EP1794350A1 - Verfahren zur herstellung einer abbrandfesten beschichtung, sowie entsprechende schirmung für vakuumschaltkammern - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer abbrandfesten beschichtung, sowie entsprechende schirmung für vakuumschaltkammern

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EP1794350A1
EP1794350A1 EP05791276A EP05791276A EP1794350A1 EP 1794350 A1 EP1794350 A1 EP 1794350A1 EP 05791276 A EP05791276 A EP 05791276A EP 05791276 A EP05791276 A EP 05791276A EP 1794350 A1 EP1794350 A1 EP 1794350A1
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EP
European Patent Office
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erosion
arc
resistant coating
producing
vacuum
Prior art date
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EP05791276A
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Dietmar Gentsch
Georg Ptaschek
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Umicore AG and Co KG
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ABB Technology AG
Umicore AG and Co KG
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    • H01H33/66261—Specific screen details, e.g. mounting, materials, multiple screens or specific electrical field considerations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H01H2033/66269—Details relating to the materials used for screens in vacuum switches

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an erosion-resistant coating, in particular for arc-exposed inner regions of shields, as well as a shielding produced in this way for vacuum interrupters, according to the preamble of claims 1 and 6.
  • Such vacuum interrupters are used in low-voltage, medium-voltage and high-voltage switchgear. Arcs, which in a vacuum environment between contact pieces especially under
  • Short-circuit current conditions when switching off are erased at the next zero crossing of the current, but at the latest after the second zero crossing. Nevertheless, they only affect the interior areas of the vacuum interrupter chamber in milliseconds, and it is well known that high energy densities occur even if only for a short time.
  • BESTATIGUNGSKOPIE the components of a vacuum interrupter chamber substantially in a compact design of a VK and so the life of such a VK is essentially] en limited by the number of circuits performed in the event of a short circuit.
  • a part of the vacuum interrupters are provided with an erosion-resistant screen which is positioned between the contact piece environment and the interrupter chamber inner wall (e.g., the ceramic insulator).
  • the shields are thin-walled cylindrical partially contoured sheet metal parts, their plasma erosion is particularly high with appropriate heat development.
  • the prior art also discloses sintering methods for producing copper-chromium shields by a powder sintering method. For this purpose, pressing tools for the production of green compacts are required for the different diameter. The production of a dense material is then carried out by sintering the green compacts at temperatures around 1000 degrees Celsius under vacuum or a noble gas atmosphere.
  • the plasma spraying method is known.
  • the thermal process is used to apply a copper chromium layer.
  • the plasma spraying is carried out in a known manner due to the strong getter effect of the chromium in a noble gas atmosphere. Inevitably, however, an increased gas content in the sprayed layer, which is disadvantageous.
  • Sheet metal mold is used for vacuum interrupter chamber screens or vacuum interrupters, according to DE 19747242 C2.
  • the constructive bandwidth for building a compact vacuum interrupter chamber is greater.
  • this involves higher costs of the vacuum interrupter chamber.
  • This disadvantage can be reduced in part by an integration of shielding and erosion-resistant layer. Nevertheless, the erosion resistance is limited and at the same time the said processes are relatively expensive. Certain material compositions, ie the variation of the stoichiometric proportion, are also much more difficult.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for producing Abbrandfester shields, which on the one hand easy to manufacture, but on the other hand has an extremely high erosion resistance.
  • the core of the production method according to the invention is in this case that a substrate material in the cold gas spraying process is coated with a erosion-resistant alloy and / or a composite material. It has been shown here that after Kaltgasspritzvon that is easy to do, a highly erosion-resistant layer on a substrate or on shields, including those for the high-erosive and temperature-sensitive application area as are used in vacuum interrupters.
  • Cold gas spraying method used so that shields for the inner coating of substrates or shields in vacuum interrupters are thus coated at least in the plasma and temperature erosion area.
  • the chromium concentration can be adjusted over a wide range, which allows the said process technique of cold gas spraying.
  • the screen which may be designed a priori thin-walled coated with a layer of> 0 - 2 mm. This creates a very dense layer with low gas content.
