EP0172442A2 - Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere zur Verwendung in der Niederspannungs- Energietechnik - Google Patents

Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere zur Verwendung in der Niederspannungs- Energietechnik Download PDF

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EP0172442A2
EP0172442A2 EP85109354A EP85109354A EP0172442A2 EP 0172442 A2 EP0172442 A2 EP 0172442A2 EP 85109354 A EP85109354 A EP 85109354A EP 85109354 A EP85109354 A EP 85109354A EP 0172442 A2 EP0172442 A2 EP 0172442A2
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EP
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low
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copper
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tungsten
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EP85109354A
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Peter Dr. Dipl.-Phys. Frey
Ursula Dr. Dipl.-Phys. Mayer
Harald Dipl.-Phys. Hönninger
Karl Dr. Dipl.-Phys. Saeger
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Doduco Solutions GmbH
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Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/021—Composite material
    • H01H1/025—Composite material having copper as the basic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/64—Protective enclosures, baffle plates, or screens for contacts
    • H01H1/66—Contacts sealed in an evacuated or gas-filled envelope, e.g. magnetic dry-reed contacts

Definitions

  • any gas which does not react in an undesirable manner with the contact material (as would be possible with nitrogen with the formation of nitride) and which does not release any harmful decomposition products under the action of the switching arc can be used as protective gas.
  • argon is the only protective gas that can be used, because argon is cheap and consequent Due to its large atomic radius, it is easy to enclose, ie, with modest effort, it is possible to implement an argon-filled switching chamber from which the argon will not diffuse for years. Unfortunately, however, argon has a very low dielectric strength (see Manfred von Ardenne: Tables on Applied Physics, Volume 3, page 418; VEB Deutscher Verlag dermaschineen Berlin 1973).
  • the low dielectric strength of the argon gives rise to concerns that the arc cannot be reliably re-ignited after a switch has been opened, and this concern has arisen in studies carried out by the inventors, inter alia, on contact pieces made of 88% by weight copper and 12% cadmium oxide, from 75% by weight copper and 25% by weight chromium.
  • a contact material for encapsulated contact systems in low-voltage switching devices which contains 5 to 25% by weight, preferably 10% by weight, molybdenum and the balance copper. None is known about the type of protective gas used. According to the information in this published specification, a contact resistance was measured with contact pieces made of 10% molybdenum and 90% copper, which was comparable to the contact resistance of contact pieces made of silver with 12% by weight cadmium oxide. However, this material does not behave satisfactorily with regard to the resistance to erosion and the tendency to weld as well especially with regard to the reignition of the arc after opening the switch.
  • the invention has for its object to find a contact material which is particularly suitable in switchgear, in particular in those for low-voltage energy technology, for use under argon as a protective gas.
  • This object is achieved through the use of a contact material which, apart from any minor addition of one or more metals serving as a sintering aid or wetting aid, consists of 35 to 75% by volume of tungsten or molybdenum and 0 to 12% by volume of one or more elements consists of the group tellurium, antimony and bismuth as well as the rest of copper.
