit wenigstens einmal während des Entparaffinierungsprozesses auszutauschen oder von der Reinigungsflüssigkeit auf eine Reinigungsflüssigkeit mit einer niedrigeren Paraffinkonzentration umzusetzen. Auf diese Weise kann die Zeit, die nötig ist für die Entfernung des Paraffins, verkürzt werden, und dadurch können die Herstellungskosten für das Kontaktmaterial verringert werden.
Die Porosität des Formteils, das mit Cu infiltriert werden soll, kann verringert werden, indem man das feine Cu-Pulver in dem Mischprozess verwendet. Es ist auch möglich, die Porosität durch Sintern zu verringern. Ein Sinteradditiv muss der Mischung zugefügt werden, um das Formteil beim Sintern schrumpfen zu lassen. Ein Sinteradditiv, wie etwa Co, Fe, Ni oder Cr, löst sich in Cu, sodass sich eine feste Lösung bildet, die die Leitfähigkeit von Cu verringert und die stromführende Fähigkeit nachteilig beeinflusst. Deshalb muss die kleinste notwendige Menge an Sinteradditiv verwendet werden.
Wenn eine Mischung, die ein Sinteradditiv enthält, verwendet wird, ist es bevorzugt, dass die Mischung einen Co-Gehalt von 0,1 Gew.% oder darunter, einen Fe-Gehalt von 0,1 Gew.% oder darunter, einen Ni-Gehalt von 0,3 Gew.% oder darunter oder einen Cr-Gehalt von 3 Gew.% oder darunter hat. Wenn das Sinteradditiv der Mischung in einem Additivgehalt zugefügt wird, der nicht größer als der vorbestimmte Additivgehalt ist, kann der Cu-Gehalt des Kontaktes auf einen Wert begrenzt werden, der nicht größer als 50 Vol.% ist, und der Kontakt ist in der Lage, eine ausgezeichnete Abreißcharakteristik auszuüben.
Wenn das Formteil mit einer übermäßig großen Menge des Infiltrationsmaterials in dem Infiltrationsprozess infiltriert wird, kommt es manchmal vor, dass das überschüssige Infiltrationsmaterial auf der Oberfläche des Formteils fest wird und verursacht, dass das Formteil reißt, wenn das überschüssige Infiltrationsmaterial beim Verfestigen desselben schrumpft. Deshalb ist es bevorzugt, dass die Menge des Infiltrationsmaterials, das zum Infiltrieren des Formteils verwendet werden soll, im Bereich von 100 bis 110% der Menge des Infiltrationsmaterials, das nötig ist, um all die Poren des Formteils auszufüllen, liegt. Wenn das Formteil mit einer solchen Menge des Infiltrationsmaterials infiltriert wird, wird das Formteil nicht rissig, wenn sich das Infiltrationsmaterial verfestigt, und ein stabiles Kontaktmaterial kann hergestellt werden.
Man denkt, dass Risse in dem Formteil entstehen, weil das Formteil durch die seitliche Oberfläche der Form zurückgestoßen wird, wenn der Formungsdruck weggenommen wird. Eine solche Kraft, die das Formteil anstößt, kann verringert werden, indem die gegenüberliegenden Enden des Formhohlraumes jeweils in unterschiedlichen Durchmessern gebildet werden, so dass der Durchmesser eines Endes des Hohlraumes größer ist als derjenige des anderen Endes desselben, und der Formhohlraum verjüngt wird. Demgemäß ist es bevorzugt, die Form, die für die Formung des Mischpulvers in ein Formteil mit der Gestalt einer Scheibe in dem Formungsprozess verwendet werden soll, in einer Ausführung zu bilden, die es erlaubt, das Formteil aus der Form zu entnehmen, und eine Form, aus der das Formteil herausgenommen wird, in einem Innendurchmesser zu bilden, der größer als derjenige der anderen Form ist. Die Bildung von Rissen in dem Formteil kann unterdrückt werden und man kann ein stabiles Kontaktmaterial herstellen, indem man ein solches Formteil verwendet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen deutlicher werden, in denen:
1 eine Schnittansicht eines Vakuumschalters, der mit Kontakten in einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, darstellt;
2 eine vergrößerte Schnittansicht einer Elektrode, die in dem in 1 gezeigten Vakuumschalter enthalten ist, darstellt; und
3 eine Schnittansicht einer Form zum Formen eines Kontaktes für einen Vakuumschalter gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Vakuumschalter
Bezug nehmend auf 1, die einen Vakuumschalter zeigt, der mit Kontakten gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist, werden die Verschlusselemente 3a und 3b jeweils auf die gegenüberliegenden Enden eines im wesentlichen zylindrischen, isolierenden Vakuummantels 2, der aus einem isolierenden Material besteht, aufgesetzt. Metallplatten 4a und 4b werden jeweils auf die Verschlusselemente 3a und 3b aufgesetzt, so dass eine abgeschlossene, Vakuum unterbrechende Kammer 1 festgelegt wird. Leitfähige Stäbe 5 und 6 sind koaxial in der Unterbrechungskammer 1 angeordnet, und ein Paar von Elektroden 7 und 8 sind jeweils an den Enden der leitfähigen, sich gegenüberliegenden Stäbe 5 und 6 befestigt. Die obere Elektrode 7, wie in 1 zu sehen, ist eine feststehende Elektrode und die untere Elektrode 8, wie in 1 zu sehen, ist eine bewegliche Elektrode. Ein Faltenbalg 9 ist an dem leitfähigen Stab 6, der die Elektrode 8 trägt, befestigt, um den leitfähigen Stab 6 axial in der Unterbrechungskammer 1 zu bewegen, ohne dass ein in der Unterbrechungskammer 1 erzeugtes Vakuum zusammenbricht. Der Faltenbalg 9 ist mit einer aus Metall bestehenden Lichtbogenabschirmung 10 geschützt. Die Lichtbogenabschirmung 10 verhindert, dass der Faltenbalg mit einem Lichtbogendampf bedeckt wird. Eine Lichtbogenabschirmung 11 aus einem Metall ist in der Unterbrechungskammer 1 angeordnet, so dass die Elektroden 7 und 8 bedeckt sind, um zu verhindern, dass der Isolationskessel 1 mit einem Lichtbogendampf gedeckt wird. Wie in 2 gezeigt, ist die Elektrode 8 fest an dem leitfähigen Stab 6 durch Hartlöten unter Verwendung einer Hartlötlegierung 12 oder durch Einsetzen befestigt. Ein Kontakt 13a ist an der Elektrode 8 durch Hartlöten unter Verwendung einer Hartlötlegierung 14 befestigt. Auf die gleiche Weise ist ein Kontakt 13b an der Elektrode 7 durch Hartlöten befestigt.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Verbindung mit den Ergebnissen von Experimenten beschrieben.
Probelegierungskontakte
Probelegierungskontakte enthaltend TiC als eine bogenfeste Komponente in Beispielen der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen wurden hergestellt. Prozessbedingungen zum Herstellen der Probekontakte sind in Tabellen 1 und 2 aufgelistet. Bogenfeste TiC-Pulver unterschiedlicher Teilchengrößen und Hilfsmaterialien unterschiedlicher Teilchengrößen wurden verwendet. Die TiC-Pulver bzw. die Hilfsmaterialien mit spezifizierten Teilchengrößen wurden unter Verwendung eines Siebprozesses in Verbindung mit einem Absetzprozess hergestellt.
Jede der Pulvermischungen zum Bilden von Legierungskontakten in Beispielen 13 bis 15 und Vergleichsbeispielen 8 und 9 wurden hergestellt, indem eine vorbestimmte Menge TiC-Pulver einer vorbestimmten Teilchengröße und eine vorbestimmte Menge eines Cr-Pulvers einer vorbestimmten Teilchengröße gemischt wurden.
