WO1990015425A1 - VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES CuCr-KONTAKTWERKSTOFFES FÜR VAKUUMSCHÜTZE SOWIE ZUGEHÖRIGER KONTAKTWERKSTOFF - Google Patents

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES CuCr-KONTAKTWERKSTOFFES FÜR VAKUUMSCHÜTZE SOWIE ZUGEHÖRIGER KONTAKTWERKSTOFF Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a contact material for contact pieces of Vakuumster ⁇ 'h- 5 ren, which consists essentially of copper and chromium in a ratio of 50 to 70 wt .-% Cu and 30 to 50 wt .-% Cr, and on a contact material produced in this way.
  • vacuum contactors and vacuum medium-voltage circuit breakers differ fundamentally. Electrical contact cycles with a nominal current of at least 20 million are required for the contactor. Since use cases such as reversing circuits must also be mastered here, no errors, in particular electrical re-ignitions, may occur when switching off, which can lead to immediate phase short-circuits.
  • the circuit breaker on the other hand, is expected to have .5 lower switching numbers, such as 20,000 switching cycles at rated current. Reversing circuits are not common in circuit breakers.
  • EP-B-0 172 411 specifies for the first time a vacuum contactor with contact pieces made of CuCr contact material and a method for producing the contact pieces.
  • the contact material is created by remelting in the arc and has a very fine, homogeneous distribution of chromium in the copper matrix and an excellent bond between the two components. Because of these special features, the erosion resistance of such CuCr contact materials increases significantly, so that they meet the requirements in vacuum contactor operation; at the same time, the burn-up of the contact pieces becomes uniform, which eliminates the cause of reignitions after zero current.
  • the object of the invention is therefore to specify a further method with which contact material based on CuCr can also be produced for use in vacuum contactors, and the contact material created therewith.
  • the object is achieved according to the invention in that a powder mixture of the components is produced, that the powder mixture is pressed and sintered until a closed porosity is achieved, and that the sintered body is then cold-formed.
  • a closed porosity is generally achieved in the CuCr material produced according to the invention from 92% space filling. Sintered bodies with a lower degree of space filling would allow gas or air exchange into the interior of the workpiece due to open porosities. Gas and air contents introduced in this way are predominantly included in the subsequent cold forming and have a negative effect on the switching properties of the contact piece.
  • the invention creates a CuCr material which is suitable for vacuum protection and which, owing to its type of production, has the advantage of being particularly inexpensive.
  • the condition for the suitability as a contact matrix namely the intimate and trouble-free connection of the components copper and chromium, is not obtained here by a welding process, but by cold welding the structural components.
  • the copper and chromium components undergo strong deformation: the interfaces between the individual components are torn open and cold-welded.
  • the resulting connection of the two components is so firm that, surprisingly, the requirements for the use of such a material for the contact pieces in the vacuum contactor are well met.
  • the final compression achieved in the method according to the invention is in any case over 99% space filling.
  • the material utilization in this process is very high.
  • the volume of the sintered body can be adapted to that of the upsetting shape, and its dimensions are designed as close as possible to the final geometry of the contact pieces, so that only an economical overturning of the surfaces is required. This allows the method described to be used very inexpensively.
  • a cold flow or rolling step can also be selected instead of an upsetting process, a minimum degree of deformation of> _ O% also having to be observed.
  • Cu powder with particle size distributions ⁇ 63 ⁇ m and Cr powder with particle size distributions ⁇ 40 ⁇ m are mixed dry in a ratio of 60:40 and pressed with a pressure of, for example, 800 MPa to form cylinders whose diameter is approximately equal to their height.
  • the compacts are sintered under high vacuum with a pressure p _ ⁇ 10 " bar at approximately 1050 ° C. for approximately three hours, after which a degree of space filling of approximately 94% results.
  • the sintered body is then compressed in air into a mold whose shape Diameter is about five times its height After overturning the surfaces, individual contact pieces in the form of disks result from being separated.
  • a variant of the above example consists in the special geometry of the contact shape, such as e.g. To produce roundings, bevels and / or depressions without later removal of the material being necessary.
