EP2018445A2 - Verfahren zur herstellung von kupfer-chrom-kontakten für vakuumschalter und zugehörige schaltkontakte - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kupfer-chrom-kontakten für vakuumschalter und zugehörige schaltkontakte

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EP2018445A2
EP2018445A2 EP07728906A EP07728906A EP2018445A2 EP 2018445 A2 EP2018445 A2 EP 2018445A2 EP 07728906 A EP07728906 A EP 07728906A EP 07728906 A EP07728906 A EP 07728906A EP 2018445 A2 EP2018445 A2 EP 2018445A2
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EP
European Patent Office
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chromium
contact
copper
contacts
sheet
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EP07728906A
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Werner Hartmann
Roman Renz
Andreas Stelzer
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/001—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of specific alloys
    • B22D11/004—Copper alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • B22D11/0611—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a single casting wheel, e.g. for casting amorphous metal strips or wires
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of copper-chrome contacts for vacuum switches.
  • the invention also relates to the switch contacts thus produced.
  • Vacuum interrupters for the power supply and distribution require electrical switching contacts made of an arc-resistant material, which meets the high thermal loads of z. T. over 5 MW / cm 2 , no gaseous or other harmful impurities is released and in particular can be produced economically.
  • Copper-containing materials predominantly a mixture of copper (Cu) and chromium (Cr), are mostly used for switching contacts in vacuum interrupters, with i. a. of the
  • Chromanteil between 20% -m (mass percent) and 50% (mass ⁇ percent) is.
  • the particular, used in the vacuum switching technology forms of contact require countries, that the contact area to be machined must be such that a material thickness of at least 2 to 3 mm Benö ⁇ Untitled.
  • the state diagram is to be used. This is known, for example, from the handbook of M. Hansen and K. Anderko "Constitution of Binary Alloys", McGraw-Hill Book Company, Inc. (1958), page 524.
  • the state diagram Cu-Cr exhibits thermodynamic peculiarities, in particular a tectic and a monotectic, which will be discussed below. Since the two metals copper (Cu) and chromium (Cr) differ significantly in density, the direct herstel ⁇ is development of homogeneous melt materials not possible because the heavier component (Cu) is deposited. In general, so-called remelting materials are used for the highest quality contact materials.
  • EP 0115292 Bl may be prepared by a coarse pre-sintered cylinder made of CuCr sphere with the aid of an electric arc in Edelgasatmo ⁇ is again remelted to a high density, homogeneous, fine-grained material Umschmelzwerkstoffe. Slices are then sawn from the cylindrical blanks obtained therefrom, which are subsequently machined again in order to obtain suitable final contours, slots and / or surfaces of the contacts. In particular, the necessary elimination of burrs which are produced during machining forms leads to high costs of contacts made in this way.
  • a CuCr material Due to the high chromium content, a CuCr material is only suitable for the simplest forms of contact for contouring through punching. When machining the hard material, high tool wear with correspondingly high tool costs is unavoidable.
  • the inventive method is based on the processing of a melt of CuCr by rapid solidification to thin, typically 1 to 2 mm thick strips or sheets, which can be set by the cooling rate of the melt a Cr concentration profile perpendicular to the sheet surface targeted.
  • a melt of CuCr by rapid solidification to thin, typically 1 to 2 mm thick strips or sheets, which can be set by the cooling rate of the melt a Cr concentration profile perpendicular to the sheet surface targeted.
  • Such amorphous metals are also referred to as metal glasses ⁇ .
  • the chromium (Cr) naturally accumulates on the surface and the resulting density profile is "frozen” during solidification.
  • Post-processing of the switching contacts is advantageously only in the region of the connection points to the contact carriers, i. in the solder range, necessary to produce the necessary tolerances and surface qualities.
  • the inexpensive punched contacts thus produced can be connected as contact pads with contact-bearing structures, for. B. by brazing to achieve the required mechanical strength.