Der mittlere Teilchendurchmesser eines jeden Pulvers wird vor dem Mischprozess mit Laserbeugungs- und Streuungsmethoden unter Anwendung eines Gerätes zur Messung der Teilchengrößenverteilung (Typ: LA-700, HORIBA SEISAKUSHO KABUSIKI KAISHA, Japan) gemessen.
Jede der Mischungen zum Bilden des Grundgerüsts für die Legierungskontakte in Beispielen 16 bis 18 und Vergleichsbeispielen 10 und 11 wurden durch Mischen einer vorbestimmten Menge eines TiC-Pulvers einer vorbestimmten Teilchengröße und einer vorbestimmten Menge eines Cu-Pulvers hergestellt. Presskörper wurden hergestellt, indem die Pulvermischungen gepresst wurden. Der Presskörper für den Legierungskontakt in Beispiel 15 wurde geformt, indem eine Extrusionsform verwendet wurde, und jene für den Rest wurden unter Verwendung einer mehrteiligen Form geformt.
Die Presskörper wurden gesintert, indem diese bei einer vorbestimmten Temperatur, beispielsweise 1150 °C, für eine vorbestimmte Zeit, beispielsweise 1 Stunde, erhitzt wurden, so dass man poröse Grundgerüste erhielt.
In einem Infiltrationsprozess wurden die Grundgerüste für die Legierungskontakte in Beispielen 13 bis 15 und Vergleichsbeispielen 7 und 8 mit Cu infiltriert, und die Grundgerüste für die Legierungskontakte in Beispielen 16 bis 18 und Vergleichsbeispielen 10 und 11 wurden mit einer Cu-Cr-Legierung infiltriert, so dass man die gewünschten Legierungskontakte in Beispielen 13 bis 18 und Vergleichsbeispielen 7 bis 10 erhielt. Die Grundgerüste wurden bei 1150 °C für 1 Stunde in dem Infiltrationsprozess erhitzt.
Die Infiltrationsprozesse für die Grundgerüste für die Legierungskontakte in Beispiel 20 und Vergleichsbeispielen 11 und 12 wurden in einer Wasserstoffatmosphäre ausgeführt, und jene für den Rest wurden in einer evakuierten Atmosphäre ausgeführt. Die Infiltrationsprozesse zum Bearbeiten der Grundgerüste für die Legierungskontakte in Beispielen und Vergleichsbeispielen ausschließlich Vergleichsbeispiel 3 wurden in einer evakuierten Atmosphäre eines unter Verwendung einer Diffusionspumpe und einer Ölrotationspumpe erzeugten Vakuums von 1,7 × 10^–3 Pa bei 1000°C ausgeführt.
Jedes der Cu enthaltenden und in den Infiltrationsprozessen verwendeten Infiltrationsmaterialien wurde durch Schneiden eines durch Schmelzen eines Materialgemisches, das in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis bei einer vorbestimmten Temperatur durch einen Vakuumschmelzprozess erhaltenen Blocks hergestellt.
Das Grundgerüst für den Legierungskontakt in Beispiel 21 wurde dem Infiltrationsprozess in einem mit einem Aluminiumoxidkernrohr ausgestatteten Ofen unterzogen. Die Grundgerüste für den Rest wurden dem Infiltrationsprozess in einem Edelstahlofen mit Wänden, die mit einem feuerfesten Kohlenstoffmaterial ausgekleidet sind, unterzogen. Das Grundgerüst für den Legierungskontakt in Beispiel 20 wurde in einem Aluminiumoxidnäpfchen und jene für die Legierungskontakte in den anderen Beispielen und Vergleichsbeispielen waren in einem Kohlenstoffnäpfchen enthalten, wenn diese in dem Ofen für die Infiltration bearbeitet wurden. Die Näpfchen für die Grundgerüste für die Legierungskontakte in den Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden mit einem Aluminiumoxidpulver eingestäubt. Die Näpfchen für die Legierungskontakte in Beispiel 20 und Vergleichsbeispiel 14 wurden nicht eingestäubt.
Man beachte, dass der Wasserstoffgehalt in jedem der Kontakte durch die thermische Leitfähigkeitmethode, die in JIS Z 2614 (1990) 2.2(d) beschrieben ist, gemessen wird.
Tests zum Bewerten der Probenlegierungskontakte
(1) Test der Abreißstromcharakteristik
Ein zerlegbarer Vakuumschalter, der mit den Probenlegierungskontakten ausgestattet war, wurde aufgebaut und wurde auf ein Vakuum von 10^–5 Pa oder höher evakuiert. Die Kontakte des Vakuumschalters wurden bei einer Kontakttrenngeschwindigkeit von 0,8 m/s getrennt, um einen nacheilenden Schwachstrom zu unterbrechen, und ein Abreißstrom wurde gemessen. Der Unterbrechungsstrom war 20 A (Effektivwert) und 50 Hz. Die Kontakttrennoperation wurde bei zufälligen Phasen mit 500 Zyklen ausgeführt. Drei Paare von Kontakten in jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele wurden getestet. Messergebnisse sind in Tabelle 4 aufgelistet. In Tabelle 4 gezeigte Werte sind Relativwerte, die man durch Normieren der maximalen Messwerte mit dem Maximalwert für Beispiel 2 erhält. Die Legierungskontakte mit Relativwerten kleiner als 2,0 werden als akzeptabel angesehen.
(2) Test der stromführenden Fähigkeit
Ein Strom von 1000 A wurde an das Vakuumventil angelegt, bis sich die Temperatur des Vakuumschalters stabilisierte. Die Stromführungscharakteristik wurde auf der Grundlage einer Temperaturerhöhung bewertet, wenn sich der Vakuumschalter bei der Temperatur stabilisiert hatte. In Tabelle 4 gezeigte Werte sind Relativwerte, die man durch Normieren gemessener Temperaturerhöhungen mit der Temperaturerhöhung in dem mit den Legierungskontakten in Beispiel 2 ausgestatteten Vakuumschalter erhält. Die Legierungskontakte, die eine durch den Relativwert kleiner als 2,0 dargestellte Temperaturerhöhung verursachen, werden als akzeptabel betrachtet.
(3) Test der Starkstromunterbrechungsfähigkeit
Schaltkreiszusammenbruchstests wurden gemäß dem Testverfahren Nr. 5, spezifiziert in JEC-Standards, ausgeführt. Die Zusammensetzungen der die Probenlegierungskontakte bildenden Materialien und die Ergebnisse der Tests (1) bis (3) sind in Tabellen 3 und 4 aufgelistet.
Überprüfung der experimentellen Ergebnisse
Die Zusammensetzung des jeden der Legierungskontakte bildenden Materials und Daten über die Charakteristiken der Legierungskontakte werden mit Bezug zu den Tabellen 1 bis 4 überprüft.
Erneut: Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2
Das Infiltrationsmaterial für Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 und 2 war eine Cu-1Gew.%Cr-Legierung. Das bogenfeste Material hatte einen mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm. Die relativen Dichten der Grundgerüste wurden eingestellt, um den Gehalt des bogenfesten Materials im Bereich von 24,2 bis 53,3 Gew.% zu variieren.
Beispiele 1 bis 3, die jeweils einen Gehalt der bogenfesten Komponente im Bereich von 30 bis 50 Gew.% haben, waren befriedigend in Zusammenbruchscharakteristik, Abreißcharakteristik und Stromführungscharakteristik.
Die Unterbrechungsfähigkeit des Vergleichsbeispiels 1 mit einem Gehalt der bogenfesten Komponente größer als diejenigen der Beispiele 1 bis 3 war abzulehnen.
