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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines als Abschirmung
in einer Vakuumschaltröhre
einsetzbaren rohrförmigen
Bauteils.
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Aus
der
DE 10 2004
061 497 A1 ist eine Vakuumschaltröhre bekannt, deren Abschirmung
einheitlich aus einem Kupfer-Chrom-Schmelzwerkstoff mit einem Kupfer- und
Chromanteil von jeweils 50% hergestellt ist.
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Aus
der
DE 39 32 159 C2 ist
eine Abschirmung einer Vakuumschaltröhre bekannt, welche zwischen
zwei Endbereichen aus Edelstahl als erstem Metall einen mittleren
Abschnitt aus einem Kupfer-Chrom-Verbundwerkstoff aufweist, bekannt.
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Aus
der
DE 44 12 991 A1 ist
weiterhin eine Abschirmung für
eine Vakuumschaltkammer bekannt, bei der ein Abschirmkörper aus
einem Sintermaterial wie beispielsweise Kupfer hergestellt ist.
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Aus
der Patentschrift
DE
44 29 379 C2 ist eine Vakuumschaltröhre bekannt, deren zylindrischer Dampfschirm
oder Abschirmung ganz aus Kupfer hergestellt ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Herstellung eines als Abschirmung einsetzbaren
rohrförmigen
Bauteils anzubieten, welches die Vorteile verschiedener Metalle
vereinigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines derartigen als Abschirmung einsetzbaren rohrförmigen Bauteils
sieht als ersten Verfahrensschritt vor, dass in einer Schmelzform mit
einem rohrförmigen
Hohlraum ein in axialer Richtung erster Abschnitt des Hohlraums
mit einem nieder schmelzenden Metall gefüllt wird, wobei in einem weiteren Arbeitsschritt
in dem in axialer Richtung sich anschließenden Abschnitt des Hohlraums
ein mittels eines Pulvers aus hoch schmelzendem Metall hergestellter
rohrförmiger
poröser
Rohling eingebracht wird, und wobei weiterhin in dem in axialer
Richtung sich daran anschließenden
Abschnitt des Hohlraums ein nieder schmelzendes Metall bereitgestellt
wird, bevor der Inhalt der Schmelzform im Vakuum für eine zur
teilweisen Schmelzdiffusion in den porösen Rohling ausreichende Zeit
auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht wird, und wobei schließlich nach
dem Abkühlen
der Schmelzform ein rohrförmiges
Bauteil zur Weiterverarbeitung entnommen wird.
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Ein
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes
als Abschirmung in einer Vakuumschaltröhre einsetzbares rohrförmiges Bauteil
aus Metall verfügt
zwischen zwei Endbereichen aus einem ersten Metall über einen
mittleren Abschnitt verfügt,
der ein zweites Metall mit einer Schmelztemperatur aufweist, die
höher als
die Schmelztemperatur des ersten Metalls ist, und nach dem oben
beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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Dabei
ist es besonders von Vorteil, wenn die Endbereiche aus Kupfer bestehen
und zwischen den Endbereichen ein mittlerer Abschnitt aus einer
Kupfer und Chrom enthaltenden Legierung vorhanden ist.
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Auf
diese Weise wird eine Abschirmung realisiert, die im relevanten
Kontaktspaltbereich aus Kupfer-Chrom besteht. Bei einer derartigen
Gestaltung zeichnet sich die Abschirmung im Kontaktspaltbereich
durch eine hohe Abbrandfestigkeit gegenüber reinem Kupfer aus. Weiterhin
ergibt sich der Vorteil der verminderten Leitfähigkeit zur Reduzierung von
Wirbelströmen
und damit geringerer Wechselwirkungen des Schaltplasmas mit der
Abschirmung. Außerhalb
des Kontaktspaltbereichs kann das dort vorliegende Kupfer besonders
einfach bearbeitet und verformt werden.
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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.
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Es
zeigen:
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1 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vakuumschaltröhre gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
Pressform zum Herstellen eines Presslings, insbesondere eines CrCu-Rohlings,
und
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3 eine
Schmelzform zur Herstellung einer Abschirmung in Gestalt einer metallischen, überwiegend
rotationssymmetrischen Hülle,
in der sich die Werkstoffzusammensetzung nur in axialer Richtung
heterogen verhält.
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1 zeigt
eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vakuumschaltröhre 1,
die ein zweiteiliges hohlzylindrisches Keramikgehäuse 2a und 2b aufweist,
dessen Gehäuseteile 2a und 2b jeweils stirnseitig
durch metallische Deckel 3 und 4 vakuumdicht verschlossen
sind, so dass eine Vakuumschaltkammer 5 ausgebildet ist.
