EP0172411A1 - Vakuumschütz mit Kontaktstücken aus CuCr und Verfahren zur Herstellung dieser Kontaktstücke - Google Patents

Vakuumschütz mit Kontaktstücken aus CuCr und Verfahren zur Herstellung dieser Kontaktstücke Download PDF

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EP0172411A1
EP0172411A1 EP85108917A EP85108917A EP0172411A1 EP 0172411 A1 EP0172411 A1 EP 0172411A1 EP 85108917 A EP85108917 A EP 85108917A EP 85108917 A EP85108917 A EP 85108917A EP 0172411 A1 EP0172411 A1 EP 0172411A1
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EP
European Patent Office
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contact
melting
contact pieces
additives
copper
Prior art date
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EP85108917A
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English (en)
French (fr)
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EP0172411B1 (de
Inventor
Heinrich Dr. Hässler
Reiner Müller
Horst Dr. Kippenberg
Wilfried Kuhl
Joachim Grosse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP0172411A1 publication Critical patent/EP0172411A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0172411B1 publication Critical patent/EP0172411B1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H01H1/0206—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches containing as major components Cu and Cr

Definitions

  • the invention relates to the new use of a melting material made of copper and chrome as a contact material for use in switching tubes of vacuum contactors.
  • the invention also relates to the contact material itself and to methods for its production, to contact pieces made of this material and method for its production, and to special contact arrangements in switching tubes for vacuum contactors.
  • circuit breakers Materials made of copper and chrome are known from the prior art. If they are used as contact materials, they are used throughout for vacuum circuit breakers. In such circuit breakers, for example medium-voltage circuit breakers, it is important to switch equally high voltages in the kV range and high currents in the kA range. Since the switching frequency of circuit breakers is comparatively low, their lifespan is designed for switching numbers of a few 10 4 .
  • the vacuum contactors also belong to the vacuum switchgear class. These are characterized by their long service life, whereby switching numbers> - 10 6 at nominal current are usually aimed for.
  • the material for contact pieces of vacuum contactors is due to the necessary long life particularly high demands are made with regard to the burning behavior.
  • short-circuit switching currents of up to about 5 kA must be safely managed during the entire service life; on the other hand , a favorable welding behavior, ie a low welding force, must be required at the same time, so that the opening of the contact pieces is ensured even after short-circuit inrush currents.
  • the maximum frequency of the Abre ßstrom values should be well below 5 A.
  • tungsten As a high melting component and is therefore particularly resistant to erosion, is used while the copper (Cu) h as a thermally highly conductive material and electrically osteotomy, an over it prevents, for ung the button.
  • Cu copper
  • WCu materials are produced by sintering of a scaffold from the high melting point component and then impregnating DIE se s scaffold with the low melting point component, even the effect of the Ge can equally rüstkühlung through the lower boiling material against overheating be utilized.
  • Whitening power to reduce the chopping current and Sch are customarily further metallic components such as tellurium or antimony, added.
  • a typical structure of a tungsten-copper contact surface that is subject to frequent switching therefore contains torn and scale-shaped areas.
  • the above surface structures naturally limit the switching properties and thus the service life of the contact material. So far, the contact material has been optimized for the specifically required properties by choosing suitable concentration ratios and specific powder particle sizes. However, there is a need in particular in the area of low voltage to look for other contact materials with improved erosion behavior.
  • tungsten copper WCu
  • the material sought should be a composite material in order to take advantage of the favorable properties of this contact material class. It was recognized that the described unfavorable combustion structure of tungsten copper is primarily due to the strongly differing vapor pressures of the two metals used to date. The invention was based on the finding that it was necessary to look for a metal combination whose components, despite different other properties, have similar vapor pressures where possible. Such a combination is especially given by a material based on chrome and copper.
  • a material based on chromium and copper is known per se as a contact material. So far, however, this has advantageously been used as a contact piece in the case of vacuum medium-voltage circuit breakers which are highly loaded in terms of current and voltage. For this area of application, the cheap, flat burn-up pattern and the resulting good dielectric strength are used. Because here. no high number of switching operations are required, the burnout rate of chromium-copper, which is considerable at high breaking currents, can easily be tolerated there.
  • Chromium-copper materials have been considered by the art as unsuitable for vacuum contactors in particular because of the presumed rate of burn in Va k uum elaboratesschalter.
  • such a differentiation of the field of application of the known contact materials from the monograph by A. Keil et alii "Electrical contacts and their materials", (Springer Verlag 1984), Chap. 4.3 "Switchgear", especially Table 4.7, p. 359, can be removed.