Der relative maximale Unterbrechungsstrom des Vergleichsbeispieles 2 mit einem Gehalt der bogenfesten Komponente kleiner als derjenige von Beispielen 1 bis 3 war größer als 2,0.
Erneut: Beispiele 4 bis 6 und Vergleichsbeispiele 3 und 4
Das Infiltrierende Material für Beispiele 4 bis 6 und Vergleichsbeispiele 3 und 4 war eine Cu-1Gew.%Cr-Legierung. Ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm wurde verwendet. Die Legierungen, die die Legierungskontakte bildeten, hatten einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.%. Cu-TiC-Legierungen mit jeweils unterschiedlichem Wasserstoffgehalt im Bereich von 0,1 bis 70 ppm wurden unter Verwendung von TiC-Pulvern hergestellt, die jeweils der Atmosphäre für unterschiedliche Zeitspannen ausgesetzt wurden, bevor sie in die Grundgerüste infiltriert wurden, und indem der Grad des Vakuums bei 100 °C unmittelbar vor der Infiltration eingestellt wurde.
Alle Beispiele 4 bis 6, die die Cu-Ti-Legierungen mit Wasserstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 50 ppm verwenden, waren in der Stromunterbrechungsfähigkeit, Abreißstromcharakteristik und Stromführungsfähigkeit befriedigend. Vergleichsbeispiel 3, das die Cu-Ti-Legierung mit einem Wasserstoffgehalt von 0,1 ppm verwendet, war unbefriedigend in der Abreißstromcharakteristik und war abzulehnen.
Der Infiltrationsprozess muss in einem hohen Vakuum von 1,7 × 10^–3 Pa ausgeführt werden, um den Wasserstoffgehalt auf einen Wert zu dem des vom Vergleichsbeispiel 3 verwendeten Cu-TiC zu verringern. Es stellte sich jedoch heraus, dass dem TiC in einem solchen hohen Vakuum Kohlenstoff entzogen und Ti erzeugt wird und sich infolgedessen die Abreißstromcharakteristik verschlechtert. Außerdem ist die Apparatur zum Erzeugen eines Hochvakuums, die geeignet ist für die Massenproduktion, sehr teuer und die Verwendung einer solchen teueren Apparatur erhöht die Herstellungskosten und ist wirtschaftlich nachteilig.
Vergleichsbeispiel 4 unter Verwendung einer Cu-TiC-Legierung mit einem Wasserstoffgehalt von 70 ppm sendete Wasserstoffgas aus, wenn die Kontakte getrennt wurden, und die Unterbrechungsfähigkeit war abzulehnen.
Erneut: Beispiele 7 bis 9 und Vergleichsbeispiel 5
Alle jene Legierungskontakte wurden unter Verwendung einer Cu-1Gew.%Cr-Legierung als das infiltrierende Material gebildet. Die Legierung, die die Legierungskontakte bildete, hatte einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente von etwa 40 Gew.%. Bogenfeste Materialien mit jeweils einem mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von 0,8 bis 10 μm wurden verwendet. Die Zusammensetzung wurde durch Einstellen des Formdrucks eingestellt.
Beispiele 7 bis 9 unter Verwendung der bogenfesten Materialien mit einem mittleren Teilchendurchmesser von nicht größer als 8 μm waren befriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit und Abreißstromcharakteristik.
Die Unterbrechungsfähigkeit des Vergleichsbeispieles 5 unter Verwendung des bogenfesten Materials mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 10 μm war abzulehnen.
Erneut: Beispiele 10 bis 12 und Vergleichsbeispiele 6 und 7
All jene Legierungskontakte wurden unter Verwendung einer Cu-Cr-Legierung als das infiltrierende Material und eines bogenfesten Materials mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm gebildet. Die Legierungen, die die Legierungskontakte bildeten, hatten einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.%. Ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,8 μm wurde verwendet.
Infiltrationsmaterialien mit jeweils Cr-Gehalten im Bereich von 0,15 bis 2,90 Gew.% bezogen auf die Summe der jeweiligen Mengen von Cu und Cr wurden verwendet.
Die Grundgerüste der Beispiele 10 und 12 unter Verwendung der Infiltrationsmaterialien mit Cr-Gehalten (bezogen auf die Summe der jeweiligen Mengen von Cu und Cr) im Bereich von 0,2 bis 2,0 Gew.% wurden befriedigend mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert.
Im Vergleichsbeispiel 6 unter Verwendung des Infiltrationsmaterials mit einem Cr-Gehalt von 0,15 Gew.% (bezogen auf die Summe der jeweiligen Mengen von Cu und Cr) ist die Wirkung von Cr nicht vollständig wirkungsvoll. Infolgedessen war Vergleichsbeispiel 6 übermäßig porös und seine stromführende Fähigkeit war unbefriedigend.
Im Vergleichsbeispiel 7 mit einem übermäßig großen Cr-Gehalt von 2,90 Gew.% löst sich das übermäßige Cr in Cu, so dass eine feste Lösung entsteht. Infolgedessen hatte Vergleichsbeispiel 7 eine sehr niedrige Leitfähigkeit, eine schlechte stromführende Fähigkeit und abzulehnende Unterbrechungsfähigkeit.
Erneut: Beispiele 13 bis 15 und Vergleichsbeispiele 8 und 9
All jene Legierungskontakte wurden unter Verwendung von Cu als das infiltrierende Material und eines bogenfesten Materials mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm gebildet. Die Legierungen, die die Legierungskontakte bildeten, hatten einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.%. Der Cr-Gehalt bezogen auf die Summe der leitfähigen Komponenten in der Legierung (d.h., bezogen auf die Summe der jeweiligen Gehalte von Cu und Cr in der Legierung) wurde im Bereich von 0,15 bis 3,50 Gew.% variiert, indem man den Cr-Gehalt des Grundgerüsts einstellte.
Die Grundgerüste des bogenfesten Materials von Beispielen 13 bis 15 mit einem Cr-Gehalt im Bereich von 0,25 bis 2,5 Gew.% (bezogen auf die Summe der leitfähigen Komponenten) werden befriedigend mit dem leitfähigen Material infiltriert.
Die Wirkung von Cr, das in der leitfähigen Komponente von Vergleichsbeispiel 8 mit einer Cr-Komponente von 0,15 Gew.% enthalten ist, ist nicht vollständig wirkungsvoll und Vergleichsbeispiel 8 hatte eine übermäßig poröse Struktur, und somit war die stromführende Fähigkeit davon unbefriedigend.
In Vergleichsbeispiel 9 mit einem übermäßig hohen Cr-Gehalt von 3,5 Gew.% löst sich übermäßiges Cr in Cu, so dass eine feste Lösung gebildet wird. Infolgedessen war die Leitfähigkeit sehr niedrig, die stromführende Fähigkeit war schlecht und die Unterbrechungsfähigkeit war abzulehnen.
Erneut: Beispiele 16 bis 18 und Vergleichsbeispiele 10 und 11
Ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm wurde verwendet. Grundgerüste, die Cu in Cu-Gehalten im Bereich von 5,5 bis 42,5 Gew.% enthielten, wurden verwendet. Eine Cu-1Gew.%Cr-Legierung wurde als ein Infiltrationsmaterial verwendet. Die relativen Dichten der Grundgerüste wurden so eingestellt, dass die Kontaktlegierungen einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.% hatten.
In Beispielen 16 bis 18 unter Verwendung der Grundgerüste jeweils mit Cu-Gehalten im Bereich von 10 bis 40 Gew.% werden die aus den bogenfesten Materialien gebildeten Grundgerüste mit dem leitfähigen Material befriedigend infiltriert.