  • the contact material used according to the invention contains a very high proportion of heavy metals (in the case of tungsten, the 35 to 75% by volume corresponds to a content of around 55 to 85% by weight. -%).
  • the additional metals tellurium, antimony and bismuth - of which antimony is particularly suitable - represent at most a small proportion of the contact material; they are preferably used in a proportion of 1 to 6% by volume (corresponding to approximately 0.5 to 2.5% by weight) in the contact material, low contents being particularly preferred.
  • Contact pieces can be produced from the contact material according to the invention by first producing a porous molded body from tungsten powder or from molybdenum powder by sintering, which is then infiltrated with copper, which contains the additional metals tellurium, antimony and / or bismuth, optionally as alloy metals, and preferably by excess soaking.
  • the tungsten powder or the molybdenum powder can contain small amounts of an additional metal in a manner known per se which promotes the sintering process; Suitable sintering aids are, for example, nickel or cobalt, which may be added to the tungsten in a proportion of around 0.5% by weight.
  • the contact material can contain small amounts (less than 1% by weight) of one or more Contain metals, which serve as a wetting aid and favor the infiltration of the copper or the copper alloy;
  • Contain metals which serve as a wetting aid and favor the infiltration of the copper or the copper alloy
  • cobalt and nickel are also suitable as wetting aids, which can optionally be added to the copper to be infiltrated.
  • the tungsten or molybdenum powder with copper powder as well as with antimony, tellurium and / or bismuth powder, possibly also with an additional metal provided as a sintering aid or wetting aid, and produce a shaped body from the powder mixture by sintering in the liquid phase.
  • an excess amount of the impregnating material (copper and the intended additional metal from the group of antimony, bismuth and tellurium) is preferably placed on the powder mixture given in a mold in order to impregnate the tungsten or molybdenum structure formed during sintering as completely as possible guarantee and at the same time to get a well solderable and weldable surface layer on one side.
  • Contact pieces made of the material according to the invention not only have a low contact resistance and thus only a low contact heating, but also a long service life, sufficiently low erosion and sufficiently low tendency to weld, and in particular excellent suitability for arc quenching, especially under argon as a protective gas.
  • tungsten powder with an average grain size between 1 and 10 ⁇ m (FSSS) and 0.5 part by weight of fine-grained nickel powder are mixed together, placed in a mold, compacted therein and then at a temperature of around 1100 ° C for a period of 30 min. sintered under cracked gas.
  • a molded body is formed from a porous tungsten framework, which is then impregnated with an alloy of copper with 3% by weight of antimony. Soaking takes place at a temperature of approx. 1150 ° C in a vacuum.
  • the contact piece blank After the impregnation process, the contact piece blank has a residual porosity of less than 2% and has the following composition by weight
  • Arc duration r arc 10 ms) to values between 300 - 400 ⁇ rise.
  • the corresponding values for contact pieces made of silver with 12% cadmium oxide when switching in air are 300 - 400 ⁇ or 500 - 700 ⁇ .
  • the burnup for the contact pieces made of silver with 12% cadmium oxide in air is 20 mg / 1000 switching cycles, for the contact pieces made of the material according to the invention in the above composition in combination with argon as protective gas, 15 mg / 1000 switching cycles.