  • the erosion resistance of this material could be proven especially under contactor conditions, with which such a material easily meets the required number of switching operations of ⁇ 10 6 at nominal current while maintaining the short-circuit current breaking capacity.
  • measurements with a nominal current of 600 A and approximately 10 6 switching operations resulted in a height loss of ⁇ mm per contact.
  • a burnout of L 1 mm per contact piece was also found with a switching number of 3.10 5 .
  • a melting material with a composition in mass proportions of about 25 to 60% is suitable for the above use. It was found that such a contact material already has sufficient properties after the melt metallurgical production, preferably by means of arc melting. This material already has a line-shaped alignment of Cr dendrites. So that this line-shaped alignment of the Cr dendrites runs perpendicular to the button of the contact pieces, the melting material is preferably formed so that there is a directional structure perpendicular to the button. Forming is preferably carried out by full forward extrusion with a degree of deformation> 60%.
  • the requirements for the material can generally be met by the base material chromium-copper.
  • the required properties can also be improved by adding tellurium, antimony, bismuth and / or tin.
  • Various methods are possible for introducing such additives, for example melting, diffusing in or storing in depressions.
  • switching tubes of a vacuum contactor can also have an unpaired contact arrangement with contact pieces made of melting materials of different additives, without losing the advantageous properties in switching operation.
  • a melting block is to be produced by the arc melting process: for example, the blank should have the dimensions of 80 mm in diameter and 400 mm in length.
  • the powder mixture of appropriate composition is pressed isostatically at a pressure of 3000 bar and then sintered in a vacuum at temperatures just below 'or, in the case of the formation of a liquid phase, about 50 ° C. above the copper melting point.
  • the sintered blank is used as a melting electrode in an arc melting furnace and remelted under helium as a protective gas.
  • the arc current must be at least 1000 A for the given dimensions.
  • the melted electrode material solidifies in a water-cooled copper mold.
  • compositions in mass fractions of 60% copper and 40% chromium instead of the composition in mass fractions of 60% copper and 40% chromium, other compositions in the range between 25 and 60% chromium can also be selected.
  • a semi-finished product for contact pieces is then produced from the melting block thus produced by arc melting by full forward extrusion.
  • degrees of deformation of more than 60% are used, for example of 78%.
  • a bar diameter of 35 mm results from a blank diameter of 75 mm as a semifinished product.
  • This semifinished product has a directional structure, in which the chrome dendrites present in the material are now present in a row-like orientation with a preferred direction. If, after a possible twisting off of the surfaces with impurities, disks of 5 mm thickness are cut off from this rod as contact pieces, a button perpendicular to the present directional structure inevitably results.
  • Example 2 After metallurgical production as in Example 1, the melting block with a diameter of 80 mm is cut into 5 mm slices. Three contact pieces with a diameter of 35 mm can then be punched out of these disks.
  • the contact pieces manufactured according to example 1 or 2 can be installed in the switching tubes of vacuum contactors. However, as described in Examples 3 to 5 in connection with the figures, special additional components can also be introduced into the contact pieces beforehand.
  • Contact pieces of the composition are to be produced in proportions by mass of 58.5% copper (Cu), 38.5% chromium (Cr) and 3% tellurium (Te): for this purpose, contact pieces are first made according to Example 1 by arc melting and subsequent shaping Copper and chrome made, which is a composition in bulk proportions of 60% copper and 40% chromium is selected. Tellurium should be alloyed into the contact disks after forming and cutting.
  • a CuCr disk 1 is introduced into a correspondingly designed graphite crucible 2 with a graphite paper 3 interposed.
  • Tellurium powder 4 is applied in excess to the surface of the CuCr disk 1.
  • the crucible 2 is then heated to 1150 ° C. and held under protective gas for about 1 hour. The result is a contact piece 5 of the required composition, the tellurium offered being alloyed in quantitatively.
  • the tellurium content can range from 0.1 to 10% depending on the requirements for welding force and tear-off current.
  • Contact pieces of the composition in mass fractions of 48.5% copper (Cu), 48.5% chromium (Cr) and 3% antimony (Sb) are to be produced.
  • contact pieces of the composition in mass fractions of 50% copper and 50% chromium are produced again by arc melting and subsequent forming.
  • the antimony is introduced by diffusion: For this purpose, a recess is worked into the contact piece, into which the antimony is inserted.
  • a copper-chrome contact piece 20 is formed with a recess 21 approximately as a cup. It is on an Al 2 O 3 plate 22.