  • Cu powder with particle size distributions ⁇ 63 ⁇ m and Cr powder with particle size distributions ⁇ 63 ⁇ m are dry mixed in a ratio of 55:45 and cold pressed isostatically at a pressure of approx. 3000 bar to cylinders with a diameter of 80 mm.
  • the Preßkörp ⁇ r be high purity hydrogen having a dew point less than -60 ⁇ C was heated to 1000 ° C and about 1030 "C for about six hours under high vacuum with a pressure p 10" sintered mbar, whereupon a Jardiner circallungs ⁇ degree of about 95%.
  • the sintered bodies are then formed by full forward extrusion into rods with a diameter of 35 mm, the degree of deformation being about 65%. After overturning the lateral surfaces, the rod is cut to length in Disks of 5 mm in height receive a plurality of contact pieces.

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Abstract

Zur Herstellung von CuCr-Kontaktwerkstoffen sind rein pulvermetallurgische Verfahren, Sinter-Tränk-Verfahren und auch schmelzmetallurgische Verfahren bekannt. Als Kontaktmaterial für Vakuumschütze auf Kupfer-Chrom-Basis eignen sich lediglich schmelzmetallurgisch hergestellte Werkstoffe. Gemäß der Erfindung wird ein Kontaktwerkstoff für Vakuumschütze, der im wesentlichen aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) im Verhältnis 50 bis 70 Gew.% Cu und 30 bis 50 Gew.% Cr besteht, dadurch hergestellt, daß eine Pulvermischung der Komponenten gepreßt und gesintert wird bis eine geschlossene Porosität erreicht ist und daß anschließend der Sinterkörper kaltverformt wird. Es konnte gezeigt werden, daß mit diesem Verfahren wie beim Schmelzen eine innige und störungsfreie Bindung der Komponenten Cu und Cr durch Kaltverschweißen der Gefügebestandteile erhalten wird.

Description

" 1 Verfahren zur Herstellung eines CuCr-Kontaktwerkstoffes für Vakuumschütze sowie zugehöriger Koπtaktwerkstoff
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes für Kontaktstücke von Vakuumschützrό'h- 5 ren, der im wesentlichen aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 50 bis 70 Gew.-% Cu und 30 bis 50 Gew.-% Cr besteht,sowie auf einen derart hergestellten Kontaktwerkstoff.
Nachdem sich das Vakuumschaltprinzip im Bereich der Mittelspan- 10 nung, d.h. im Bereich von ca. 7,2 bis 4o kV weltweit als füh¬ rendes Schaltprinzip durchgesetzt hat, gewinnt es auch für den Schützeinsatz zunehmend an Bedeutung. Nach den Hochspannungs¬ schützen für den Spannungsbereich von ca. 1 bis lo kV wurden inzwischen auch Vakuumschütze für Niederspannung entwickelt 15 und eingesetzt.
Die Anforderungen an Vakuumschütze und Vakuummittelspannungs- Leistungsschalter unterscheiden sich grundsätzlich. So werden beim Schütz elektrische Schaltspiele unter Nennstrom von min- 20 destens 1 Million gefordert. Da hierbei auch Einsatzfälle wie Wendeschaltungeπ beherrscht werden müssen, dürfen beim Ausschalten keine Fehler wie insbesondere elektrische Wieder¬ zündungen auftreten, die zu unmittelbaren Phasenkurzschlüssen führen können. Vom Leistungsschalter werden dagegen deutlich .5 geringere Schaltzahleπ erwartet, wie beispielsweise 20.000 Schaltspiele bei Nennstrom. Wendeschaltungen sind bei Lei¬ stungsschaltern nicht üblich.
Beim Schütz müssen zwar auch um Faktoren höhere Ströme als der 30 Nenπstrom noch sicher aus- und verschweißfrei eingeschaltet werden können; es wird jedoch kein Kurzschlußstrom-Ausschalt- vermögeπ wie beim Leistungsschalter verlangt, da Schütze vor¬ geschaltete Sicherungen besitzen.