  • the main advantages of the described method are on the one hand in the material savings by eliminating machining (sawing, turning, milling) as well as by targeted adjustment of electrical engineering necessary material thickness.
  • machining sawing, turning, milling
  • a larger economy is achieved.
  • chromium since the expensive component chromium is only used in the contact surface area.
  • punching process results in shorter production times and lower operating costs, since punching is easier to automate instead of turning and milling.
  • the decisive advantage of the invention on the electrotechnical side is a considerably improved switching behavior on the one hand by the natural setting of a fine-grained structure near the surface, on the other hand also by the improved heat conduction through the positive Cu gradient towards the contact bottom.
  • Figure 1 shows the state diagram of chromium (Cr) - copper (Cu)
  • Figure 2 shows a micrograph of a copper-chromium material
  • FIG. 3 shows an apparatus for the production of thin material strips of the type of production of amorphous metals
  • FIG. 4 shows a micrograph in section through a Cu-Cr band produced with a device according to FIG. 3
  • FIG. 5 shows the top view of an alloy strip with contact letters punched out of it
  • FIG. 6 shows a vacuum switch contact with slotted contact ⁇ cup and a contact disk according to FIG. 5
  • FIG. 1 shows the chromium-copper state diagram in such a way that 100% chromium content is plotted on the left side and 100% copper content on the right side.
  • the chromium is known to have a comparatively high Melting point namely 1550 0 C. Copper other hand, has a comparatively low melting point, namely 1083 0 C. At a temperature of 1075 ° is formed at a copper content of 98.2 a eutectic. Below the melting point of copper, there is a narrow range of solubility for chromium. Otherwise, in the solid state below 700 0 C copper and chromium are not soluble in each other.
  • the state diagram chromium-copper also has the special feature of a miscibility gap in the liquid state, with a monotectic is formed: Above the monotectic temperature of 1470 0 C in the range between about 6% copper and 58% copper up to a temperature of about 2000 0 C present two different CuCr melts that are not miscible with each other.
  • NEN state latter means ( " This can be achieved, for example, by arc remelting according to EP 0 115 292 B1.
  • FIG. 2 A microstructure of a copper-chromium material that was produced by the arc-remelting process is shown in FIG. Specifically, in FIG. 2, reference numeral 21 denotes a copper matrix in which chromium particles 22 are precipitated. Altogether, given the chromium content of a largely isotropic size and Konzentrationsvertei ⁇ development of the chromium particles 22 in the copper matrix 21st
  • FIG 3 an arrangement, as übli ⁇ chlay is known for the preparation of amorphous metal films ( "sub-cooled glasses").
  • the reference numerals in Figure 2 31 a rotatable about an axis perpendicular to the plane of axis I copper wheel , 32 a tub with a cooling bath for the copper wheel 31 and 33 a reservoir for a CuCr melt.
  • the electric heater and other closed-loop control means are not illustrate in Figure 3 ⁇ provided.
  • T> 2000 0 C from the reservoir 33 to the rotating wheel 31 is the same deposited on the surface of Cu-Cr material to ⁇ composition, wherein by cooling and solidification of the melt with a defined cooling rate dT / spe- dt-specific parameters can be preset.
  • the lighter chromium preferably accumulates on the upper surface of the band. This is facilitated by the fact that the underside first solidifies, the upper portion of the ⁇ incurred band (sheet) but remains liquid longer and thus migrate the deposited Cr particles by your buoyancy in the heavier liquid copper to the top, where a concentration of chromium takes place.
  • a thin strip 50 or a sheet before ⁇ given thickness with one of the melt corresponding copper and chromium concentration is predetermined by the transverse extent of the copper roller 31. With appropriate dimensioning can also produce sheets of greater width.
  • the particular advantage of the specified production method is that segregation of the constituents can be predetermined according to their specific weight of the components during the cooling process. This means that the lighter components, in the present case the chrome particles or droplets, diffuse to the surface.
  • FIG. 3 A micrograph of such a band-shaped contact material is shown in FIG. The grinding is carried out in a direction perpendicular to the band 50 of FIG. 3.