  • the layer can be sprayed onto the component under an air or inert gas atmosphere. In thermal spraying, the gas content of the finished layer is due to the strong - A -
  • the chromium content is adjustable between 0 and 100 percent by weight.
  • the powder has a particle size between near 0 and 150 micrometers. Optimal results are achieved in this area and the manufacturing process remains simple.
  • the layer produced in this way can be reduced under hydrogen after coating or degassed by annealing under a high-vacuum atmosphere.
  • the erosion-resistant shield 10 is disposed within the vacuum interrupter so in this area.
  • the shield is designed as a set piece of pipe, which s.der appropriate position to be positioned within the vacuum interrupter chamber.
  • only a portion of the pipe section (the shield) is coated, in the thermally stressed by the arc plasma area with a erosion-resistant coating 20 on the inner surface or inner surface of the screen 10.
  • the screen 10 can be made both of materials such as stainless steel or copper , Important is the property of the coating, which provides the erosion resistance here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer abbrandfesten Beschichtung, insbesondere für lichtbogenbeaufschlagte Innenbereiche in Schaltanlagen, sowie eine auf diese Weise hergestellte Schirmung für Vakuumschaltkammern, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10. Um hierbei zu erreichen, ein Verfahren zur Herstellung abbrandfester Schirmungen zum einen einfach, aber zum anderen in einer extrem hohe Abbrandfestigkeit in der Praxis mündet, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Substratmaterial im Kaltgasspritzverfahren mit einer abbrandfesten Schicht versehen wird.

Description

Verfahren zur Herstellung einer abbrandfesten Beschichtung, sowie entsprechende Schirmung für Vakuumschaltkammern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer abbrandfesten Beschichtung, insbesondere für lichtbogenbeaufschlagte Innenbereiche von Schirmungen, sowie eine auf diese Weise hergestellte Schirmung für Vakuumschaltkammern, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Insbesondere in lichtbogenbeaufschlagten Innenbereichen von Schalteinrichtungen, beispielsweise sogenannten Vakuumschaltkammern, innerhalb der Kontaktstücke angeordnet sind, die durch eine außen einwirkende Mechanik die geschlossenen Schaltkontakte in einem permanenten Vakuum gegebenenfalls nach einem entsprechenden Weg-Zeitverlauf auseinander ziehen, kommt es zu einer starken thermischen und plasmabedingten Beanspruchung von innenliegenden Bauteilen bzw. Komponenten.
Solche Vakuumschaltkammern werden in der Niederspannungs-, Mittelspannungs - und Hochspannungsschaltanlagen verwendet. Lichtbögen, die in einer Vakuumumgebung zwischen Kontaktstücken besonders unter
Kurzschlussstrombedingungen beim Ausschalten (Trennen der Kontaktstücke) entstehen werden beim folgenden Nulldurchgang des Stromes gelöscht, spätestens jedoch nach dem zweiten Nulldurchgang. Dennoch wirken sie nur Millisekunden auf die Innenbereiche der Vakuumschaltkammer ein und bekanntermaßen entstehen dabei wenn auch nur kurzeitig hohe Energiedichten. Dies beansprucht zumindest einen Teil
BESTATIGUNGSKOPIE der Komponenten einer Vakuumschaltkammer ganz wesentlich bei einer kompakten Bauweise einer VK und so wird die Lebensdauer einer solchen VK im wesentlich] en durch die Anzahl der im Kurzschlussfall vollzogenen Schaltungen begrenzt.
Aus diesem Grund sind ein Teil der Vakuumschaltkammern mit einem abbrandfesten Schirm ausgestattet, welcher zwischen der Kontaktstückumgebung und der Schaltkammerinnenwandung (z.B. dem Keramikisolator) positioniert ist.