Das Grundgerüst des Vergleichsbeispiels 10 mit einem Cu-Gehalt von 5,5 Gew.% wurde unvollständig mit dem leitfähigen Material infiltriert und Vergleichsbeispiel 10 war keine geeignete Probe für die Charakteristikbewertung.
Vergleichsbeispiel 11 mit einem übermäßig hohen Cu-Gehalt von 42,5 Gew.% hatte eine sehr inhomogene Struktur, und der relative Wert des maximalen Abreißstromes lag über 2,0.
Erneut: Beispiel 19 und Vergleichsbeispiel 12
Beispiel 19 und Vergleichsbeispiel 12 wurden gebildet, indem man ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm, Grundgerüste mit einem Cu-Gehalt von 16 Gew.% und eine Cu-1Gew%Cr-Legierung als ein Infiltrationsmaterial verwendete. Die relativen Dichten der Grundgerüste wurden so eingestellt, dass die Kontaktlegierungen einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.% hatten.
Das Grundgerüst von Beispiel 19 und das Infiltrationsmaterial wurden in ein Kohlenstoffnäpfchen, das mit Aluminiumoxidpulver ausgekleidet war, gegeben und das Grundgerüst wurde einem Infiltrationsprozess in einem Kohlenstoffofen in einem Vakuum ausgesetzt.
Das Grundgerüst des Vergleichsbeispiels 12 und das Infiltrationsmaterial wurden in ein Kohlenstoffnäpfchen, das mit Aluminiumoxidpulver ausgekleidet war, gegeben und das Grundgerüst wurde einem Infiltrationsprozess in einem Kohlenstoffofen in einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt.
Das Grundgerüst von Beispiel 19 wurde befriedigend mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert. Die Oberfläche des Infiltrationsmaterials für das Vergleichsbeispiel 12 wurde mit einer dünnen Cr-Carbidschicht beschichtet und das Grundgerüst für das Vergleichsbeispiel 12 wurde nicht korrekt infiltriert und Vergleichsbeispiel 12 war nicht geeignet für eine Bewertung.
Erneut: Beispiel 20 und Vergleichsbeispiel 13
Beispiel 20 und Vergleichsbeispiel 13 wurden gebildet, indem man ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm, Grundgerüste mit einem Cu-Gehalt von 16 Vol.% und eine Cu-1Gew.%Cr-Legierung als ein Infiltrationsmaterial verwendete. Die relativen Dichten der Grundgerüste wurden so eingestellt, dass die Kontaktlegierungen einen Gehalt der leitfähigen Komponente (Cu + Cr-Gehalt) von 60 Gew.% und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.% hatten.
Das Grundgerüst von Beispiel 20 und das Infiltrationsmaterial wurden in ein Aluminiumoxidnäpfchen gegeben und das Grundgerüst wurde einem Infiltrationsprozess in einem Aluminiumoxidofen in einer Wasserstoffatmosphäre unterzogen.
Das Grundgerüst von Vergleichsbeispiel 13 und das Infiltrationsmaterial wurden in ein Kohlenstoffnäpfchen, das mit Aluminiumoxidpulver ausgekleidet war, gegeben, und das Grundgerüst wurde einem Infiltrationsprozess in einem Aluminiumoxidofen in einer Wasserstoffatmosphäre unterzogen.
Das Grundgerüst von Beispiel 20 wurde befriedigend mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert.
Die Oberfläche des Infiltrationsmaterials für das Vergleichsbeispiel 13 wurde mit einer dünnen Cr-Carbidschicht beschichtet und das Grundgerüst für das Vergleichsbeispiel 13 wurde nicht korrekt infiltriert und Vergleichsbeispiel 13 war nicht geeignet für eine Bewertung.
Erneut: Beispiel 21 und Vergleichsbeispiel 14
Beispiel 21 und Vergleichsbeispiel 14 wurden gebildet, indem man ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,3 μm, Grundgerüste mit einem Cu-Gehalt von 16 Vol.% und eine Cu-1Gew.%Cr-Legierung als ein Infiltrationsmaterial verwendete. Die relativen Dichten der Grundgerüste wurden so eingestellt, dass die Kontaktlegierungen einen Gehalt der leitfähigen Komponente von 60 Gew.% (cu + Cr-Gehalt) und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.% hatten.
Das Grundgerüst von Beispiel 21 und das Infiltrationsmaterial wurden in ein Kohlenstoffnäpfchen, das mit Aluminiumoxidpulver ausgekleidet war, gegeben und das Grundgerüst wurde einem Infiltrationsprozess in einem Kohlenstoffofen in einem Vakuum unterzogen.
Das Grundgerüst vom Vergleichsbeispiel 14 und das Infiltrationsmaterial wurden direkt in ein Kohlenstoffnäpfchen gegeben und das Grundgerüst wurde einem Infiltrationsprozess in einem Kohlenstoffofen in einem Vakuum unterzogen.
Das Grundgerüst von Beispiel 21 wurde befriedigend mit dem Infiltrationsmaterial infiltriert.
Die Oberfläche des Infiltrationsmaterials für Vergleichsbeispiel 14 wurde mit einer dünnen Cr-Carbidschicht beschichtet und das Grundgerüst für Vergleichsbeispiel wurde nicht korrekt infiltriert und Vergleichsbeispiel 14 war nicht geeignet für eine Bewertung.
Erneut: Beispiel 22 und Vergleichsbeispiel 15 wurden gebildet, indem man ein bogenfestes Material mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0,8 μm, Grundgerüste mit einem Cu-Gehalt von 16 Vol.%, und einer Cu-1Gew.%Cr-Legierung als ein Infiltrationsmaterial verwendete. Die relativen Dichten der Grundgerüste wurden so eingestellt, dass die Kontaktlegierungen einen Gehalt der leitfähigen Komponente von 60 Gew.% (cu + Cr-Gehalt) und einen Gehalt der bogenfesten Komponente (TiC-Gehalt) von etwa 40 Gew.% hatten.
Ein befriedigender Presskörper für Beispiel 22 wurde gebildet, indem man eine mehrteilige Form verwendete. Ein Presskörper für Vergleichsbeispiel 15, der unter Verwendung einer Extrusionsform gebildet wurde, war rissig und inhomogen. Somit war Vergleichsbeispiel 15 ungeeignet für eine Bewertung.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung offensichtlich wird, produziert das Kontaktherstellungsverfahren einen Kontakt für einen Vakuumschalter durch Formen eines Pulvers eines bogenfesten Kontaktmaterials, wie etwa TiC oder VC, das eine kleine Menge von Cr als ein Additiv in einem Presskörper enthält, Sintern des Presskörpers in einer Atmosphäre, in der Cr sich nicht mit Kohlenstoff verbindet, so dass man ein Grundgerüst eines bogenfesten Materials erhält, und Infiltrieren des Grundgerüsts mit einem leitfähigen Material. In dem bogenfesten Material enthaltenes Cr verbessert die Benetzbarkeit von TiC und Cu und fördert die Infiltration von Cu in das Grundgerüst.
Ergebnisse der Bewertung von Kontakten, die aus einem bogenfesten Material, das VC enthielt, gebildet wurden und jene, die aus einem bogenfesten Material, das TiC und VC enthielt, gebildet wurden, waren die gleichen wie jene der Bewertung der Kontakte, die wie oben beschrieben aus bogenfesten Materialien, die TiC enthielten, gebildet wurden. Die Wirkung der Zugabe von Zr war die gleiche als die der Zugabe von Cr.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse beschrieben.