  • 51 is the copper matrix and 52 is the chromium particles present therein.
  • anisotropic a concentration distribution of the chromium content perpendicular to the surface of the belt 50.
  • On the surface of the tape 50 results in a high chromium concen tration ⁇ and a finely dispersed distribution of the chromium particles.
  • On the underside of the band 50 on the other hand, a low chromium concentration is present.
  • the overall thermal conductivity perpendicular to the contact surface is greatly positively influenced, which results in an improved switching behavior, in particular in the sense of a higher switching capacity, compared to homogeneous, state-of-the-art contacts.
  • 50 means the alloy strip from FIG. 3, which for example has a thickness of 2 mm.
  • FIG. 1 A complete vacuum switch contact 100 for use as a radial field or axial field contact in vacuum switching devices is shown in FIG.
  • the vacuum switch contact 100 consists of a contact pin 110 for current conduction and a contact pot 120 with slits 121 to 124 in the pot wall.
  • the contact disk 60 from FIG. 5 is fixed by brazing on the upper edge of the contact pot 120 in such a way that the slots 61 to 64 adjoin the slots 121 to 124 in the wall of the contact pot 120.

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Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Chrom-Kontakten für Vakuumschalter und zugehörige Schaltkontakte
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kupfer-Chrom-Kontakten für Vakuumschalter. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die so hergestellten Schaltkontakte .
Vakuumschaltröhren für die Energieversorgung und -Verteilung benötigen elektrische Schaltkontakte aus einem lichtbogenre- sistenten Werkstoff, welcher den hohen thermischen Belastungen von z. T. über 5 MW/cm2 widersteht, keine gasförmigen oder sonstigen schädlichen Verunreinigungen freisetzt und insbesondere wirtschaftlich gefertigt werden kann.
Meist werden für Schaltkontakte in Vakuumschaltröhren kupfer- haltige Werkstoffe, im überwiegenden Teil eine Mischung aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr), eingesetzt, wobei i. a. der
Chromanteil zwischen 20 %-m (Massenprozent) und 50 % (Massen¬ prozent) beträgt. Die speziellen, in der Vakuumschalttechnik eingesetzten Kontaktformen (Knopf- oder Scheibenkontakt, Spiralkontakt, Topfkontakt, oder Axialmagnetfeldkontakt) erfor- dern, dass der Kontaktbereich mechanisch bearbeitet werden muss, so dass Materialstärken von mindestens 2 bis 3 mm benö¬ tigt werden.
Zur Herstellung von Werkstoffen aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) ist das Zustandsdiagramm heranzuziehen. Dies ist beispielsweise aus dem Handbuch von M. Hansen und K. Anderko „Constitution of Binary Alloys", McGraw-Hill Book Company, Inc. (1958), Seite 524 bekannt. Das Zustandsdiagramm Cu-Cr weist thermodynamische Besonderheiten, insbesondere ein Eu- tektikum und ein Monotektikum, auf, auf die weiter unten noch eingegangen wird. Da sich die beiden Metalle Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) in ihrer Dichte deutlich unterscheiden, ist die direkte Herstel¬ lung von homogenen Schmelzwerkstoffen nicht möglich, da sich die schwerere Komponente (Cu) absetzt. Im Allgemeinen werden daher für die hochwertigsten Kontaktwerkstoffe so genannte Umschmelzwerkstoffe eingesetzt.
Gemäß der EP 0 115 292 Bl können Umschmelzwerkstoffe dadurch hergestellt werden, dass ein grob vorgesinterter Zylinder aus CuCr mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens in Edelgasatmo¬ sphäre nochmals zu einem hochdichten, homogenen, feinkörnigen Werkstoff umgeschmolzen wird. Aus den daraus erhaltenen zylindrischen Rohlingen werden anschließend Scheiben gesägt, die im Folgenden nochmals spanend bearbeitet werden, um ge- eignete Endkonturen, Schlitze und/oder Oberflächen der Kontakte zu erhalten. Insbesondere die notwendige Beseitigung von Graten, welche beim spanenden Formen erzeugt werden, führt zu hohen Kosten solcherart hergestellter Kontakte.