Der Deckel 3 ist von einer Festkontaktstange 6 vakuumdicht
durchgriffen. An dem in der Vakuumschaltkammer 5 angeordneten freien
Ende der Festkontaktstange 6 ist ein Festkontakt 7 angeordnet.
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Der
Deckel 4 wird von einer Schaltstange 8 durchragt,
die einen Bewegkontakt 9 trägt. Der Bewegkontakt 9 und
der Festkontakt 7 weisen Schlitze auf, um ein die Löschung eines
gezogenen Lichtbogens unterstützendes
Magnetfeld zu erzeugen. Die Schaltstange 8 sowie der Bewegkontakt 9 sind
längs beweglich
geführt,
so dass der Bewegkontakt 9 aus seiner in der in 1 gezeigten
Trennstellung heraus in eine Kontaktstellung überführbar ist, in der der Bewegkontakt 9 an
dem Festkontakt 7 anliegt und ein Stromfluss über den
Vakuumschalter 1 ermöglicht
ist. Um für
die Beweglichkeit des Bewegkontaktes 9 zu sorgen, ist dieser über einen
ein- und ausziehbaren Metallfaltenbalg 10 mit dem Deckel 4 vakuumdicht verbunden.
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Werden
die Kontakte 7 und 9 bei einem über die
Vakuumschaltröhre 1 fließenden Strom
voneinander getrennt, wird zwischen den Kontakten 7 und 9 ein
Lichtbogen gezogen. Im Bereich des Kontaktspaltes kommt es aufgrund
der hohen Lichtbogen-temperaturen zu einem Abbrand an den Kontaktflächen der
Kontakte 7 und 9 und damit zu einer Bildung von
Metalldampf.
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Um
die Ablagerung dieses Metalldampfes an der Innenseite des Keramikgehäuses 2a und 2b zu vermeiden,
ist eine Abschirmung 11 vorgesehen. Die zylinderförmige Abschirmung 11 ist
als Hülse
mit drei Abschnitten 12, 13 und 14 ausgebildet.
Die Abschirmung 11 umgibt die aus dem Festkontakt 7 und
dem Bewegkontakt 9 bestehende Kontaktanordnung. Die in 1 im
Innern der Vakuumschaltröhre 1 dargestellte
Abschirmung 11 dient somit zur Vermeidung von Keramikbedampfung
der hohlzylindrischen Keramikgehäuse 2a und 2b.
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Zur
Halterung der als Dampfschirm wirksamen hülsenförmigen Abschirmung 11 ist
diese mit einem Befestigungselement 16 verbunden, das mit den
als Keramikrohr realisierten Gehäuseteilen 2a und 2b fest
verlötet
ist.
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Die
Abschirmung 11 besteht aus einem Metall, insbesondere Kupfer
oder einer Kupfer enthaltenden Legierung, wie beispielsweise Kupfer-Chrom. Vorzugsweise
sind die Endbereiche oder Abschnitte 12, 14 aus
Kupfer und der mittlere Bereich oder mittlere Abschnitt 13 aus
einer Kupfer-Chrom-Legierung hergestellt.
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Nachfolgend
wird beschrieben, wie die metallische, überwiegend rotationssymmetrische
Hülle oder
Abschirmung 11 mit Hilfe eines Schmelzdiffusionsverfahrens
hergestellt werden kann. Das Verfahren zur Herstellung der Abschirmung 11 führt zu einer Abschirmung 11,
deren Werkstoffzusammensetzung sich in axialer Richtung heterogen
verhält.
In der Abschirmung 11 folgen in axialer Richtung abwechselnd auf
einen Abschnitt 12 aus Kupfer ein Abschnitt 13 aus
Kupfer-Chrom, und dann ein Abschnitt 14, der wieder aus
Kupfer besteht.
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Der
Aufbau der Abschirmung 11 aus drei Abschnitten 12, 13 und 14 gestattet
es, durch den mittleren Abschnitt 13 einen Mittelschirm
für Vakuumschaltröhren so
zu realisieren, dass die Abschirmung 11 nur im Kontaktspaltbereich
der Kontakte 7 und 9 aus Kupfer-Chrom besteht.
Der mittlere Abschnitt 13 aus Kupfer-Chrom hat gegenüber einem
Dampfschirm nur aus Kupfer den Vorteil der erhöhten Abbrandfestigkeit des
Kupfer-Chroms, der verminderten Leitfähigkeit zur Reduzierung von
Wirbelströmen und
weiterhin den Vorteil der besseren Eigenschaften von Kupfer-Chrom
bei Wechselwirkungen des Schaltplasmas mit der Abschirmung 11.