  • Antimony powder 23 is brought into the recess of the contact piece 20.
  • a diffusion zone 24 with the above-mentioned concentration forms in the copper-chromium disk. The depth formation and antimony concentration of the diffusion zone 24 can be controlled via the temperature holding time and the antimony supply.
  • FIG. 3 An alternative possibility is illustrated with the aid of FIG. 3: Here there is a copper-chrome disk 30 in an A1 2 0 3 crucible 31, which is covered with a plate 32 made of carbon. There is an excess of antimony powder 33 between the base plate of the A1203 crucible 31 and the copper-chrome disk 30. After heating to about 1000 ° C., a diffusion zone 34 forms from the bottom after about 2 hours. The depth of the diffusion zone is specified in accordance with the expected erosion.
  • disk-shaped contact pieces of the composition are first again made in mass proportions of, for example, 50% copper and copper using the process described in Example 1 or 2 50% chrome made.
  • depressions are worked into the surfaces of these contact disks, for example as a central bore, in the form of several bores or as an annular groove.
  • Metals or alloys with a melting point below the melting point of the copper-chromium eutectic are then introduced into the depressions as granules or a suitable form.
  • the metals tellurium, antimony or the alloys antimontelluride, bismuth telluride and tin telluride have proven to be advantageous.
  • the additional components are melted in the recesses.
  • FIG. 4 A CuCr disk 40 with a central bore 41 is located in a graphite crucible 42 with a lid 43. The additional components are introduced into the bore 41. After melting, it forms a thin layer 46 on the top surface of the contact piece 40, which serves as a button.
  • a contact arrangement for vertical installation in a switching tube can advantageously be designed in such a way that one contact piece made of copper and chromium consists of one of the compositions specified in Example 1 or 2, while the associated opposite contact piece consists of copper and chromium with specific Additions exist.
  • the latter contact piece can be designed according to Examples 3 to 5.
  • the contact piece above can consist of pure melting material with or without deformation.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die neue Vewendung eines Schmelzwerkstoffes aus Kupfer und Chrom als Kontaktwerkstoff für den Einsatz in Schaltröhren von Vakuumschützen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf den Kontaktwerkstoff selbst und Verfahren zu dessen Herstellung, auf Kontaktstücke aus diesem Werkstoff und Verfahren zu deren Fertigung sowie auf spezielle Kontaktanordnungen in Schaltröhren für Vakkuumschütze. Mit der Erfindung wird ein neues Anwendungsgebiet für obige Schmelzwerkstoffe aufgezeigt Bisher wurden für Schütze durchweg Sintertränkwerkstoffe auf der Basis von Wolfram und Kupfer verwendet. Es wurde nunmehr nachgewiesen, daß Schmelzwerkstoff aus Kupfer und Chrom, insbesondere nach einer Verformung, in hervorragender Weise als Kontaktwerkstoff für Vakuumschütze geeignet ist. In Kontaktstücke aus solchem Schmelzwerkstoff können gezielt, d.h. auch lokal, weitere Zusatzkomponenten, beispielsweise durch Einlegierungen oder Eindiffundieren, eingebracht werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die neue Verwendung eines Schmelzwerkstoffes aus Kupfer und Chrom als Kontaktwerkstoff für den Einsatz in Schaltröhren von Vakuumschützen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf den Kontaktwerkstoff selbst und auf Verfahren zu dessen Herstellung, auf Kontaktstücke aus diesem Werkstoff und Verfahren zu deren Fertigung sowie auf spezielle Kontaktanordnungen in Schaltröhren für Vakuumschütze.
  • Werkstoffe aus Kupfer und Chrom sind vom Stand der Technik bekannt. Sofern sie als Kontaktwerkstoffe eingesetzt werden, dienen sie durchweg der Verwendung für Vakuum-Leistungsschalter. Bei solchen Leistungsschaltern, beispielsweise Mittelspannungs-Leistungsschaltern, kommt es darauf an, gleichermaßen hohe Spannungen im kV-Bereich und hohe Ströme im kA-Bereich zu schalten. Da die Schalthäufigkeit bei Leistungsschaltern vergleichsweise gering ist, wird deren Lebensdauer auf Schaltzahlen von einigen 104 ausgelegt.
  • In die Klasse der Vakuumschaltgeräte gehören neben den Leistungsschaltern auch die Vakuumschütze. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Lebensdauer aus, wobei üblicherweise Schaltzahlen >- 106 bei Nennstrom angestrebt werden.