Verfahren zum Herstellen von Proben
Ein Herstellungsverfahren für Kontakte schließt als Grundprozess ein:
Einen Mischprozess zum Herstellen eines Gemisches aus 84 Volumenteilen TiC-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 1,5 μm, 16 Volumenteilen Cu-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 40 μm und 15 Vol.% eines Paraffins;
einen Formungsprozess zum Formen des Gemisches in einer Pressform von 1,1 im Verhältnis des Durchmessers einer Öffnung auf einer Entnahmeseite zu dem einer Öffnung an der gegenüberliegenden Seite, durch Anlegen eines Drucks von 4 Tonnen an das Gemisch um ein Formteil herzustellen;
einen Entparaffinierungsprozess zum Erhitzen des Formteil auf 300 °C für 2 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre; und
einem Infiltrationsprozess zum Infiltrieren des entparaffinierten Formteils mit einem Volumen von Cu gleich 0,05 Mal demjenigen der in dem Formteil durch Erhitzen des Formteils bei 1150 °C für 30 min in einem Vakuum gebildeten Poren.
Die vorhergehenden Prozesse (d.h. das oben genannte Kontaktherstellungsverfahren) werden im Folgenden als Grundprozesse bezeichnet.
Das Formteil kann in dem Infiltrationsprozess bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1200 °C anstelle von 1150 °C erhitzt werden. In Tabellen 5 bis 7 ist jeder der Werte, die die Mengen der Infiltrationsmaterialien angeben, das Verhältnis V_a/V_b, wobei V_a das Volumen des Infiltrationsmaterials ist und V_b das Volumen der Poren des Formteils ist.
Wie in 3 gezeigt, hat die in dem Formungsprozess angewendete Form einen Hohlraum mit einem Durchmesserverhältnis D_a/D_b = 1,1, wobei D_a der Durchmesser eines Formteilentnahmeendes des Hohlraumes ist und D_b der Durchmesser eines dem Formteilentnahmeende gegenüberliegenden Endes desselben ist, und der Hohlraum der Form entsprechend dem darin zu formenden Formteil eine Höhe H_a hat, und ein Teil des Hohlraumes, mit einer Höhe H_b gleich 80 bis 100% der Höhe H_a des Hohlraums, kegelförmig ist.
Man beachte, dass man in der Beschreibung der zweiten Ausführungsform die Zahlenwerte, die als Volumenprozent oder Vol.% ausgedrückt sind, durch Berechnung auf der Grundlage der Gewichte und spezifischen Gewichte (Dichten) der entsprechenden Komponenten, die in der Legierung oder dem Gemisch enthalten sind, erhält. Volumina der entsprechenden Komponenten wurden nicht gemessen.
Bewertung von Probenkontakten
Das Verfahren zum Bewerten von Probekontakte in Beispielen der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispielen werden beschrieben.
Kontakte wurden unter unterschiedlichen Prozessbedingungen, die durch selektives Bestimmen der Prozessparameter der vorhergehenden Grundprozesse bestimmt wurden, hergestellt. Die Zusammensetzung von Materialien, die die Kontakte bildeten, in denen keinerlei Risse gebildet wurden, wurde analysiert, die Leitfähigkeit und der Gasgehalt derselben Kontakte wurden gemessen und die Unterbrechungsfähigkeit und Abreißstromcharakteristiken derselben Kontakte wurden bewertet. Die Formteile, die aus Materialien, die ein Paraffin enthielten, gebildet und durch den entparaffinierenden Prozess bearbeitet wurden, wurden einer Messung des Entparaffinierungsverhältnisses unterzogen. Die Probenkontakte wurden den folgenden Tests unterzogen, um ihre Unterbrechungsfähigkeit, Abreißstromcharakteristiken und Leitfähigkeit zu bewerten.
(1) Test der Abreißstromcharakteristik
Ein Zusammenbruch-Vakuumschalter, der mit den Probelegierungskontakten ausgestattet war, wurde aufgebaut und wurde auf ein Vakuum von 10^–5 Pa oder höher evakuiert. Die Kontakte des Vakuumschalters wurden mit einer Kontakttrennungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s getrennt, um einen kleinen Strom zu unterbrechen und es wurde ein Abreißstrom gemessen. Der Unterbrechungsstrom war 20 A (Effektivwert) und 50 Hz. Die Kontakttrennoperation wurde bei zufälligen Phasen mit 500 Zyklen ausgeführt. Drei Paare von Kontakten desselben Typs wurden getestet. Messergebnisse sind in Tabellen 8 bis 10 aufgelistet. Werte, die in den Tabellen 8 bis 10 gezeigt werden, sind Relativwerte, die man durch Normieren gemessener Werte mit einem Schwellenabreißstrom, der als ein Kriterium dient, auf dem sich die Entscheidung über die Akzeptanz gründet, erhält.
(2) Test der Stromführungscharakteristik
Die Leitfähigkeit der Kontakte wurde mit einem Leitfähigkeitsmessgerät eines Wirbelstrommesssystems gemessen.
(3) Test der Starkstromunterbrechungsfähigkeit
Stromkreiszusammenbruchstests wurden gemäß der in den JEC-Standards spezifizierten Testmethode Nr. 5 ausgeführt. Die Ergebnisse der Tests (1) bis (3) sind in den Tabellen 8 bis 10 aufgelistet.
Werte der Prozessparameter der Prozesse zum Herstellen der Kontakte und die Beschaffenheit des Kontakts im Sinne von Rissen sind in den Tabellen 5 bis 7 aufgeführt. Ergebnisse der Bewertung der Charakteristiken sind in den Tabellen 8 bis 10 dargestellt.
Ergebnisse der Experimente
Die Beschaffenheit der Materialien, die die Kontakte bilden, und die Charakteristiken der Kontakte werden mit Bezug auf die Tabellen 5 bis 10 geprüft.
Erneut: Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 bis 9
Kontakte in Beisielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 bis 9 wurden durch Bearbeiten von Gemischen mit jeweils unterschiedlichen Cu-Gehalten im Bereich von 16 bis 43 Vol.% und unterschiedlichen Paraffingehalten im Bereich von 0 bis 50 Vol.% hergestellt, wie in den Tabellen 5 bis 8 gezeigt. die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie diejenigen der Grundprozesse.
Man beachte, dass der Paraffingehalt folgendermaßen berechnet wurde:
(Paraffin/die Summe von TiC-Pulver, Cu-Pulver und Paraffin)
Formteile für die Vergleichsbeispiele 1, 4 und 7, die aus den Gemischen, die kein Paraffin enthielten, gebildet wurden und Formteile für die Vergleichsbeispiele 2, 5 und 8, die aus Gemischen mit einem Paraffingehalt von 3 Vol.% gebildet wurden, wurden rissig. Formteile für die Beispiele 1 bis 6 mit jeweils unterschiedlichen Paraffingehalten im Bereich von 5 bis 30 Vol.% wurden überhaupt nicht rissig. Kontakte in Beispielen 1 bis 6 waren befriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit und der stromführenden Fähigkeit.
Die Kontakte in den Vergleichsbeispielen 3, 6 und 9, die durch Bearbeiten der Gemische mit einem Paraffingehalt von 50 Vol.% gebildet wurden, hatten Cu-Gehalte, die 55 Vol.% überschritten und hatten unbefriedigende Abreißstromcharakteristiken. Der Cu-Gehalt eines Kontaktes, der durch Bearbeiten eines Formteils eines Gemisches mit einem übermäßig großen Paraffingehalt gebildet wurde, wurde unvermeidlich größer, weil Räume, die in dem Formteil durch Entparaffinierung gebildet wurden, mit Cu aufgefüllt werden, wenn das Formteil der Infiltration unterzogen wurde.