Durch den hohen Chromanteil ist ein CuCr-Werkstoff nur für die einfachsten Kontaktformen für eine Konturgebung durch Stanzen geeignet. Bei spanender Bearbeitung des harten Materials ist ein hoher Werkzeugverschleiß mit entsprechend hohen Werkzeugkosten unvermeidbar.
Andere Herstellverfahren für Kupfer-Chrom-Schaltkontakte, wie z. B. die Herstellung von dicht gesinterten Rohlingen in end- konturnaher Form, erfordern im Allgemeinen ebenfalls noch eine spannende Nachbearbeitung mit den oben beschriebenen Nachteilen. Zudem ist bei Sinterwerkstoffen aus fertigungstechnischen Gründen die Korngrößenverteilung zu erheblich größeren Korngrößen verschoben, was ungünstigere Schalt- und Abbrandeigenschaften im Vergleich zu Umschmelzwerkstoffen zur Folge hat .
Spezifische sintermetallurgisch hergestellte Kupfer-Chrom- Kontaktwerkstoffe sind in der DE 38 29 250 Al und der DE 38 42 919 Al beschrieben. Für hohe Ansprüche an die Qualität von CuCr-Schaltontakten werden daher weitere Prozessschritte zur Kornverfeinerung im oberflächennahen Bereich in Betracht gezogen. Beispielsweise bietet sich ein Umschmelzen durch Einsatz von Laser oder Lichtbögen an.
Von obigem Stand der Technik ausgehend ist es Aufgabe der Er¬ findung, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für Kupfer- Chrom-Kontakte anzugeben. Daneben sollen geeignete Schaltkontakte, die mit dem neuen Verfahren hergestellt sind, geschaf¬ fen werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Herstellungsverfah- ren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaltkontakte für Vakuumschalter mit spezifisch ausgebildeter Kontaktauflage sind Gegenstand der Ansprüche 9 bis 13.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verarbeitung einer Schmelze aus CuCr durch rasche Erstarrung zu dünnen, typischerweise 1 bis 2 mm dicken Bändern bzw. Blechen, wobei sich durch die Abkühlrate der Schmelze ein Cr-Konzentrations- profil senkrecht zur Blechoberfläche gezielt einstellen lässt. Dabei wird Gebrauch von der Technologie der Herstel¬ lung amorpher Metalle, bei der durch schnelle Erstarrung das Metall in ein thermodynamisches Nichtgleichgewicht überführt wird, gemacht . Solche amorphe Metalle werden auch als Metall¬ gläser bezeichnet.
Die Technologie der Rascherstarrung von Metallen ist vom Stand der Technik hinreichend bekannt, wozu auf die DE 694 18 938 T2, die DE 35 28 891 C2 und die DE 36 17 608 C2 verwiesen wird. Mit solchen Methoden werden so genannte amorphe Metalle mit feinsten Ausscheidungen von hochschmelzenden Komponenten hergestellt, wobei solche Komponenten beispiels- weise Chrom sein können. Nicht bekannt für die Rascherstar- rungstechnik ist allerdings das System Kupfer-Chrom mit Kupfer als Matrix und Chrom als hochschmelzender Komponente.
Bei der Erfindung reichert sich vorteilhafterweise aufgrund des Dichteunterschiedes das Chrom (Cr) auf natürliche Weise an der Oberfläche an und das entstehende Dichteprofil wird beim Erstarren „eingefroren".
Durch Ausstanzen mit entsprechend geformten Stanzwerkzeugen erhält man die gewünschte Kontaktform. Eine Nachbearbeitung der Schaltkontakte ist vorteilhafterweise nur im Bereich der Verbindungsstellen zu den Kontaktträgern, d.h. im Lotbereich, notwendig, um die hier notwendigen Toleranzen und Oberflä- chenqualitäten zu erzeugen.