  • An das Material für Kontaktstücke von Vakuumschützen werden aufgrund der notwendigen langen Lebensdauer besonders hohe Anforderungen speziell hinsichtlich des Abbrandverhaltens gestellt. Es müssen während der gesamten Lebensdauer einerseits Kurzschlußschaltströme bis etwa 5 kA sicher beherrscht werden; andererseits muß zugleich ein günstiges Schweißverhalten, d.h. eine niedrige Schweißkraft, gefordert werden, so daß das Öffnen der Kontaktstücke auch nach Kurzschlußeinschaltströmen gewährleistet ist. Das Häufigkeitsmaximum der Abreißstromwerte soll dabei deutlich unter 5 A liegen.
  • Es ist bekannt, als Kontaktmaterial für Vakuumschütze einen Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram und Kupfer einzusetzen. Dabei wird das Wolfram (W) als hochschmelzende und damit besonders abbrandfeste Komponente genutzt, während das Kupfer (Cu) als elektrisch und thermisch gutleitendes Material eine Uber- hitzung der Schaltfläche verhindert. Da solche WCu-Werkstoffe durch Sintern eines Gerüstes aus der hochschmelzenden Komponente und anschließendes Tränken die- ses Gerüstes mit der niedrigschmelzenden Komponente erzeugt werden, kann gleichermaßen auch der Effekt der Gerüstkühlung durch das niedriger siedende Material gegen die Überhitzung genutzt werden. Zur Senkung der Schweißkraft und des Abreißstromes werden dabei üblicherweise weitere metallische Komponenten, beispielsweise Tellur oder Antimon, hinzugefügt.
  • Werkstoffe auf der Basis Wolfram und Kupfer werden für Va- kuumschütze im Hochspannungsbereich mit Schaltströmen bis ca. 3 kA erfolgreich eingesetzt. Durch gestiegene techni- sche Anforderungen bezüglich Schaltströme und Schaltzah- len, insbesondere im Bereich der Niederspannungstechnik bis 1 kV, sind Verbesserungen des Kontaktwerkstoffes notwendig, die WCu-Werkstoffe nur bedingt erfüllen. Der Grund liegt im speziellen Abbrandmechanismus dieses Systems: Bei Lichtbogenbelastung wird zwar in den Kathodenfußpunkten aufgrund der extrem hohen Temperaturen Kupfer und Wolfram zugleich aufgeschmolzen und verdampft, in den Randbereichen der Fußpunkte mit ihrer geringeren Temperaturbelastung wird jedoch bevorzugt Kupfer aus dem Gerüst abgedampft. Nach Ablauf zahlreicher Nennstromschaltungen oder nach einer Reihe von Hochstromschaltungen kann es dadurch zu lokalen Kupfer-Verarmungen im Gefüge und damit zur Bildung von wolframreichen Stellen in der Schaltfläche kommen. Eine typische Struktur einer durch häufiges Schalten belasteten Wolfram-Kupfer-Kontaktfläche enthält daher aufgerissene und schuppenförmge Bereiche.
  • Obige Oberflächenstrukturen begrenzen aus dielektrischen und thermischen Gründen natürlicherweise die Schalteigenschaften und damit die Lebensdauer des Kontaktwerkstoffes. Bisher wurde durch Wahl geeigneter Konzentrationsverhältnisse und spezifischer Pulverteilchengrößen der Kontaktwerkstoff auf die speziell geforderten Eigenschaften optimiert. Es besteht aber insbesondere im Bereich der Niederspannung das Bedürfnis, nach anderen Kontaktmaterialien mit verbessertem Abbrandverhalten zu suchen.
  • Aufgabe der Erfindungist es daher, einen Kontaktwerkstoff zu finden, der möglichst die gleich guten Schalteigenschaften wie Wolfram-Kupfer (WCu) im Anfangszustand besitzt, der aber darüber hinaus durch ein günstigeres Abbrandverhalten eine ungefährdet große Lebensdauer bei durchgehend gleichbleibender hoher Kurzschlußstromfestigkeit aufweist.
  • Die Aufgabe ist durch die Verwendung eines Schmelzwerkstoffes aus Chrom und Kupfer gelöst. Es wurde gefunden, daß nach dem Verfahren gemäß der deutschen Patentanmeldung P 33 03 170.3 hergestellte Kupfer-Chrom-Schmelzlegierungen in hervorragender Weise als Kontaktwerkstoff in Schaltröhren von Vakuumschützen im Niederspannungs-und Hochspannungsbereich geeignet sind.