Erneut: Beispiele 7 und 8 und Vergleichsbeispiele 10 und 11
Gemische für die Beispiele 7 und 8 und Vergleichsbeispiele 10 und 11 enthalten TiC unterschiedlicher Teilchengrößen im Bereich von 0,2 bis 5 μm, wie in den Tabellen 5 und 8 gezeigt. Die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie die der Grundprozesse.
Ein Formteil für das Vergleichsbeispiel 10, das durch Bearbeiten eines Gemisches enthaltend TiC einer Teilchengröße von 0,2 μm gebildet wurde, wurde rissig.
Formteile für die Beispiele 7 und 8, die durch Bearbeiten von Gemischen enthaltend TiC unterschiedlicher Teilchengrößen im Bereich von 0,3 bis 3 μm gebildet wurden, wurden überhaupt nicht rissig. Kontakte in Beispielen 7 und 8 waren befriedigend in der Leitfähigkeit, Unterbrechungsfähigkeit und stromführenden Fähigkeit.
Der Kontakt im Vergleichsbeispiel 11, der durch Bearbeiten eines Gemisches enthaltend TiC einer Teilchengröße von 5 μm gebildet wurde, war nicht befriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit.
Erneut: Beisiele 9 und 10 und Vergleichsbeispiel 12
Gemische für die Beispiele 9 und 10 und Vergleichsbeispiel 12 enthalten Cu unterschiedlicher Teilchengrößen im Bereich von 5 bis 150 μm, wie in Tabellen 5 und 8 gezeigt.
Die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie die der Grundprozesse.
Ein Formteil für das Vergleichsbeispiel 12, das durch Bearbeiten eines Gemisches enthaltend Cu einer Teilchengröße von 150 μm gebildet wurde, wurde rissig.
Formteile für die Beispiele 9 und 10, die durch Bearbeiten von Gemischen enthaltend Cu mit Teilchengrößen nicht größer als 100 μm gebildet wurden, wurden überhaupt nicht rissig. Kontakte in den Beispielen 9 und 10 waren zufrieden stellend in der Leitfähigkeit, Unterbrechungsfähigkeit und stromführender Fähigkeit.
Erneut: Beispiele 11 und 12 und Vergleichsbeispiele 13 bis 18
Formteile für Beispiele 11 und 12 und Vergleichsbeispiele 13 bis 18 wurden dem Entparaffinierungsprozess jeweils unter Verwendung einer Stickstoffatmosphäre, einer Wasserstoffatmosphäre bzw. unterschiedlichen Prozesstemperaturen im Bereich von 200 bis 600 °C unterzogen. Die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie die der Grundprozesse.
Das Paraffin konnte nicht vollständig von Formteilen für die Vergleichsbeispiele 13 und 15, die bei 200 °C für die Entparaffinierung bearbeitet wurden, entfernt werden, und die auf den Entparaffinierungsprozess folgenden Prozesse konnten nicht ausgeführt werden.
Formteile für die Beisiele 11 und 12, die bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 500 °C in einer Stickstoffatmosphäre bearbeitet wurden, wurden zufrieden stellend entparaffiniert und Kontakte in den Beispielen 11 und 12 waren befriedigend in der Zusammenbruchscharakteristik, den Abreißstromcharakteristiken und stromführenden Charakteristiken.
Ein Kontakt in Vergleichsbeispiel 14, der durch Bearbeiten eines Formteils, das bei 600 °C in einer Stickstoffatmosphäre entparaffiniert wurde, hatte einen übermäßig hohen Sauerstoffgehalt und war nicht zufrieden stellend in der Zusammenbruchscharakteristik, was man so betrachtete, dass im Stickstoff enthaltener Sauerstoff eine Oxidation verursachte.
Kontakte in den Vergleichsbeispielen 16 bis 18, die durch Bearbeiten von Formteilen, die in einer Wasserstoffatmosphäre entparaffiniert wurden, hatten übermäßig große Wasserstoffgehalte und waren unbefriedigend in der Zusammenbruchscharakteristik.
Erneut: Beispiele 13 bis 16 und Vergleichsbeispiele 19 bis 20
Formteile wurden in einer Wasserstoffatmosphäre entparaffiniert und wurden einem Dehydrierungsprozess bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1000 °C für 0,2 bis 1,0 Stunden in einem Vakuum ausgesetzt, wie in Tabellen 6 und 9 bezeigt, nachdem sie mit dem Entparaffinierungsprozess bearbeitet wurden. Die anderen Testbedingungen waren die gleichen wie die der Grundprozesse.
Wasserstoff konnte nicht vollständig von einem Formteil für Vergleichsbeispiel 20, das bei 1000 °C für 0,2 Stunden dehydriert wurde, entfernt werden und die Zusammenbruchscharakteristik eines Kontaktes im Vergleichsbeispiel 20 war abzulehnen. Kontakte in den Beispielen 13 und 16, die durch Bearbeiten von Formteilen, die bei Temperaturen nicht niedriger als 900 °C für 0,5 Stunden oder länger dehydriert wurden, hatten ausreichend niedrige Wasserstoffgehalte und waren zufrieden stellend in der Unterbrechungsfähigkeit, den Abreißstromcharakteristiken und stromführenden Charakteristiken.
Erneut: Beispiele 17 und 18 und Vergleichsbeispiele 21 und 22
Formteile wurden dem Entparaffinierungsprozess bei Temperaturen im Bereich von 200 bis 1100 °C in einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt, und wurden dann einem Dehydrierungsprozess bei 1000 °C für 1,0 Stunden in einem Vakuum wie in Tabellen 6 und 9 gezeigt ausgesetzt. Die anderen Testbedingungen waren die gleichen wie die der Grundprozesse.
Ein Formteil des Vergleichsbeispiels 21, das bei 200 °C entparaffiniert wurde, war nicht befriedigend entparaffiniert und das Formteil konnte nicht den folgenden Prozessen unterzogen werden.
Kontakte in den Beispielen 17 und 18, die durch Bearbeiten von Formteilen, die bei Temperaturen nicht niedriger als 300 °C und nicht höher als 1083 °C entsprechend dem Schmelzpunkt der leitfähigen Komponente entparaffiniert wurden, hatten ausreichend kleine Wasserstoffgehalte und waren zufrieden stellend in der Unterbrechungsfähigkeit, den Abreißstromcharakteristiken und der Fähigkeit zum Stromführen.
Wasserstoff konnte nicht zufrieden stellend von einem Formteil für das Vergleichsbeispiel 21, das bei 1100 °C entparaffiniert wurde, entfernt werden und ein Kontakt, der durch Bearbeiten des selben Formteils gebildet wurde, war unbefriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit, was der Verbindung von in dem geschmolzenen Paraffin enthaltenen Wasserstoff mit der leitfähigen Komponente aufgrund der übermäßig hohen Entparaffinierungstemperatur, die den Schmelzpunkt der leitfähigen Komponente übersteigt, zugeschrieben werden kann.
Erneut: Beispiele 19 bis 22 und Vergleichsbeispiele 23 und 24
Der Entparaffinierungsprozess wurde bei Temperaturen im Bereich von 30 bis 68 °C für die Beispiele 19 bis 22 und Vergleichsbeispiele 23 und 24 in einer Atmosphäre von n-Hexan ausgeführt. N-Hexan wurde ein- oder zweimal ausgetauscht, wenn die Paraffinkonzentration von n-Hexan übermäßig anstieg, wie in Tabellen 6 und 9 gezeigt. Die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie die der Grundprozesse.