Die so hergestellten, kostengünstigen Stanzkontakte können als Kontaktauflagen mit kontakttragenden Strukturen verbunden werden, z. B. durch Hartlötung, um die benötigte mechanische Festigkeit zu erzielen.
Alternativ können auch dickere Bleche von mehreren mm Dicke mit der beschriebenen Methode hergestellt werden, bei denen nur in einigen 1/10 mm in Oberflächennähe Cr feinstdispers vorhanden ist. Durch die größere Materialstärke, die durch den kostengünstigen Rohstoff Kupfer direkt erzeugt werden kann, kann dabei in nur einem einzelnen Arbeitsschritt ein auch mechanisch belastbares Kontaktstück erzeugt werden, wobei wegen der günstigen Werkstoffeigenschaften von Kupfer ebenfalls Stanztechnik zur Formgebung eingesetzt werden kann. Dies führt zu besonders kostengünstigen Kontaktscheiben für Vakuumschaltkontakte .
Die wesentlichen Vorteile des beschriebenen Verfahrens liegen zum einen in der Materialeinsparung durch den Wegfall spanender Bearbeitung (Sägen, Drehen, Fräsen) sowie durch gezielte Einstellung der aus elektrotechnischen Gründen notwendigen Materialstärke. Zum anderen erzielt man eine größere Wirt- schaftlichkeit durch einen deutlich verringerten Chrom-Bedarf, da die teure Komponente Chrom nur noch im Kontaktoberflächenbereich eingesetzt wird. Weiterhin folgen aus dem Stanzprozess kürzere Fertigungszeiten und geringere Betriebs- kosten, da das Stanzen anstelle von Drehen, Fräsen leichter automatisierbar ist.
Als entscheidenden Vorteil der Erfindung auf der elektrotechnischen Seite erhält man ein erheblich verbessertes Schalt- verhalten zum einen durch die natürliche Einstellung einer feinkörnigen Struktur nahe der Oberfläche, zum anderen aber auch durch die verbesserte Wärmeleitung durch den positiven Cu-Gradienten zur Kontaktunterseite hin.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Dabei wird insbesondere auf die Zeichnung gemäß Anlage ver¬ wiesen .
Es zeigen
Figur 1 das Zustandsdiagramm von Chrom (Cr) - Kupfer (Cu) und
Figur 2 ein Gefügebild eines Kupfer-Chrom-Werkstoffes mit
20 % Chromanteil (CuCr20), Figur 3 eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Werksstoffbändern nach Art der Herstellung von amorphen Metallen,
Figur 4 ein Gefügebild im Schnitt durch ein mit einer Einrichtung gemäß Figur 3 hergestelltes Cu-Cr-Band, Figur 5 die Draufsicht auf ein Legierungsband mit daraus aus¬ gestanzten Kontaktschreiben und
Figur 6 einen Vakuumschalterkontakt mit geschlitztem Kontakt¬ topf und einer Kontaktscheibe gemäß Figur 5.
In Figur 1 ist das Zustandsdiagramm Chrom-Kupfer in der Weise dargestellt, dass 100 % Chromgehalt an der linken Seite und 100 % Kupfergehalt auf der rechten Seite aufgetragen sind. Das Chrom hat bekanntermaßen einen vergleichsweise hohen Schmelzpunkt und zwar 15500C. Kupfer hat demgegenüber einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt, und zwar 10830C. Bei einer Temperatur von 1075° wird bei einem Kupfergehalt von 98,2 ein Eutektikum gebildet. Unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer existiert ein schmaler Löslichkeitsbereich für Chrom. Ansonsten sind im festen Zustand unterhalb von 7000C Kupfer und Chrom nicht ineinander löslich.