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Abstract

Die Kontaktstücke des Schaltgerätes befinden sich mit einer in Argon gefüllten Schaltkammer und bestehen - abgesehen von ggfs. vorhandenen geringfügigen Zusätzen eines oder mehrerer als Sinterhilfe oder Benetzungshilfe dienender Metalle - aus 35 bis 75 Vol.% Wolfram oder Molybdän und 0 bis 12 Vol.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Tellur, Antimon und Wismut, zum Rest aus Kupfer.

Description

  • Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Bis heute ist Silber der wesentliche Bestandteil der meisten in Niederspannungsschaltgeräten verwendeten Kontaktwerkstoffe, und zwar am häufigsten in Verbindung mit Metalloxiden (Kadmiumoxid, Zinnoxid, Indiumoxid, Zinkoxid und andere mehr, einzeln oder in Kombination), welche im Silber dispergiert sind und deren Anteil 10 bis 15 Gew.-% nicht übersteigt. Silber ist nämlich praktisch das einzige Metall, welches in Niederspannungsschaltgeräten als Basis für Werkstoffe für elektrische Kontakte, die in Luft schalten sollen, infrage kommt, weil es an Luft keine stabilen Oxide bildet und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Silber ist jedoch ein Metall, dessen Preis verhältnismäßig hoch und darüberhinaus durch Spekulation beeinflußt ist. Es sind deshalb Bestrebungen im Gange, in Niederspannungsschaltgeräten die Kontaktwerkstoffe auf Silberbasis durch Kontaktwerkstoffe auf Unedelmetallbasis zu ersetzen. Wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers bieten sich zu diesem Zweck Kontaktwerkstoffe an, die Kupfer enthalten. Sie Können jedoch nur dann in Niederspannungsschaltgeräten eingesetzt werden, wenn sie eine Reihe von Anforderungen erfüllen:
    • - Der Kontaktwiderstand soll gering sein, und zwar auf Dauer,
    • - die Kontaktstücke sollen eine gute Abbrandfestigkeit unter dem Einfluß von Schaltlichtbögen zeigen,
    • - die Kontaktstücke sollen beim Schließen unter Last eine möglichst geringe Neigung zum Verschweißen zeigen,
    • - und nach dem Öffnen des Schalters soll ein Wiederzünden des Schaltlichtbogens nicht auftreten.
  • Wegen der leichten Oxidierbarkeit des Kupfers ist ein auf Dauer geringer Kontaktwiderstand nur zu erreichen, wenn die kupferhaltigen Schaltkontakte nicht in Luft, sondern unter einem sauerstoffreien Schutzgas betrieben werden. Als Schutzgas kann im Prinzip jedes Gas verwendet werden, welches nicht in unerwünschter Weise mit dem Kontaktwerkstoff reagiert (wie es bei Stickstoff unter Nitridbildung möglich wäre) und welches unter der Wirkung des Schaltlichtbogens keine schädlichen Zersetzungsprodukte freisetzt. Da Schaltgeräte, deren Kontaktstücke in einer mit Schutzgas gefüllten Schaltkammer eingeschlossen sind, aber im Wettbewerb mit den in Luft schaltenden, konstruktiv einfacheren Schaltgeräten mit Kontaktstücken auf Silberbasis konkurrieren müssen, kommt es beim Ersatz der Kontaktstücke auf Silberbasis durch solche auf Unedelmetallbasis entscheidend darauf an, für die dann nötige Schaltkammer mit Schutzgasfüllung eine möglichst einfache und preisgünstige Lösung zu finden.
  • Aus diesen Erwägungen heraus kommt als Schutzgas praktisch nur Argon in Betracht, denn Argon ist billig und infolge seines großen Atomradius ist es gut einschließbar, d.h., man kann mit bescheidenem Aufwand eine mit Argon gefüllte Schaltkammer verwirklichen, aus welcher das Argon über Jahre hinweg nicht hinausdiffundiert. Leider hat jedoch Argon eine sehr niedrige dielektrische Durchschlagsfestigkeit (vergl. Manfred von Ardenne: Tabellen zur angewandten Physik, Band 3, Seite 418; VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin 1973). Die niedrige Durchschlagsfestigkeit des Argons läßt befürchten, daß ein Wiederzünden des Lichtbogens nach dem Öffnen eines Schalters nicht zuverlässig verhindert werden kann, und diese Befürchtung hat sich bei Untersuchungen, die die Erfinder u.a. an Kontaktstücken aus 88 Gew.-% Kupfer und 12 % Kadmiumoxid, aus 75 Gew.-% Kupfer und 25 Gew.-% Chrom durchgeführt haben, bestätigt.