Ein Formteil für Vergleichsbeispiel 23, das unter Verwendung von n-Hexan, das auf 30 °C erwärmt wurde, und mit einmaligem Austauschen von n-Hexan, entparaffiniert wurde und ein Formteil für das Vergleichsbeispiel 24, das unter Verwendung n-Hexan, das auf 68 °C erwärmt wurde und n-Hexan nicht ausgetauscht wurde, entparaffiniert wurde, wurden nicht zufrieden stellend entparaffiniert, und die Formteile konnten nicht den darauf folgenden Prozessen unterzogen werden. Formteile für die Beispiele 19 bis 22, die unter Verwendung von n-Hexan, das auf Temperaturen im Bereich von 40 bis 68 °C erwärmt wurde und das n-Hexan wenigstens einmal ausgetauscht wurde, entparaffiniert wurden, waren zufrieden stellend entparaffiniert und bildeten Kontakte, die befriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit, den Abreißstromcharakteristiken und der stromführenden Fähigkeit waren.
Erneut: Beispiele 23 bis 30 und Vergleichsbeispiele 25 bis 28
Kleine Mengen von den Sinteradditiven Co, Fe, Ni und Cr wurden dem Gemisch von TiC und Cu zugefügt, die Formteile wurden entparaffiniert und die Formteile wurden bei 1150 °C für 2 Stunden in einem Vakuum gesintert, so dass Grundgerüste gebildet wurden (Tabellen 7 und 10). Die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie die der Grundprozesse.
Man beachte, dass die Gehalte der Sinteradditive wie folgt berechnet werden:
(Sinteradditive/Summe von TiC-Pulver, Cu-Pulver, Paraffin und Sinteradditiven)
Die Kontakte in den Vergleichsbeispielen 25 bis 28 mit jeweils Co-Gehalten größer als 0,1 Gew.%, Fe-Gehalten größer als 0,1 Gew.%, Ni-Gehalten größer als 0,3 Gew.% und Cr-Gehalten größer als 3 Gew.% hatten niedrige Leitfähigkeiten nicht größer als 20 IACS-Prozent.
Die Kontakte in Beispielen 23 bis 30 mit Co-Gehalten nicht größer als 0,1 Gew., Fe-Gehalten nicht größer als 0,1 Gew.%, Ni-Gehalten nicht größer als 0,3 Gew.% und Cr-Gehalten nicht größer als 3 Gew.% waren befriedigend in der Unterbrechungsfähigkeit, den Abreißstromcharakteristiken und der Stromführungsfähigkeit.
Erneut: Beispiele 31 und 32 und Vergleichsbeispiele 29 und 30
In dem Infiltrationsprozess wurden Grundgerüste für Beispiele 31 und 32 bzw. Vergleichsbeispiele 29 und 30 mit Mengen von Infiltrationsmaterial im Bereich von 90 bis 120 des Volumens der Poren der Grundgerüste infiltriert (Tabellen 7 und 10). Die anderen Testbedingungen sind die gleichen als die der Grundprozesse.
Das Grundgerüst für das Vergleichsbeispiel 29, das mit einer Menge des Infiltrationsmaterials gleich 90% des Volumens der Poren davon infiltriert wurde, hatte ein übermäßig großes Porenvolumen und ein Kontakt im Vergleichsbeispiel 29 hatte einen sehr großen Sauerstoffgehalt, eine geringe Leitfähigkeit und eine schlechte Unterbrechungscharakteristik.
Grundgerüste für die Beisiele 31 und 22, die Mengen von Infiltrationsmaterial gleich 100 bis 110% des Porenvolumens enthielten, hatten kleine Porenvolumina, und wurden nicht rissig. Kontakte in den Beispielen 31 und 32 waren zufrieden stellend in der Unterbrechungsfähigkeit, Abreißstromcharakteristik und Stromführungsfähigkeit.
Ein Kontakt in Vergleichsbeispiel 30, der eine Menge des Infiltrationsmaterial gleich 120% des Porenvolumens enthielt, hatte innere Risse. Es wird gefolgert, dass die Risse gebildet werden, wenn das übermäßige Infiltrationsmaterial fest wird und schrumpft.
Erneut: Beispiele 33 bis 35 und Vergleichsbeispiel 31
Formteile für Beispiele 33 bis 35 und Vergleichsbeispiel 31 wurden durch Formen von Gemischen, die keinerlei Paraffin enthielten, unter Verwendung von Kompressionsformen mit D_a/D_b-Verhältnissen im Bereich von 1,0 bis 2,0 gebildet (Tabellen 7 und 10). Die anderen Testbedingungen sind die gleichen wie die der Grundprozesse.
Ein Formteil für das Vergleichsbeispiel 31, das unter Verwendung des Kompressionsformen mit einem D_a/D_b-Verhältnis von 1,0 gebildet wurde, wurde rissig und konnte nicht geformt werden. Formteile für Beispiele 33 bis 35, die unter Verwendung von Formen mit D_a/Db-Verhältnissen nicht kleiner als 1,1 gebildet wurden, wurden nicht rissig. Kontakte in Beispielen 33 bis 35 waren zufrieden stellend in der Unterbrechungsfähigkeit, Abreißstromcharakteristik und Stromführungsfähigkeit.
Obwohl die Cu-TiC-Kontakte beschrieben worden sind, kann das Kontaktherstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wirkungsvoll auch auf die Herstellung von Cu-VC-Kontakten angewendet werden.
Außerdem kann, obwohl Cu als ein leitfähiges Material in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, eine auf Cu basierende Legierung, die andere leitfähige Komponente(n) wie etwa Zr oder Cr enthält als ein leitfähiges Material verwendet werden.
Es ist offensichtlich für den Fachmann, dass der Entparaffinierungprozess befriedigend erzielt werden kann, indem man ein Kohlenwasserstoff-Reinigungsmittel mit einem Siedepunkt von 50 °C oder darüber, wie etwa ein Petroläther, ein Petrolnaphthen oder ein Gemisch dieser Kohlenwasserstoffe anstelle von n-Hexan verwendet.
Tabelle 4

Claims

Kontaktmaterial für Kontakte für einen Vakuumschalter, wobei das Material folgendes umfasst: (a) 50 bis 70 Gew.% eines leitenden Materials, enthaltend Cu als Hauptkomponente; (b) 30 bis 50 Gew.% von TiC oder VC mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 8 μm oder weniger, die als bogenfeste Komponente dienen; und (c) (i) 0,2 bis 2,0 Gew.% Cr, relativ zu der Summe der jeweiligen Mengen an Cr und Cu; oder (ii) 0,2 bis 2,0 Gew.% Zr, relativ zu der Summe der jeweiligen Mengen an Zr und Cu; wobei das Kontaktmaterial einen Wasserstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 50 ppm aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kontakts für einen Vakuumschalter, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bildung eines Grundgerüsts aus einem Pulver, enthaltend ein TiC-Pulver oder VC-Pulver als Hauptkomponente und mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 8 μm oder weniger; und Bereitstellung eines Infiltrationsmaterials, enthaltend eine auf Cu basierende Legierung mit einem Cr-Gehalt im Bereich von 0,2 bis 2,0 Gew.% oder eine auf Cu basierende Legierung mit einem Zr-Gehalt im Bereich von 0,2 bis 2,0 Gew.%; und Infiltration des Grundgerüsts mit diesem Infiltrationsmaterial; wobei der Kontakt 30 bis 50 Gew.% des Grundgerüsts und 50 bis 70 Gew. des Infiltrationsmaterials enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das TiC-Pulver einen mittleren Teilchendurchmesser von 8 μm oder weniger aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Pulver, aus dem das Grundgerüst gebildet wird, einen Cu-Gehalt im Bereich von 10 bis 40 Gew.% aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt der Infiltration des Grundgerüsts in evakuierter Atmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 1 × 10^–1Pa durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Schritt der Infiltration des Grundgerüsts in einem Ofen mit Wänden durchgeführt wird, die mit einem feuerfesten Material ausgekleidet sind, enthaltend nur ein Oxid und/oder ein Nitrid, und wobei das Grundgerüst in einem Tiegel plaziert wird, bestehend aus einem Oxid oder einem Nitrid.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei mindestens entweder das feuerfeste Material des Ofens oder der Tiegel, die bei dem Schritt der Infiltration des Grundgerüsts verwendet werden, aus einem kohlenstoffhaltigen Material gebildet werden, und wobei das Infiltrationsmaterial und das Grundgerüst von dem kohlenstoffhaltigen Material durch eine Platte, einen Block oder ein Pulver von Al₂O₃ isoliert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Schritt der Bildung des Grundgerüsts eine mehrteilige äußere Form verwendet.