Das Zustandsdiagramm Chrom-Kupfer weist weiterhin die Beson- derheit einer Mischungslücke im flüssigen Zustand auf, wobei ein Monotektikum gebildet wird: Oberhalb der monotektischen Temperatur von 14700C liegen im Bereich zwischen etwa 6 % Kupfer und 58 % Kupfer bis zu einer Temperatur von ca. 20000C zwei unterschiedliche CuCr-Schmelzen vor, die nicht miteinan- der mischbar sind.
Für die praktische Herstellung von im festen Zustand homoge¬ nen Kupfer-Chrom-Werkstoffen bedeutet letzteres, dass zunächst eine homogene Schmelze von mehr als 20000C hergestellt werden muss, die dann schnell abgekühlt wird, um den homoge¬ nen Zustand zu erhalten („einzufrieren") . Dies kann beispielsweise durch Lichtbogen-Umschmelzen gemäß der EP 0 115 292 Bl erreicht werden.
Ein Gefüge eines Kupfer-Chrom-Werkstoffes, das mit dem Licht- bogen-Umschmelzverfahren erzeugt wurde, ist in Figur 2 dargestellt. Im Einzelnen bedeutet in Figur 2 das Bezugzeichen 21 eine Kupfer-Matrix, in der Chromteilchen 22 ausgeschieden sind. Insgesamt ergibt sich bei dem vorgegebenen Chromanteil eine weitestgehend isotrope Größen- und Konzentrationsvertei¬ lung der Chromteilchen 22 in der Kupfermatrix 21.
In der Figur 3 ist eine Anordnung dargestellt, wie sie übli¬ cherweise zur Herstellung von amorphen Metallfilmen („unter- kühlte Gläser") bekannt ist. Im Einzelnen bedeuten in Figur 2 das Bezugzeichen 31 ein um eine senkrecht zur Papierebene stehende Achse I drehbares Kupferrad, 32 eine Wanne mit einem Kühlungsbad für das Kupferrad 31 und 33 einen Vorratsbehälter für eine CuCr-Schmelze . Die elektrische Heizeinrichtung und andere regelungstechnische Mittel sind in Figur 3 nicht dar¬ gestellt .
Durch Aufsprühen der homogenen Schmelze mit Temperaturen
T > 20000C aus dem Vorratsbehälter 33 auf das sich drehende Rad 31 wird auf dessen Oberfläche CuCr-Material gleicher Zu¬ sammensetzung abgeschieden, wobei durch Kühlung und Erstarrung der Schmelze mit definierter Abkühlrate dT/dt sich spe- zifische Parameter vorgeben lassen.
Insbesondere wird bei optimaler Abkühlrate der Erstarrungs- prozess, im Gegensatz zu der bei der Herstellung metallischer Gläser verwendeten Prozessführung, so geführt, dass die ent- stehende CuCr-Schicht nicht homogen über die Dicke des ent¬ stehenden Metallbandes ist, sondern sich ein Konzentrations¬ gefälle des ausgeschiedenen Chroms dergestalt ergibt, dass sich das leichtere Chrom bevorzugt an der oberen Oberfläche des Bandes ansammelt. Dies wird dadurch erleichtert, dass die Unterseite zuerst erstarrt, der obere Bereich des entstehen¬ den Bandes (Blechs) aber länger flüssig bleibt und somit die abgeschiedenen Cr-Teilchen durch Ihren Auftrieb im schwereren flüssigen Kupfer an die Oberseite wandern, wo eine Aufkonzentration des Chroms stattfindet.
In Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit des Kupferra¬ des 31 entsteht somit ein dünnes Band 50 bzw. ein Blech vor¬ gegebener Dicke mit einer der Schmelze entsprechenden Kupfer- und Chromkonzentration. Die Breite des Bandes 50 ist durch die Querausdehnung der Kupferwalze 31 vorgegeben. Bei entsprechender Dimensionierung lassen sich auch Bleche größerer Breite erzeugen.