  • Der Erfindung ging eine Analyse der metallurgischen und insbesondere der thermodynamischen Verhältnisse voraus: Das gesuchte Material sollte ein Verbundwerkstoff sein, um die günstigen Eigenschaften dieser Kontaktwerkstoffklasse zu nutzen. Es wurde erkannt, daß die beschriebene ungünstige Abbrandstruktur von Wolfram-Kupfer vor allem auf die stark differierenden Dampfdrücke der beiden bisher verwendeten Metalle zurückzuführen ist. Der Erfindung lag nun die Erkenntnis zugrunde, daß nach einer Metallkombination gesucht werden mußte, deren Komponenten trotz unterschiedlicher anderer Eigenschaften nach Möglichkeit ähnliche Dampfdrücke aufweisen. Eine solche Kombination ist speziell durch einen Werkstoff auf der Basis Chrom und Kupfer gegeben.
  • Wie bereits eingangs erwähnt ist ein Werkstoff auf der Basis von Chrom und Kupfer als Kontaktwerkstoff an sich bekannt. Dieser wurde aber bisher vorteilhafterweise als Kontaktstück bei strom- und spannungsmäßig hochbelasteten Vakuum-Mittelspannungs-Leistungsschaltern benutzt. Für diesen Einsatzbereich wird das günstige ebene Abbrandbild und die daraus resultierende gute dielektrische Festigkeit genutzt. Da hierbei. keine hohen Schaltzahlen gefordert sind, kann dort die bei hohen Ausschaltströmen erhebliche Abbrandrate von Chrom-Kupfer leicht toleriert werden.
  • Insbesondere aufgrund der vermuteten Abbrandrate im Va- kuumleistungsschalter wurden bisher Chrom-Kupfer-Werkstoffe von der Fachwelt als untauglich für Vakuumschütze angesehen. Beispielsweise ist eine solche Differenzierung des Einsatzbereiches der bekannten Kontaktwerkstoffe aus der Monographie von A. Keil et alii "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", (Springer Verlag 1984), Kap. 4.3 "Schaltgeräte", insbes. Tabelle 4.7, S. 359, entnehmbar.
  • Mit der Erfindung wurde nun überraschenderweise erkannt, daß ein Werkstoff auf der Basis Chrom-Kupfer auch für Vakuumschütze verwendbar ist. Damit wird das bei der Fachwelt herrschende Vorurteil überwunden!
  • Wider Erwarten konnte die Abbrandfestigkeit dieses Materials speziell unter Schützbedingungen nachgewiesen werden, womit ein solcher Werkstoff die geforderten Schaltzahlen von ≥ 106 bei Nennstrom unter Beibehaltung der Kurzschlußstromausschaltfähigkeit leicht erfüllt. Beispielsweise ergaben Messungen mit 600 A Nennstrom bei ungefähr 106 Schaltungen einen Höhenabbrand von ∠ mm pro Kontaktstück. Bei verdoppeltem Nennstrom wurde bei einer Schaltzahl von 3.105 ebenfalls ein Abbrand von L 1 mm pro Kontaktstück festgestellt.
  • Eine Erklärung des obigen unerwartet günstigen Abbrandverhaltens dürfte in der gegenüber den Leistungsschaltern anderen Lichtbogenausbildungen bei Vakuumschützen zu suchen sein. Dabei bildet insbesondere das ähnliche Abdampfverhalten aufgrund der weitgehend gleichen Dampfdruckkurven beider Komponenten die..wesentliche Grundlage.
  • Durch Versuche konnte bestätigt werden, daß im Rahmen der Erfindung ein Schmelzwerkstoff für obige Verwendung mit einer Zusammensetzung in Massenanteilen von etwa 25 bis 60 % geeignet ist. Es ergab sich, daß ein solcher Kontaktwerkstoff bereits nach der schmelzmetallurgischen Herstellung, vorzugsweise durch Lichtbogenschmelzen, hinreichende Eigenschaften aufweist. Schon dieses Material weist eine zeilenförmige Ausrichtung von Cr-Dendriten auf. Damit diese zeilenförmige Ausrichtung der Cr-Dendrite senkrecht zur Schaltfläche der Kontaktstücke verläuft, wird der Schmelzwerkstoff vorzugsweise umgeformt, so daß sich ein Richtgefüge senkrecht zur Schaltfläche ergibt. Das Umformen erfolgt vorzugsweise durch Vollvorwärtfließpressen mit einem Umformgrad > 60 %.