Verfahren zur Herstellung eines Kontakts für einen Vakuumschalter, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bildung eines Grundgerüsts mit einer Teilchengröße von 8 μm oder weniger aus einem Pulver, enthaltend mindestens TiC oder VC als Hauptkomponenten und enthaltend 0,25 bis 2,3 Gew.% Cr oder Zr; und Infiltration des Grundgerüsts mit einem Infiltrationsmaterial, enthaltend Cu als Hauptkomponente; wobei der Kontakt 30 bis 50 Gew.% des Grundgerüsts und 50 bis 70 Gew.% des Infiltrationsmaterials umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das TiC-Pulver einen mittleren Teilchendurchmesser von 8 μm oder weniger aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Pulver, aus dem das Grundgerüst gebildet wird, einen Cu-Gehalt im Bereich von 10 bis 40 Gew.% aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Schritt der Infiltration des Grundgerüsts in evakuierter Atmosphäre bei einem Druck von nicht mehr als 1 × 10^–1 Pa durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Schritt der Infiltration des Grundgerüsts in einem Ofen mit Wänden durchgeführt wird, die mit einem feuerfesten Material ausgekleidet sind, enthaltend nur ein Oxid und/oder ein Nitrid, und wobei das Grundgerüst in einem Tiegel plaziert wird, bestehend aus einem Oxid oder einem Nitrid.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei mindestens entweder das feuerfeste Material des Ofens oder der Tiegel, die bei dem Schritt der Infiltration des Grundgerüsts verwendet werden, aus einem kohlenstoffhaltigen Material gebildet werden, und wobei das Infiltrationsmaterial und das Grundgerüst von dem kohlenstoffhaltigen Material durch eine Platte, einen Block oder ein Pulver von Al₂O₃ isoliert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Schritt der Bildung des Grundgerüsts eine geteilte äußere Form verwendet.
Verfahren zur Herstellung eines Kontakts, enthaltend 40 bis 55 Vol.% eines leitenden Materials, enthaltend Cu als Hauptkomponente und 45 bis 60 Vol.% eines bogenfesten Materials, enthaltend TiC oder VC als Hauptkomponente für einen Vakuumschalter, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vermischen von Pulver des bogenfesten Materials mit einer Teilchengröße im Bereich von 0,3 bis 3 μm, Pulver von Cu und Paraffin zur Herstellung einer Mischung; Formen der Mischung, hergestellt im Mischschritt, zur Bildung eines Grundgerüsts; und Infiltration des Grundgerüsts, geformt im Formschritt, mit einem leitenden Material; wobei die Menge des Cu-Pulvers zu einem Cu-Gehalt im Bereich von 16 bis 43 Vol.%, relativ zu der Summe der jeweiligen Mengen des bogenfesten Materials und des Cu-Pulvers korrespondiert und die Menge des Paraffins zu einem Paraffingehalt im Bereich von 5 bis 30 Vol.%, relativ zu der Summe der jeweiligen Mengen des bogenfesten Materials, des Paraffins und des Cu-Pulvers korrespondiert.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Cu-Pulver, das im Mischschritt verarbeitet wird, eine Teilchengröße von 100 μm oder weniger aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 17, weiterhin umfassend einen Schritt zum Entfernen von Paraffin, der nach dem Formschritt und vor dem Infiltrationsschritt durchgeführt werden soll, um das Paraffin aus dem Formling zu verdampfen und zu entfernen, indem der Formling auf eine Temperatur von 300 bis 500°C für 10 Minuten oder länger in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt wird; wobei der Formling im Infiltrationsschritt auf eine Temperatur im Bereich von 1.100 bis 1.200°C im Vakuum erwärmt wird und das leitende Material Cu als Hauptkomponente enthält und in das Grundgerüst infiltriert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, weiterhin umfassend: einen Schritt zur Entfernung von Paraffin zum Verdampfen und Entfernen des Paraffins aus dem Formling, indem der Formling bei einer Temperatur von 300°C oder mehr, aber nicht mehr als dem Schmelzpunkt des leitenden Materials in einer Wasserstoffatmosphäre gehalten wird; und einen Dehydrierungsschritt zum Dehydrieren des Formlings durch Halten des Formlings im Vakuum bei einer Temperatur von nicht weniger als 900°C und nicht mehr als dem Schmelzpunkt des leitenden Materials, infiltriert in den Formling, für 30 Minuten oder mehr; wobei der Schritt zum Entfernen des Paraffins und der Dehydrierungsschritt nach dem Formprozess und vor dem Infiltrationsschritt durchgeführt werden, und wobei der Formling im Infiltrationsschritt auf eine Temperatur im Bereich von 1.100 bis 1.200°C erwärmt wird, um den Formling mit dem leitenden Material, enthaltend Cu als Hauptkomponente, zu infiltrieren.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, weiterhin umfassend einen Schritt zum Entfernen von Paraffin, der nach dem Formschritt und vor dem Infiltrationsschritt durchgeführt werden soll, um das Paraffin aus dem Formling zu extrahieren und zu entfernen, indem der Formling für eine bestimmte Zeit in eine Kohlenwasserstoff-Reinigungsflüssigkeit mit einem Siedepunkt im Bereich von 50 bis 200°C eingetaucht und auf eine Temperatur von nicht weniger als 40°C und nicht mehr als dem Siedepunkt davon erwärmt wird; wobei der Formling in dem Infiltrationsschritt auf eine Temperatur im Bereich von 1.100 bis 1.200°C erwärmt wird, um den Formling mit dem leitenden Material, enthaltend Cu als Hauptkomponente, zu infiltrieren.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Schritt zur Entfernung des Paraffins folgendes beinhaltet: eine erste Stufe, auf der der Formling in eine erste Reinigungsflüssigkeit für eine bestimmte Zeit zur Extraktion des Paraffins daraus eingetaucht wird; und eine zweite Stufe, bei der der Formling in eine zweite Reinigungsflüssigkeit mit einer niedrigeren Paraffinkonzentration als derjenigen der ersten Reinigungsflüssigkeit in einem Zustand eingetaucht wird, nachdem die erste Reinigungsflüssigkeit zur Extraktion des Paraffins aus dem Formling in der ersten Stufe verwendet wurde.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei in dem Mischschritt 0,1 Gew.% oder weniger Cu, 0,1 Gew.% oder weniger Fe, 0,3 Gew.% oder weniger Ni oder 3 Gew.% oder weniger Cr, relativ zu der Summe der Mengen der Mischung, zugefügt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die Menge des in dem Infiltrationsschritt verwendeten Infiltrationsmaterials 100 bis 110% der Menge entspricht, die notwendig ist, um die Poren in dem Formling aufzufüllen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die im Formschritt verwendete Form zur Bildung des Formlings durch Formen der Mischung eine Formhöhlung aufweist, die den Formling in die Form einer Scheibe formen kann und wobei sich die Formhöhlung verjüngt, so dass der Durchmesser von einem Ende, durch das der Formling aus der Form genommen wird, größer ist als derjenige des anderen Endes.