Aus dem so hergestellten Band 50 bzw. Blech lassen sich nahe- zu beliebige Kontaktformen ausstanzen, welche mittels bekannter Mittel auf vorgegebene Kontaktträger aufbringbar sind, beispielsweise durch Hartlöten. Durch die spezifischen Randbedingungen der Abkühlung der Schmelze auf dem Kupferrad 31 lässt sich erreichen, dass im CuCr-Band 50 senkrecht zur Bandrichtung eine anisotrope Chrom-Konzentrationsverteilung vorliegt .
Der besondere Vorteil des angegebenen Herstellungsverfahrens besteht darin, dass sich beim Abkühlvorgang eine Segregation der Bestandteile nach ihrem spezifischen Gewicht der Komponenten vorgeben lässt. Dies bedeutet, dass die leichteren Be- standteile, im vorliegenden Fall die Chrompartikel bzw. Tröpfchen, an die Oberfläche diffundieren.
Ein Gefügebild eines solchen bandförmigen Kontaktmaterials ist in Figur 4 dargestellt. Dabei erfolgt der Schliff in senkrechter Richtung zum Band 50 aus Figur 3.
Im Einzelnen sind in Figur 4 mit 51 die Kupfermatrix bezeichnet und mit 52 die darin vorhandenen Chromteilchen. Man erkennt eine nunmehr anisotrope Konzentrationsverteilung des Chromanteils senkrecht zur Oberfläche des Bandes 50. An der Oberfläche des Bandes 50 ergibt sich eine hohe Chrom-Konzen¬ tration und eine feindisperse Verteilung der Chrom-Teilchen. An der Unterseite des Bandes 50 liegt dagegen eine niedrige Chrom-Konzentration vor. Dadurch wird insgesamt die Wärme- leitfähigkeit senkrecht zur Kontaktoberfläche stark positiv beeinflusst, woraus sich ein verbessertes Schaltverhalten, insbesondere im Sinne eines höheren Schaltvermögens, gegen¬ über homogenen, dem Stand der Technik entsprechenden Kontakten ergibt .
Letzteres erleichtert insbesondere die Verbindung der Kon¬ taktauflage auf Kontaktträgern, welche üblicherweise aus Kup¬ fer bestehen. Für die bestimmungsgemäße Verwendung von Kupfer-Chrom-Kontakten bei Vakuumschaltern ist dabei der Chrom- anteil von besonderer Bedeutung. Dieser ist nunmehr an der Oberfläche der Kontaktauflagen konzentriert. Insgesamt ergeben sich somit beachtliche Vorteile für die Ab- brandfestigkeit und andere Schalteigenschaften der Schaltkontakte von Vakuumschaltern. Insbesondere wird bei dieser Me¬ thode der Herstellung das für die Schalteigenschaften notwen- dige Chrom nur noch in dem Bereich bereitgestellt, in dem es physikalisch bedingt benötigt wird, nämlich in dem dem Kontaktspalt zugewandten Oberflächenbereich der Kontakte. Dadurch kann, neben der erreichbaren höheren Feinkörnigkeit des Chroms, mit erheblich geringeren Chromgesamtmengen gearbeitet werden, was deutliche Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Herstellverfahren ergibt .
In der Draufsicht gemäß Figur 5 bedeutet 50 das Legierungs¬ band aus Figur 3, das beispielsweise eine Dicke von 2 mm hat. Aus dem Band 50 können mit einem nicht im Einzelnen darge¬ stellten Werkzeug Scheiben 60 mit beispielsweise vier Radial¬ schlitzen 61 bis 64 ausgestanzt werden. Wesentlich ist dabei, dass nur ein einziges entsprechend ausgebildetes Werkzeug be¬ nötigt wird und dass insbesondere eine nachfolgende spanende Bearbeitung nicht mehr erforderlich ist. Dadurch wird eine weitere Senkung der Herstellkosten gegenüber dem Stand der Technik erzielt.