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Das
Verfahren zur Herstellung der drei Abschnitte 12, 13, 14 aufweisenden
Abschirmung 11 beginnt damit, dass ein Rohrabschnitt, Pressling oder
Rohling aus gepresstem hochschmelzendem Metall, beispielsweise mechanisch
verdichtetem Chrompulver oder gesintertem Chrompulver, hergestellt
wird. Dies kann mit Hilfe einer in 2 schematisch
dargestellten Pressform 21 aus Stahl oder einer ähnlich aufgebauten
Graphitsinterform erfolgen. Die Pressform 21 besteht im
Wesentlichen aus einem Basisteil 23 mit einem ebenen Boden
und einem ringförmigen
umlaufenden Anschlag 25. Der Anschlag 25 bildet
eine zylinderförmige
Ausnehmung, in die ein Formzylinderkern 27 einsetzbar ist.
Zusammen mit einem den Anschlag 25 auf der Außenseite
umgreifenden Hohlzylinder 29 bildet der Formzylinderkern 27 einen
Ringraum 31. Der Hohlzylinder 29 ist auf einem
Flansch 33 des Basisteils 23 unter Zwischenlage
eines Gummirings 35 abgestützt.
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Zur
Herstellung des mittleren Abschnittes 13 der Abschirmung 11 wird
zunächst
ein Rohrabschnitt, Rohling oder Pressling mit Hilfe der Pressform 21 oder
einer in der Zeichnung nicht dargestellten Graphitsinterform hergestellt,
indem der Ringraum 31 beispielsweise mit einer Mischung
aus Chrompulver und Kupferpulver bis zu einer vorbestimmten Füllhöhe aufgefüllt wird.
Mit Hilfe eines ringförmigen
Pressstempels 32 wird dann das im Ringraum 31 vorhandene
Pulver verdichtet. Um die Formstabilität des im Ringraum 31 entstehenden
Rohlings zu erhöhen, kann
es zweckmäßig sein,
das Pulver in einer Graphitsinterform zu sintern statt es in einer
Pressform 21 aus Stahl zu verdichten. Das Kupferpulver
kann eine Körnung
von 40–250 μm und das
Chrompulver eine Körnung
von 50–300 μm aufweisen.
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3 veranschaulicht
schematisch eine Schmelzform 41 zur Herstellung der Abschirmung 11 mit
den Abschnitten 12, 13 und 14. Die Schmelzform 41 verfügt über eine
kreisscheibenförmige
Bodenplatte 43 mit einem Zentrierloch 42 und einer
kreisförmig
umlaufenden Randleiste 44. Die Bodenplatte 43 sowie
die anderen im folgenden noch beschriebenen Einzelteile der Schmelzform 41 bestehen
vorzugsweise aus Hartgraphit.
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Das
Zentrierloch 42 dient zur Aufnahme eines an einer Formführungssäule 46 ausgebildeten Zapfens 47.
Die Randleiste 44 dient zur Führung eines Führungszylinders 48,
in den ein unteres Formteil 49, ein mittleres Formteil 51,
ein oberes Formteil 53 und ein abschließendes Formteil 55 eingesetzt sind.
Die Formteile 49 bis 55 bestehen jeweils aus einem
an der Formführungssäule 46 geführten inneren Ringteil 54 und
einem vom Führungszylinder 48 geführten äußeren Ringteil 56.
Sie berühren
sich entlang von Ringflächen,
die mit in der Zeichnung erkennbaren Ausnehmungen und Vorsprüngen ineinander
greifen. Die Formteile 49 bis 55 bestehen somit jeweils
aus einem äußeren Ringteil 56,
der gegen den Führungszylinder 48 abgestützt ist,
sowie jeweils einem inneren Ringteil 54, der durch die
Formführungssäule 46 geführt ist.
Zwischen den inneren und äußeren Ringteilen 54, 56 der
Formteile 49, 51, 53 und 55 sind
jeweils ringförmige
oder rohrförmige Hohlräume ausgebildet.
Da der Zwischenraum zwischen dem inneren und äußeren Ringteil des unteren Formteils 49 in
radialer Richtung kleiner ist als der entsprechende Spalt in den
anderen Formteilen 51, 53 und 55, ergibt
sich in dem rohrförmigen
Hohlraum ein umlaufender Absatz 59.
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Zur
Herstellung der Abschirmung wird der rohrförmige Spalt im Bereich 61 des
unteren Formteils 49 mit einem nieder schmelzenden Metall
ganz oder teilweise gefüllt.