  • Aus der japanischen Offenlegungsschrift 58-22 346 ist ein Kontaktwerkstoff für gekapselte Kontaktsysteme in Niederspannungsschaltgeräten bekannt, welcher 5 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 10 Gew.-% Molybdän und als Rest Kupfer enthält. Über die Art des verwendeten Schutzgases ist nichts bekannt. Nach den Angaben in dieser Offenlegungsschrift wurde mit Kontaktstücken aus 10 % Molybdän und 90 % Kupfer ein Kontaktwiderstand gemessen, welcher dem Kontaktwiderstand von Kontaktstücken aus Silber mit 12 Gew.-% Kadmiumoxid vergleichbar war. Nicht zufriedenstellend verhält sich dieser Werkstoff jedoch hinsichtlich der Abbrandfestigkeit und der Verschweißneigung sowie insbesondere hinsichtlich des Wiederzündens des Lichtbogens nach dem Öffnen des Schalters. Letzteres ist nicht verwunderlich, denn die Sofortverfestigungsspannung, welche das Wiederzündverhalten entscheidend beeinflußt, ist für hochsiedende Metalle wie Wolfram und Molybdän sowie für Werkstoffe, die diese hochsiedenden Metalle enthalten, z.B. für Wolfram mit 30 Gew.-% Silber, sehr niedrig und damit schlechtgeeignet, das Wiederzünden des Lichtbogens zu verhindern, wohingegen die Sofortverfestigungsspannung für Werkstoffe wie Silber-Nickel und Silber-Kadmiumoxid hoch und damit günstig liegt (vergl. A. Keil, W.A. Merl, E. Vinaricky: Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe, Springer-Verlag 1984, Seite 101).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktwerkstoff zu finden, welcher sich in Schaltgeräten, insbesondere in solchen für die Niederspannungsenergietechnik, in besonderem Maße dafür eignet, unter Argon als Schutzgas verwendet zu werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung eines Kontaktwerkstoffs, welcher - abgesehen von ggfs. vorhandenen geringfügige Zusätzm eines oder mehrerer als Sinterhilfe oder Benetzungshilfe dienender Metalle - aus 35 bis 75 Vol-% Wolfram oder Molybdän und 0 bis 12 Vol-% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Tellur, Antimon und Wismut sowie zum Rest aus Kupfer besteht. Die besondere Eignung solcher Kontaktwerkstoffe ist angesichts der bekannt schlechten dielektrischen Eigenschaften des Argons und der niedrigen Sofortverfestigungsspannung des Wolframs und des Molybdäns ausserordentlich überraschend, und zwar umso mehr, als der erfindungsgemäß verwendete Kontaktwerkstoff einen sehr hohen Schwermetallanteil enthält (bei Wolfram entsprechen die 35 bis 75 Vol-% einem Gehalt von rund 55 bis 85 Gew.-%). Die Zusatzmetalle Tellur, Antimon und Wismut - von denen Antimon besonders geeignet ist - stellen allenfalls einen kleinen Anteil am Kontaktwerkstoff; sie werden vorzugsweise mit einem Anteil von 1 bis 6 Vol.% (entsprechend etwa 0,5 bis 2,5 Gew.-%) im Kontaktwerkstoff eingesetzt, wobei niedrige Gehalte besonders bevorzugt sind.
  • Die Herstellung von Kontaktstücken aus dem erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff kann dadurch erfolgen, daß man aus Wolframpulver oder aus Molybdänpulver durch Sintern zunächst einen porösen Formkörper herstellt, welcher anschließend mit Kupfer, welches die Zusatzmetalle Tellur, Antimon und/oder Wismut gegebenenfalls als Legierungsmetalle enthält, infiltriert wird und zwar bevorzugt durch Überschußtränkung. Das Wolframpulver oder das Molybdänpulver kann dabei in an sich bekannter Weise geringe Mengen eines Zusatzmetalls enthalten, welches den Sintervorgang begünstigt; als Sinterhilfe eignen sich z.B. Nickel oder Kobalt, welche dem Wolfram ggfs. in einem Anteil von rund 0,5 Gew.-% zugesetzt werden. Ferner kann der Kontaktwerkstoff geringe Mengen (weniger als 1 Gew.-%) eines oder mehrerer Metalle enthalten, welche als Benetzungshilfe dienen und das Infiltrieren des Kupfers bzw. der Kupferlegierung begünstigen; als Benetzungshilfe eignen sich neben Zirkon beispielsweise auch Kobalt und Nickel, welche man ggfs. dem zu infiltrierenden Kupfer zusetzen kann.