Da die Schirmungen dünnwandige zylindrische teilweise konturierte Blechteile sind, ist deren Plasmaerosion bei entsprechender Hitzeentwicklung besonders hoch.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Sinterverfahren zur Herstellung von KupferChrom - Schirmungen über ein Pulversinterverfahren bekannt. Dazu sind für die unterschiedlichen Durchmesser Presswerkzeuge zur Herstellung der Grünlinge erforderlich. Die Herstellung eines dichten Werkstoffes erfolgt anschließend durch Sintern der Grünlinge bei Temperaturen um 1000 Grad Celsius unter Vakuum oder einer Edelgasatmosphäre.
Des Weiteren ist als ein thermisches Spritzverfahren das Plasmaspritzverfahren bekannt. Das thermische Verfahren wird zum Aufbringen einer KupferChrom - Schicht verwendet. Das Plasmaspritzen wird in bekannter Weise aufgrund der starken Getterwirkung des Chroms in einer Edelgasatmosphäre durchgeführt. Unvermeidlich ist dennoch ein erhöhter Gasgehalt in der aufgespritzten Schicht, was nachteilig ist.
Weiterhin sind sogenannte MLC-Verfahren bekannt, die zur Herstellung einer
Blechform für Vakuumschaltkammerschirme oder Vakuumschaltkammern verwendet wird, gemäß DE 19747242 C2.
Durch einen Einsatz einer KupferChrom - Schirmung ist die konstruktive Bandbreite zum Bau einer kompakten Vakuumschaltkammer größer. Damit verbunden sind jedoch höhere Kosten der Vakuumschaltkammer. Dieser Nachteil kann zum Teil durch eine Integration von Schirmung und abbrandfester Schicht verringert werden. Dennoch ist die Abbrandfestigkeit begrenzt und gleichzeitig sind die genannten Verfahren relativ aufwändig. Bestimmte Materialkompositionen, also die Variation des stöchiometrischen Anteils ist dabei im übrigen auch deutlich schwieriger. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung abbrandfester Schirmungen anzugeben, welches zum einen einfach herstellbar, aber zum anderen eine extrem hohe Abbrandfestigkeit hat.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 dargestellt. Im Hinblick auf die Verwendung einer Vakuumschaltkammer ist die gestellte Aufgabe dahin gehend gelöst, dass innerhalb derselben eine solche abbrandfeste Schirmung gemäß Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eingesetzt ist.
Kern des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist hierbei, dass ein Substratmaterial im Kaltgasspritzverfahren mit einer abbrandfesten Legierung und / oder einem Verbundwerkstoff beschichtet wird. Es hat sich hierbei gezeigt, dass sich nach dem Kaltgasspritzverfahren, dass einfach zu bewerkstelligen ist, eine höchst abbrandfeste Schicht auf einem Substrat bzw. auf Schirmungen, unter anderem auch für den hocherrosiven und temperaturbelasteten Einsatzbereich wie dem in Vakuumschaltkammern einsetzbar sind.
Die Ausgangspulvermischung Kupfer und Chrom wird sodann im bekannten
Kaltgasspritzverfahren so eingesetzt, dass Schirmungen für die Innenbeschichtung von Substraten bzw. Schirmungen in Vakuumschaltkammern damit zumindest im Plasma - und Temperaturerosionsbereich beschichtet sind. Die Chromkonzentration kann dazu über einen weiten Bereich eingestellt werden, was die besagte Verfahrenstechnik des Kaltgasspritzens erlaubt. Vorzugsweise wird der Schirm, der a priori dünnwandig ausgeführt sein kann mit einer Schicht von > 0 - 2 mm beschichtet. Dabei entsteht eine sehr dichte Schicht mit geringem Gasgehalt. Die Schicht kann dabei auf das Bauteil unter einer Luft - oder Edelgasatmosphäre aufgespritzt werden. Beim thermischen Spritzen liegt der Gasgehalt der fertigen Schicht durch die starke - A -
Getterwirkung des Chroms deutlich höher. Somit grenzt sich das Kaltgasspritzverfahren deutlich vom bekannten Plasma oder Flammspritzen ab.