35 Entsprechend den abweichenden Anforderungen an die Schaltεigen- schaften von Schützen im Vergleich zu Leistungsschaltern unter¬ scheiden sich auch die Anforderungen an das Kontaktmaterial. Beim Vakuumleistungsschalter haben sich als am besten geeignete Werkstoffe Kontaktmaterialien auf der Basis von CuCr durchge- setzt. Für Vakuumschütze sind dagegen nach wie vor Werkstoffe wie WCu, MoCu oder WCAg - gegebenenfalls mit weiteren Zu¬ sätzen - üblich, obwohl sie unter anderem mit steigender Schaltzahl im Schaltvermögen und in der dielektrischen Fe¬ stigkeit nachlassen. Bei Versuchen, auch für Schütze CuCr- Werkstoffe einzusetzen und ihre Vorteile wie gleichbleibend hohes Schaltvermögen, gute Getterfähigkeit oder große dielek¬ trische Festigkeit zu nutzen, zeigte sich, daß herkömmlich ge¬ fertigte CuCr-Werkstoffe - wie sie beispielsweise in der DE-OS 29 14 186, der DE-OS 34 06 535, der DE-OS 25 21 504 oder der EP-A-0 178 796 beschrieben sind - die Erwartungen nicht er¬ füllen. Probleme werden bei solchen Sinter- bzw. Sinter-Tränk- Werkstoffen durch das Abbrandverhalten bei hohen Schaltzahlen verursacht: Der beim Abbrand entstehende Matεrialverlust über¬ schreitet die tolerierbaren Grenzwerte, wodurch die gewünschten Nennstromschaltzahlen nicht mehr erreicht werden. Außerdem er¬ geben sich stark zerklüftete Strukturen auf den Schaltflächen, was mit der Tendenz zu dielektrischem Fehlverhalteπ in Form von Wiederzündungen nach Stromnull verbunden ist.
In der EP-B-0 172 411 wird erstmals ein Vakuumschütz mit Koπ- taktstücken aus CuCr-Kontaktmaterial und ein Verfahren zur Her¬ stellung der Kontaktstücke angegeben. Das Kontaktmaterial wird dabei durch Umschmelzen im Lichtbogen erzeugt und besitzt eine sehr feine, homogene Verteilung von Chrom in der Kupfermatrix und eine hervorragende Bindung zwischen beiden Komponenten. Aufgrund dieser Besonderheiten erhöht sich die Abbrandfestig- keit derartiger CuCr-Kontaktwerkstoffe deutlich, so daß sie den Anforderungen im Vakuumschütz-Betrieb genügen; zugleich wird das Abbrandbild der Kontaktstücke gleichmäßig, womit die Ursache für Wiederzündungen nach Stromnull beseitigt ist.
Das Verfahren des Lichtbogenumschmelzens ist nur bei Umschmelz- elektroden großen Durchmessers wirtschaftlich einsetzbar. Für Schütze werden aber Kontaktstücke mit vergleichsweise kleinem Durchmesser benötigt. Im Ergebnis ist dadurch die Materialaus- nutzuπg des umgeschmolzenen Materials vergleichsweise gering, was die Wirtschaftlichkeit verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein weiteres Verfahren, mit dem ebenfalls Kontaktmaterial auf der Basis von CuCr zur Verwendung in Vakuumschützen hergestellt werden kann, sowie den damit geschaffenen Kontaktwerkstoff anzugeben.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Pul¬ vermischung der Komponenten hergestellt wird, daß die Pulver¬ mischung gepreßt und gesintert wird, bis eine geschlossene Porosität erreicht ist, und daß anschließend der Sinterkörper kaltverformt wird.
Eine geschlossene Porosität wird beim erfindungsgemäß herge¬ stellten CuCr-Werkstoff im allgemeinen ab 92 % Raumerfüllung erreicht. Sinterkörper mit einem geringeren Raumerfüllungsgrad würden aufgrund offener Porositäten einen Gas- bzw. Luftaus¬ tausch in das Werkstückinnere erlauben. Derart eingebrachte Gas- bzw. Luftgehalte werden beim nachfolgenden Kaltverformen überwiegend eingeschlossen und wirken sich negativ auf die Schalteigenschaften des Kontaktstückes aus.