  • Es hat sich gezeigt, daß die Anforderungen an den Werkstoff, wie insbesondere niedrige Schweißkraft und niedrige Abreißströme, im allgemeinen vom Grundwerkstoff Chrom-Kupfer erfüllt werden können. In speziellen Fällen können aber die geforderten Eigenschaften auch über spezifische Zusätze von Tellur, Antimon, Wismut und/oder Zinn verbessert werden. Zum Einbringen solcher Zusätze sind verschiedene Verfahren, beispielsweise Einschmelzen, Eindiffundieren oder Einlagern in Vertiefungen, möglich.
  • Daneben hat sich gezeigt, daß Schaltröhren eines Vakuumschützes auch eine unpaarige Kontaktanordnung mit Kontaktstücken aus Schmelzwerkstoffen unterschiedlicher Zusätze aufweisen können, ohne die vorteilhaften Eigenschaften im Schaltbetrieb zu verlieren.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der teilweise auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen wird.
  • Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung die FIG 1 bis 4 verschiedene Möglichkeiten zur Einbringung spezifischer Zusätze in Kontaktstücke.
    • Beispiel 1:
  • Aus einer Pulvermischung der Zusammensetzung in Massenanteilen von 60 % Kupfer (Cu) und 40 % Chrom (Cr) soll ein Schmelzblock nach dem Lichtbogenschmelzverfahren hergestellt werden: Beispielsweise soll der Rohling die Abmessungen von 80 mm Durchmesser und 400 mm Länge haben. Dazu wird die Pulvermischung entsprechender Zusammensetzung isostatisch bei einem Druck von 3000 bar gepreßt und anschließend im Vakuum bei Temperaturen knapp unterhalb' oder im Falle der Ausbildung einer flüssigen Phase etwa 50 *C oberhalb des Kupferschmelzpunktes gesintert. Der gesinterte Rohling wird als Abschmelzelektrode in einem Lichtbogenschmelzofen eingesetzt und unter Helium als Schutzgas umgeschmolzen. Um die geforderte hohe Energiedichte zu erreichen, muß der Lichtbogenstrom bei den gegebenen Abmessungen wenigstens 1000 A betragen. Das abgeschmolzene Elektrodenmaterial erstarrt in einer wassergekühlten Kupferkokille.
  • Statt der Zusammensetzung in Massenanteilen von 60 % Kupfer und 40 % Chrom können.auch andere Zusammensetzungen im Bereich zwischen 25 und 60 % Chrom gewählt werden.
  • Aus dem so durch Lichtbogenschmelzen erzeugten Schmelzblock wird anschließend durch Vollvorwärtsfließpressen ein Halbzeug für Kontaktstücke hergestellt. Dabei werden Umformgrade von mehr als 60 % angewandt, z.B. von 78 %. In diesem Fell ergibt sich nach Abdrehen des Schmelzblocks aus einem Rohlingdurchmesser von 75 mm ein Stangendurchmesser von 35 mm als Halbzeug Dieses Halbzeug weist ein Richtgefüge auf, bei dem jetzt insbesondere die im Werkstoff vorhandenen Chrom-Dendrite in zeilenförmiger Ausrichtung mit Vorzugsrichtung vorliegen. Werden nun von dieser Stange, nach einem eventuellen Abdrehen der Oberflächen mit Verunreinigungen, Scheiben von bespielsweise 5 mm Stärke als Kontaktstücke abgeschnitten, so ergibt sich zwangsläufig eine Schaltfläche senkrecht zum vorliegenden Richtgefüge.
    • Beispiel 2
  • Nach schmelzmetallurgischer Herstellung, wie bei Beispiel 1, wird der Schmelzblock mit 80mm Durchmesser in Scheiben von 5 mm geschnitten. Aus diesen Scheiben können dann drei Kontaktstücke von 35 mm Durchmesser herausgestanzt werden.
  • Die nach Beispiel 1 bzw. 2 gefertigten Kontaktstücke können in die Schaltröhren von Vakuumschützen eingebaut werden. Es können aber zuvor-, wie anhand der Beispiele 3 bis 5 in Verbindung mit den Figuren beschrieben wird, auch spezielle Zusatzkomponenten in die Kontaktstücke eingebracht werden.
    • Beispiel 3:
  • Es sollen Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 58,5 % Kupfer (Cu), 38,5 % Chrom (Cr) und 3 % Tellur (Te) hergestellt werden: Zu diesem Zweck werden zunächst entsprechend Beispiel 1 durch Lichtbogenschmelzen und anschließendes Umformen Kontaktstücke aus Kupfer und Chrom gefertigt, wozu eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 60 % Kupfer und 40 % Chrom gewählt wird. In die nach Umformung und Abschneiden vorliegenden Kontaktscheiben soll Tellur einlegiert werden.