Dabei kann es sich um ein Kupfer-Pulver oder um einen Abschnitt
eines Kupfer-Rohres
handeln. Der rohrförmige
Spaltabschnitt 63 zwischen den beiden Ringteilen des mittleren Formteils 51 dient
zur Aufnahme von hoch schmelzendem Metall wie einem rohrförmigen Pressling 65, der
beispielsweise in der Pressform 21 aus einer Mischung von
Kupferpulver mit einer Körnung
von 40–300 μm und Chrompulver
mit einer Körnung
von 50–300 μm hergestellt
wurde.
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Statt
eines Presslings 65 kann auch ein Rohling verwendet werden,
der durch Sintern von Chrompulver hergestellt wurde. Dazu kann ein
Chrompulver mit einer Körnung
von 50–300 μm bei einer
Temperatur von 1250°C
während
60 min in einem in der Zeichnung nicht dargestellten Vakuumofen
geglüht werden.
Die Abmessungen des Rohlings oder Presslings 65 sind dabei
so gewählt,
dass er am umlaufenden Absatz 59 anschlägt und nicht in den Spalt des unteren
Formteils 49 absinken kann, auch wenn dieser nur teilweise
mit einem Material gefüllt
ist. Nach dem Einsetzen des Rohlings oder Presslings 65 in den
Spaltabschnitt 63 wird der Spaltabschnitt 67 im Bereich
der Formteile 53 und 55 ähnlich wie der rohrförmige Spalt
im Bereich 61 mit einem nieder schmelzenden Metall ganz
oder teilweise ausgefüllt.
Dabei kann es sich wiederum um ein Kupfer-Pulver oder um einen Abschnitt eines
Kupfer-Rohres handeln.
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Wenn
die Schmelzform 41 im Vakuum auf die Schmelztemperatur
des nieder schmelzenden Metalls, insbesondere des Kupfers, erhitzt
wird, füllt das
geschmolzene Metall die Schmelzform 41 im unteren Bereich 61 aus.
Das niedrig schmelzende Metall, insbesondere Kupfer, im oberen Bereich 67 diffundiert
dann durch den Pressling 65 und füllt dessen Poren aus. Dadurch
entsteht im rohrförmigen
Spaltabschnitt 63 eine Legierung aus dem nieder und hoch
schmelzenden Metall. Über
die Porigkeit des Rohlings oder rohrförmigen Presslings 65 lässt sich die
Legierung in ihrer Zusammensetzung verändern. Bei der vorbeschriebenen
Anordnung für
die Herstellung der Abschirmung 11 in der Schmelzform 41 wird das
niedrig schmelzende Metall aus dem oberen Bereich 67 als
Legierungsdepot verwendet. Aus diesem Grunde muss im oberen Bereich 67 eine
ausreichende Menge an Material vorgehalten werden, um ein homogenes
Gefüge
sicherzustellen.
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Die
Einwirkdauer der schmelzflüssigen
Phase muss so lange ausgedehnt werden, bis der Rohling oder rohrförmige Pressling 65 vollständig durch das
niedrig schmelzende Metall, insbesondere Kupfer, gesättigt ist.
Der beschriebene Schmelzvorgang bei einer Temperatur von 1150 bis
1250°C mit
einer Haltezeit von 20 bis 60 min erfolgt im Vakuum, um ein Oxidieren
der verwendeten Metalle, insbesondere des Kupfers und des Chroms,
zu verhindern. Geschieht dies nicht im Vakuum, findet keine Verbindung
der Metalle statt.
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Wenn
der in der Schmelzform 41 erstellte Schmelzrohling für die Abschirmung 11 abgekühlt ist, wird
er der Schmelzform 41 entnommen. Anschließend kann
eine spanabhebende Bearbeitung sowie auch eine spanlose Verformung
der Abschirmung 11 erfolgen, um die einbaufertige Abschirmung
zu erhalten.
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Die
auf die oben beschriebene Weise hergestellte Abschirmung 11 bildet
eine hohlzylinderförmige
Hülle,
in der sich metallische Materialien in axialer Richtung einander
abwechseln, wobei die Übergänge zum
mittleren Abschnitt 13 abrupt sind. An einem Übergang
liegt immer ein nieder schmelzendes Metall und eine Legierung aus
dem nieder schmelzenden und hoch schmelzenden Metall vor. Die beschriebene
Kombination von Kupfer-Kupfer-Chrom-Kupfer stellt eine Abschirmung 11 dar,
die als Dampfschirm in Vakuumschaltröhren 1 in besonders
vorteilhafter Weise eingesetzt wird, um im relevanten Kontaktspaltbereich
eine erhöhte
Abbrandfestigkeit und Reduzierung von Wirbelströmen zu erzielen.