Ein kompletter Vakuumschalterkontakt 100 zur Verwendung als Radialfeld- oder Axialfeldkontakt in Vakuumschaltgeräten ist in Figur 6 dargestellt. Der Vakuumschalterkontakt 100 besteht aus einem Kontaktbolzen 110 zur Stromführung und einem Kontakttopf 120 mit Schlitzungen 121 bis 124 in der Topfwandung. Auf dem oberen Rand des Kontakttopfes 120 ist die Kontakt- scheibe 60 aus Figur 5 durch Hartlöten befestigt und zwar derart, dass die Schlitze 61 bis 64 an die Schlitzungen 121 bis 124 in der Wandung des Kontakttopfes 120 anschließen.
Durch die Schlitzungen 121 bis 124 im Kontakttopf 120 wird der Strom in den zwischen den Schlitzungen 12 bis 124 gebildeten Bereichen geführt. Dabei entsteht ein Magnetfeld, das den beim Schalten gebildeten Lichtbogen beeinflusst. Jeweils zwei Topfkontakte entsprechend Figur 6 bilden die komplette Kontaktanordnung für einen Vakuumschalter. Je nachdem ob die Schlitzungen in den Kontakttöpfen in die gleiche Richtung oder gegeneinander verlaufen, wird insgesamt ein ra- diales oder ein axial zur Kontaktanordnung verlaufendes Mag¬ netfeld generiert, welches sich auf das Schaltverhalten aus¬ wirkt .
Es können somit kostengünstig Vakuumschalterkontakte mit al- ternativ radialem oder axialem Magnetfeld hergestellt werden. Der senkrecht zur Schaltfläche gerichtete Konzentrationsgra¬ dient des Chroms sorgt für einen minimierten Kontaktabbrand bei optimalem Schaltverhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Kontakten aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) als Schaltkontakte für Vakuumschalter, wobei aus einem CuCr-Schmelzwerkstoff durch schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur eine vorgegebene Chrom-Konzentration im nicht- thermodynamischen Gleichgewicht eingestellt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
- als Ausgangsmaterial für die Schaltkontakte wird ein Band bzw. ein dünnes Blech aus Kupfer (Cu) und Chrom
(Cr) mittels eines Gießverfahrens mit rascher Abkühlung erzeugt,
- aus dem Band bzw. Blech wird eine Kontaktauflage ausge¬ stanzt und - das Stanzteil wird auf einem Kontaktträger befestigt.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Band bzw. Blech eine Stärke von 1 bis 2 mm hat.
3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Bandes bzw. Bleches flüssiges Kupfer-Chrom vorgegebener Konzentration mit hoher Temperatur auf eine drehende Walze gespritzt oder ge- gössen wird, wobei der Walze Kühlmittel zugeordnet sind, so dass die flüssige Metalllegierung abgekühlt wird.
4. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate definiert eingestellt wird.
5. Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die definiert eingestellte Abkühlrate ein vorgegebenes Chrom-Konzentra¬ tionsprofil senkrecht zur Band-/Blechoberflache gezielt ein- gestellt wird.
6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund des Dichteunterschiedes von Chrom und Kupfer sich Chrom an der Oberfläche des Bandes bzw. Bleches anreichert .
7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Befestigung des Stanzteils auf dem Kon¬ taktträger durch Hartlöten erfolgt.
8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Stanzteil eine Kontaktauflage auf dem Kontaktträger gebildet wird.
9. Schaltkontakt aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) für Vakuum¬ schalter, wobei in einer Kontaktauflage der Chromgehalt vor¬ gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktauf- läge chromreiche Teilchen zur Oberfläche hin ausgerichtet sind.
10. Schaltkontakt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kontaktauflage das Chrom in Oberflächennähe des Bleches feinstdispers ausgeschieden ist.
11. Schaltkontakt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfer-Chrom-Bereich in der Kontaktauflage (60) wenige 1/10 mm Stärke hat.
12. Schaltkontakt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktauflage (60) auf einem Kontakttopf (120) auf¬ liegt .
13. Schaltkontakt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktauflage (60) und der Kontakttopf (120) ge¬ schlitzt sind.
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