  • Letzteres wird anhand FIG 1 im einzelnen verdeutlicht: Eine CuCr-Scheibe 1 wird in einen entsprechend ausgebildeten Graphit-Tiegel 2 unter Zwischenlage eines Graphit-Papiers 3 eingebracht. Auf die Oberfläche der CuCr-Scheibe 1 wird Tellurpulver 4 im Überschuß aufgebracht. Anschließend wird der Tiegel 2 auf 1150 'C erhitzt und etwa 1 Stunde bei Schutzgas gehalten. Es ergibt sich ein Kontaktstück 5 der geforderten Zusammensetzung, wobei das angebotene Tellur quantitativ einlegiert ist.
  • Der Tellurgehalt kann entsprechend den Anforderungen an Schweißkraft und Abreißstrom von 0,1 bis 10 % betragen.
  • In gleicher Weise wie für Tellur (Te) beschrieben, können auch Antimon (Sb), Wismut (Bi) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen dieser Metalle in die Kontaktstücke eingebracht werden. ,
    • Beispiel 4:
  • Es sollen Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 48,5 % Kupfer (Cu), 48,5 % Chrom (Cr) und 3 % Antimon (Sb) hergestellt werden. Zunächst werden wieder Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 50 % Kupfer und 50 % Chrom durch Lichtbogenschmelzen und anschließendem Umformen gefertigt. Nach Abtrennen der Scheiben wird das Antimon durch Diffusion eingebracht: Dazu wird in das Kontaktstück eine Vertiefung eingearbeitet, in die das Antimon eingelegt wird.
  • Letzteres wird anhand FIG 2 im einzelnen verdeutlicht: Ein Kupfer-Chrom-Kontaktstück 20 ist mit einer Vertiefung 21 in etwa als Napf ausgebildet. Es steht auf einer Al2O3-Platte 22. In die Vertiefung des Kontaktstückes 20 wird Antimonpulver 23 gebracht. Nach Erhitzen auf etwa 1000 *C unter Schutzgas und Halten für etwa 2 Stunden bildet sich eine Diffusionszone 24 mit der oben angegebenen Konzentration in der Kupfer-Chrom-Scheibe aus. Die Tiefenausbildung sowie Antimonkonzentration der Diffusionszone 24 läßt sich über die Temperaturhaltezeit sowie über das Antimonangebot steuern.
  • Anhand der FIG 3 ist eine alternative Möglichkeit verdeutlicht: Hier befindet sich eine Kupfer-Chromscheibe 30 in einem A1203-Tiegel 31, der mit einer Platte 32 aus Kohlenstoff abgedeckt ist. Zwischen der Grundplatte des A1203-Tiegels 31 und der Kupfer-Chrom-Scheibe 30 ist Antimonpulver 33 im Überschuß vorhanden. Nach Erhitzung auf etwa 1000 'C bildet sich nach ca 2 Stunden von unten ausgehend eine Diffusionszone 34 aus. Die Tiefe der Diffusionszone wird entsprechend dem zu erwartenden Abbrandvorgegeben.
  • In gleicher Weise können statt Antimon (Sb) auch Zinn (Sn) bzw. Kombinationen aus Antimon, Tellur und/oder Zinn in die Kontaktstücke eingebracht werden.
    • Beispiel 5:
  • Es sollen Kontaktstücke mit lokal eingebrachten Zusätzen gefertigt werden: Zu diesem Zweck werden nach dem bei Beispiel 1 oder 2 beschriebenen Verfahren zunächst wieder scheibenförmige Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von beispielsweise 50 % Kupfer und 50 % Chrom hergestellt. In die Oberflächen dieser Kontaktscheiben werden an geeigneter Stelle Vertiefungen, beispielsweise als Zentralbohrung, in Form mehrerer Bohrungen oder auch als Ringnut, eingearbeitet. In die Vertiefungen werden anschließend Metalle oder Legierungen mit einem Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des Kupfer-Chrom-Eutektikums als Granulat oder geeigneter Form eingebracht. Als vorteilhaft haben sich die Metalle Tellur, Antimon oder die Legierungen Antimontellurid, Wismuttellurid und Zinntellurid erwiesen. Die Zusatzkomponenten werden'in den Vertiefungen aufgeschmolzen.