Dieses gilt sowohl für Gase, die chemisch mit den beiden Pulvern reagieren als auch für in die Schicht eingebautes Gas, sogenanntes inkludiertes Gas. Letztgenanntes lässt sich leicht aus der Schicht bei einer Wärmebehandlung (dem Löten) einer Vakuumschaltkammer unter einer Vakuumatmosphäre durch Desorption entfernen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei der verwendeten Kupfer-Chrommischung der Chromanteil zwischen 0 und 100 Gewichtsprozent einstellbar ist.
Eine solche Möglichkeit besteht nur in dieser einfachen Weise mit Hilfe der angegebenen hierbei verwendeten Technologie.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Pulver eine Korngröße zwischen nahe 0 und 150 Mikrometer aufweist. In diesem Bereich werden optimale Ergebnisse erzielt, und das Herstellverfahren bleibt einfach.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass neben Kupfer auch
Werkstoffe wie Wolfram, Molybdän, Platin, Zirkon, Yttrium oder Palladium einsetzbar sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die so hergestellte Schicht nach der Beschichtung unter Wasserstoff reduziert beziehungsweise durch Glühen unter einer Hochvakuumatmosphäre entgast werden kann.
Die Erfindung ist in einem Anwendungsfall in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben.
In einem Ausgestaltungsbeispiel gemäß Figur 1 ist ein Schnitt durch die Vakuumschaltkammer dargestellt. In der Höhe der beiden Kontaktstücke und auch unter Berücksichtigung des Schalthubes (Weges) ist die abbrandfeste Schirmung 10 innerhalb der Vakuumschaltkammer also in diesem Bereich angeordnet. Die Schirmung ist dabei wie ein eingestelltes Rohrstück konstruiert, das an der entsprechenden Stelle innerhalb der Vakuumschaltkammer zu positionieren ist. In diesem Ausgestaltungsbeispiel ist nur ein Teilbereich des Rohrabschnittes (der Schirmung) beschichtet, im thermisch durch das Lichtbogenplasma beanspruchten Bereiches mit einer abbrandfesten Beschichtung 20 auf der Innenfläche beziehungsweise Innenoberfläche des Schirmes 10. Der Schirm 10 kann dabei sowohl aus Werkstoffen wie Edelstahl oder Kupfer gefertigt sein. Wichtig ist die Eigenschaft der Beschichtung, die hier die Abbrandfestigkeit liefert.
Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Kaltgasspritzverfahrens für Bauteile dieser Art ist es jedoch auch denkbar, dass andere metallische ja sogar keramische Werkstoffe mit einer abbrandfesten Schicht beschichtet werden können.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer abbrandfesten Beschichtung, insbesondere für lichtbogenbeaufschlagte Innenbereiche in Vakuumschaltkammern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substratmaterial im Kaltgasspritzverfahren mit einer abbrandfesten Schicht versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die abbrandfeste Schicht aus einer Legierung von Kupfer und Chrom und oder einem Verbundwerkstoff mit einem variablen Chromanteil zwischen theoretisch 0 und 100 Gewichtsprozent besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stöchiometrische Anteil dieser Legierung in der entsprechenden Weise variierbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Verfahren das ausgehende Beschichtungsmaterial als Pulver vorliegt mit einer Korngröße von größer als 0 und kleiner als 150 Mikrometer.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben Kupfer und Chrom auch Wolfram, oder Molybdän, oder Platin, oder Zirkon, oder Yttrium, oder Palladium neben Kupfer oder auch einer Mischung aus diesen Elementen verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf einem keramischen Substratmaterial aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch bereits legierte Pulverausgangswerkstoffe oder auch Mischungen verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abbrandfeste Beschichtung unter Wasserstoff reduziert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die abbrandfeste Beschichtung durch Glühen unter einer Hochvakuumatmosphäre entgast wird.
10. Vakuumschaltkammer mit einer innerhalb derselben angeordneten Schirmung die nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 beschichtet ist, für eine Mittelspannungsschalter- bzw. Schaltanlage verwendet wird.
EP05791276A 2004-09-25 2005-09-23 Verfahren zur herstellung einer abbrandfesten beschichtung, sowie entsprechende schirmung für vakuumschaltkammern Withdrawn EP1794350A1 (de)

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