  • Man könnte aber auch das Wolfram- oder Molybdänpulver mit Kupferpulver sowie mit Antimon-, Tellur- und/oder Wismutpulver, ggfs. auch mit einem als Sinterhilfe oder Benetzungshilfe vorgesehenen Zusatzmetall in Pulverform mischnund aus der Pulvermischung durch Sintern bei flüssiger Phase einen Formkörper herstellen. Dabei legt man vorzugsweise auf die in eine Form gegebene Pulvermischung noch eine überschüssige Menge des Tränkwerkstoffs (Kupfer und das vorgesehene Zusatzmetall aus der Gruppe Antimon, Wismut und Tellur) auf, um eine möglichst vollständige Tränkung des sich beim Sintern ausbildenden Wolfram- bzw. Molybdängerüsts zu gewährleisten und zugleich auf einer Seite eine gut löt- und schweißbare Oberflächenschicht zu erhalten.
  • Kontaktstücke aus dem erfindungsgemäßm Werkstoff haben nicht nur einen niedrigen Kontaktwiderstand und damit eine nur geringe Kontakterwärmung, sondern auch eine hohe Lebensdauer, hinreichend niedrigen Abbrand und hinreichend niedrige Verschweißneigung sowie insbesondere eine hervorragende Eignung zur Lichtbogenlöschung gerade unter Argon als Schutzgas.
  • Nachfolgend wird noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben: 99,5 Gewichtsteile Wolframpulver mit einer mittleren Korngröße zwischen 1 und 10 um (FSSS) und 0,5 Gewichtsteile feinkörniges Nickelpulver werden miteinander vermischt, in eine Preßform gegeben, darin verdichtet und anschließend bei einer Temperatur von rund 1100°C für die Dauer von 30 min. unter Spaltgas gesintert. Es entsteht auf diese Weise ein Formkörper aus einem porösen Wolframgerüst, welches anschließend mit einer Legierung aus Kupfer mit 3 Gew-%Antimon getränkt wird. Das Tränken erfolgt bei einer Temperatur von ca. 1150°C im Vakuum.
  • Nach dem Tränkvorgang weist der Kontaktstückrohling eine Restporosität von weniger als 2 % auf und besitzt die folgende gewichtsmässige Zusammensetzung
    Figure imgb0001
  • Derart zusammengesetzte Kontaktstücke zeigen unter Argon anfänglich einen Kontaktwiderstand von 200 - 300 µΩ (50 % - bzw. 99 %-Werte der Summenhäufigkeit, Prüfstrom Ip= 50A, Prüfspannung Up= 37V, Kontaktkraft FK= 7N, kein Lichtbogen) welcher im Laufe von 10 000 Schaltspielen (Ip= 300A, Up= 220V, Leistungsfaktor cos ϕ = 0,35,
  • Lichtbogenbrenndauer r arc= 10 ms) auf Werte zwischen 300 - 400 µΩanstieg.
  • Die entsprechenden Werte für Kontaktstücke aus Silber mit 12 % Kadmiumoxid beim Schalten an Luft sind 300 - 400 µΩ bzw. 500 - 700 µΩ.
  • Der Abbrand beträgt bei den Kontaktstücken aus Silber mit 12 % Kadmiumoxid in Luft 20 mg/1000 Schaltspiele, für die Kontaktstücke aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff in obiger Zusammensetzung in Kombination mit Argon als Schutzgas 15 mg/1000 Schaltspiele. Die Wiederverfestigungsspannung, welche unter Argon für Frequenzen im Bereich von 20 - 100 kHz der einschwingenden Spannung mit einem Überschwingfaktor von 1,1 bestimmt wurde (Prüfstrom Ip=300A, Prüfspannung Up= 220V, Leistungsfaktor cos f = 0,35, Lichtbogenbrenndauer τ arc= 10 ms, mittlere Trennungsgeschwindigkeit der Kontaktstücke vo= 1ms-1, Kontaktdistanz in Endlage d= 5 mm), erreichte Werte, wie man sie sonst mit Kontaktstücken aus Silber mit 12 % Kadmiumoxid beim Schalten in Luft erreicht.

Claims (2)

1. Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere zur Verwendung in der NiederspannungsEnergietechnik, in welcher Kontaktstücke aus einem Kupfer und ein hochschmelzendes Metall enthaltenden Kontaktwerkstoff sowie ein Schutzgas eingeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwerkstoff
- abgesehen von ggfs. vorhandenen geringfügigen Zusätzen eines oder mehrerer als Sinterhilfe oder Benetzungshilfe dienender Metalle - aus 35 bis 75 Vol- % Wolfram oder Molybdän und 0 bis 12 Vol-% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Tellur, Antimon und Wismut, zum Rest aus Kupfer besteht, und daß das Schutzgas Argon ist.
2. Schaltkammer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus der
Gruppe Tellur, Antimon und Wismut mit einem Anteil von 1 bis 6 Vol-% im Kontaktwerkstoff enthalten sind.
EP85109354A 1984-08-18 1985-07-25 Schaltkammer für ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere zur Verwendung in der Niederspannungs- Energietechnik Withdrawn EP0172442A3 (de)

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DE3430490 1984-08-18

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EP0172442A3 EP0172442A3 (de) 1987-01-14

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