  • Letzteres wird anhand von FIG 4 verdeutlicht: Eine CuCr-Scheibe 40 mit zentraler Bohrung 41 befindet sich in einem Graphit-Tiegel 42 mit Deckel 43. In die Bohrung 41 werden die Zusatzkomponenten eingebracht. Nach dem Aufschmelzen bildet sich daraus eine dünne Schicht 46 auf der Deckfläche des Kontaktstückes 40, die als Schaltfläche dient.
  • Für die Anwendung in Vakuumschützen ergibt sich nun auch insbesondere die Möglichkeit, unpaarige Anordnungen aufzubauen. Es hat sich gezeigt, daß eine Kontaktanordnung zum senkrechten Einbau in eine Schaltröhre vorrteilhaft derart ausgelegt sein kann, daß das eine Kontaktstück aus Kupfer und Chrom einer der gemäß Beispiel 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzungen besteht, während das zugehörige gegenüberliegende Kontaktstück aus Kupfer und Chrom mit spezifischen Zusätzen besteht. Letzteres Kontaktstück kann entsprechend den Beispielen 3 bis 5 ausgebildet sein.
  • Bei der Schaltröhre kann insbesondere das obenstehende Kontaktstück aus reinem Schmelzwerkstoff mit oder ohne Verformung bestehen.

Claims (18)

1. Verwendung eines Schmelzwerkstoffes aus Kupfer und Chrom als Kontaktwerkstoff für den Einsatz in Schaltröhren von Vakuumschützen im Niederspannungs- und Hochspannungsbereich.
2. Schmelzwerkstoff für eine Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 25 bis 6d % Chrom (Cr) hat.
3. Schmelzwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Schweißkraft Zusätze wenigstens eines der Metalle Tellur (Te), Antimon (Sb), Wismut (Bi) und/oder Zinn (Sn) sowie deren Legierungen vorhanden sind.
4. Schmelzwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil der Zusätze zwischen 0,1 und 10 % liegt.
5. Verfahren zur schmelzmetallurgischen Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung durch Lichtbogenschmelzen zu einem Schmelzblock erfolgt.
6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzblock nach den schmelzmetallurgischen Verfahrensschritten einer Umformung unterzogen wird, wodurch Halbzeug zum Fertigen von Kontaktstücken erzeugt wird.
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Umformung ein Richtgefüge geschaffen wird, bei dem Cr-Dendrite in eine Vorzugstichung gestreckt sind.
8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung durch Vollvorwärtsfließpressen erfolgt.
9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformgrad> 60% ist.
10. Kontaktstück aus einem Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Verwendung nach Anspruch 1, mit einer Schaltfläche, dadurch gekennzeich-net, daß die Schaltfläche senkrecht zum Richtgefüge angeordnet ist.
11. Kontaktstück aus einem Werkstoff nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Verwendung nach Anspruch 1, d a-durch gekennzeichnet, daß die Zusätze von der Schaltfläche ausgehend lediglich bis zu einer bestimmten Eindringtiefe des Kontgaktstückes vorhanden sind.
12. Kontaktstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze lediglich lokal an vorbestimmten Orten auf der Schaltfläche des Kontaktstückes vorhanden sind.
13. Verfahren zum Fertigen von Kontaktstücken aus einem nach Anspruch 5 hergestellten Schmelzwerkstoff, da-durch gekennzeichnet, daß der Schmelzblock in Scheiben geschnitten wird, aus denen Kontaktstücke ausstanzbar sind.
14. Verfahren zum Fertigen von Kontaktstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 10, dadurch ge-kennzeichnet, daß nach Umformung des Schmelzblockes das Halbzeug senkrecht zur Vorzugsrichtung des Richtgefüges in Scheiben geschnitten wird.
15. Fertigungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, da-durch gekennzeichnet, daß die Zusätze durch Einlegieren in der flüssigen Kupferphase in die kontaktstücke eingebracht werden.
16. Fertigungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, da-durch gekennzeichnet, daß die Zusätze durch Diffusion in der festen Kupferphase in die Kontaktstücke eingebracht werden.
17. Fertigungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, da-durch gekennzeichnet, daß in die Schaltfläche der Kontaktstücke Vertiefungen eingearbeitet werden, in welche die Zusätze eingebracht und darin aufgeschmolzen werden.
18. Kontaktanordnung in Schaltröhren für Vakuumschütze, mit Kontaktstücken aus Schmelzwerkstoff nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Kontaktstück, aus reinem CuCr-Schmelzwerkstoff besteht, während das gegenüberliegende Kontaktstück aus CuCr-Schmlezwerkstoff mit Zusätzen besteht.
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