Mit der Erfindung ist ein vakuumschütztauglicher CuCr-Werk- stoff geschaffen, der aufgrund seiner Herstellungsart den Vor¬ teil hat, besonders kostengünstig zu sein. Die Voraussetzung für die Eignung als Kontaktmatrix, nämlich die innige und störungsfreie Verbindung der Komponenten Kupfer und Chrom, wird hierbei jedoch nicht durch einen Sch elzvorgaπg, sondern durch Kaltverschweißen der Gefügebestandteile erhalten. Dazu wird vorteilhafterweise von einer gesinterten CuCr-Pulvermischung ausgegangen, die anschließend in eine Form kaltgestaucht wird, wobei wesentlich ist, daß beim Stauchen ein Umformgrad von mindestens 40 % erzielt wird. Während dieses Umformprozesses erfahren die Bestandteile Kupfer und Chrom eine starke Defor¬ mation: Die Grenzflächen zwischen den einzelnen Bestandteilen werden aufgerissen und kaltverschweißt. Die daraus resultie¬ rende Verbindung der beiden Komponenten ist so fest, daß über¬ raschenderweise die Anforderungen für den Einsatz eines der¬ artigen Materials für die Kontaktstücke im Vakuumschütz gut erfüllt werden.
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Endverdichtuπg liegt in jedem Fall über 99 % Raumerfüllung.
Die Materialausnützung ist bei diesem Verfahren sehr hoch. Das Volumen des Sinterkörpers kann dem der Stauchform angepaßt wer¬ den, und diese wird in ihren Abmesssungen möglichst nahe der Endgeometrie der Kontaktstücke ausgelegt, so daß nur noch ein sparsames Überdrehen der Oberflächen erforderlich ist. Damit kann mit dem beschriebenen Verfahren sehr kostengünstig gear- beitet werden.
Um die benötigte Werkstoffverfestigung durch Kaltschweißen zu erhalten, kann anstelle eines Stauchprozesses auch ein Kalt¬ fließ- oder Walzschritt gewählt werden, wobei ebenfalls ein Mindestumformgrad von >_ O % eingehalten werden muß.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen, wobei weiter unten auf ein lichtmikroskopisches Gefügebild Bezug genommen wird.
Beispiel 1:
Cu-Pulver mit Teilchengrößenverteilungen < 63 μm und Cr-Pulver mit Korngrößenverteilungen < 40 μm werden im Verhältnis 60:40 trocken gemischt und mit einem Druck von beispielsweise 800 MPa zu Zylindern verpreßt, deren Durchmesser etwa gleich ihrer Höhe ist. Die Preßlinge werden unter Hochvakuum mit einem Druck p _< 10" bar bei etwa 1050βC für etwa drei Stunden ge- sintert, wonach sich ein Raumerfüllungsgrad von ca. 94 % ergibt. Anschließend wird der Sinterkörper an Luft in eine Form gestaucht, deren Durchmesser etwa das Fünffache ihrer Höhe be¬ trägt. Nach Überdrehen der Oberflächen ergeben sich durch Ab¬ trennen einzelne Kontaktstücke in Scheibenform.
Eine Variante zu obigem Beispiel besteht darin, über die Geo¬ metrie der Stauchform unmittelbar spezielle Konturen der Kon¬ taktstücke wie z.B. Abrundungen, Schrägen und/oder Vertiefungen zu erzeugen, ohne daß eine spätere Materialabtragung notwendig wäre.
Beispiel 2:
Cu-Pulver mit Teilchengrößenverteilungen < 63 μm und Cr-Pulver mit Korngrößenverteilungen < 63 μm werden im Verhältnis 55:45 trocken gemischt und isostatisch bei einem Druck von ca. 3000 bar zu Zylindern von 80 mm Durchmesser kalt verpreßt. Die Preßkörpεr werden unter hochreinem Wasserstoff, der einen Taupunkt kleiner als -60βC hat, auf 1000°C aufgeheizt und bei etwa 1030"C etwa sechs Stunden lang unter Hochvakuum mit einem Druck p 10" mbar gesintert, wonach sich ein Raumerfüllungs¬ grad von ca. 95 % ergibt. Die Sinterkörper werden anschließend durch Vollvorwärtsfließpressen zu Stangen von 35 mm Durchmesser umgeformt, wobei der Umformgrad etwa 65 % beträgt. Nach Über¬ drehen der Mantelflächen werden durch Ablängen der Stange in Scheiben von 5 mm Höhe eine Mehrzahl von Kontaktstücken er¬ halten.
Aus dem zugehörigen Gefügebild wird deutlich, daß in eine Kupfermatrix 1 Chrompartikel 2 eingebettet sind. Insbesondere durch die Umformung des Sinterkörpers mittels Stauchen werden die ursprünglich regellos ausgebildeten und durch Sinter¬ brücken teilweise verbundenen Chromteilcheπ vorwiegend zel¬ lenförmig gestreckt und dabei mit dem sie umgebenden Kupfer kaltverschweißt. Dieser Kaltverschweißung werden die guten Gebrauchseigenschaften des Kontaktwerkstoffes bei Vakuum¬ schützen zugemessen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes für Kontaktstücke von Vakuumschützröhren, der im wesentlichen aus Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) im Verhältnis von 50 bis 70 Gew.-% Cu und 30 bis 50 Gew-% Cr besteht, mit folgenden Verfahrens¬ schritten:
- Aus Pulvern der Komponenten wird eine Pulvermischung herge¬ stellt,
- die Pulvermischuπg wird gepreßt und gesintert bis eine ge- schlossene Porosität erreicht ist,
- anschließend wird der Sinterkörper kaltverformt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß der Umformgrad beim Kaltverformen min- destens 40 % beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kaltverformen der Sinter¬ körper durch Stauchen geschieht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Stauchform mit einer Kontur nahe der gewünschten Geometrie des Kontakt¬ stückes verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pulvermischuπg der Kompo¬ nenten zu zylindrischen Formkörpern verpreßt wird, die an¬ nähernd die für ein Koπtaktstück benötigte Materialmeπge ent¬ halten.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß der zylindrische Formkörper mit einem Druck zwischen 400 und 1000 MPa, vorzugsweise 800 MPa, gepreßt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kaltumformen der Sinter¬ körper durch Fließpressen geschieht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pulvermischung der Kom¬ ponenten isostatisch mit einem Druck von mehr als 2000 bar zu zylindrischen Formkörpern verpreßt wird, die mindestens das Zwanzigfache der für ein Kontaktstück benötigten Materialmenge enthalten.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pulverpreßlinge bei Tem¬ peraturen unterhalb der Schmelztemperatur von Kupfer, insbe¬ sondere zwischen 1000'C und 1070°C, im Hochvakuum mit einem Druck p 10~ mbar gesintert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß der Sinterprozeß mindestens teil¬ weise in hochreinem Wasserstoff durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Pulvermischung aus Kupfer und Chrom weitere Zusätze zur Verbesserung der Schalt¬ eigenschaften des Kontaktstückes, wie beispielsweise Aluminium > (AI), Eisen (Fe), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Tantal (Ta), Titan (Ti), Wolfram (W), Zirkon (Zr) und/oder Tellur /Te), Selen (Se), Wismut (Bi), Antimon (Sb) enthält.
12. Kontaktwerkstoff für Kontaktstücke von Vakuumschutzröhren auf der Basis von Kupfer (Cu) und Chrom (Cr), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er pulvermetallurgisch her¬ gestellt ist, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 11, daß Chromteilchen (2) in einer Kupfermatrix (1) eingebettet sind und daß die Chromteilchen mit dem sie umgebenden Kupfer verschweißt sind.
13. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 12, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Chromteilchen (2) in der Kupfermatrix (1) zellenförmig gestreckt sind.
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