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Die Erfindung betrifft Kontaktelemente für elektrische Schaltkontakte für jeden Spannungsbereich. Insbesondere betrifft die Erfindung Kontaktelemente für solche Schaltkontakte, wie sie für Vakuumröhren (Vakuumschaltröhren) verwendet werden. Genauer gesagt betrifft die Erfindung die Herstellung von Kontaktelement-Halbzeugen für elektrische Schaltkontakte, die Herstellung von Kontaktelementen für elektrische Schaltkontakte und die Herstellung von elektrischen Schaltkontakten sowie eine Vorrichtung zur Herstellung dieser Teile.
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Elektrische Schaltkontakte in Vakuumröhren müssen verschiedenen Anforderungen genügen. Im geschlossenen Zustand soll Strom geleitet werden, weshalb für die Kontaktelemente der Schaltkontakte ein Kontaktmaterial mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit zum Einsatz kommt. Bei Ein− und Ausschalten treten aufgrund der hohen Kontaktdrücke und Schaltgeschwindigkeiten große mechanische, thermo−mechanische und thermo−physikalische Belastungen, sowie extreme Temperaturbelastungen durch Lichtbögen auf. Darum wird als Kontaktmaterial meist eine Mischung aus zwei oder mehr metallischen oder nichtmetallischen Komponenten verwendet. Die Mischung umfasst mindestens eine sehr gut leitende Komponente und eine Komponente mit hoher mechanischer und thermischer Belastbarkeit. Beispiele hierfür sind CuCr oder WCAg oder WCu, wobei Cu (Kupfer) bzw. Ag (Silber) für die gute elektrische Leitfähigkeit und Cr (Chrom), WC (Wolframcarbid) bzw. W (Wolfram) für die Abbrandfestigkeit und die guten mechanischen Eigenschaften verantwortlich ist.
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Bekannte Kontaktelemente für elektrische Schaltkontakte umfassen daher typischerweise relativ hochschmelzende metallische Legierungen und/oder einen Verbundwerkstoff mit zumindest einer relativ hochschmelzenden Materialkomponente. Um eine Oxidation durch die bei Schaltvorgängen oft stattfindenden Spannungsüberschläge zu vermeiden, weisen solche Legierungen neben ihren hochschmelzenden Komponenten oft auch Edelmetalle wie Silber, Gold, Platin und/oder Halbedelmetalle wie Kupfer auf.
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Bekannt sind beispielsweise Vakuumschalter mit Schaltkontakten, welche aus Kontaktelementen aus einer vorzugsweise hochschmelzenden und ebenfalls vorzugsweise oxidationsstabilen Legierung wie einer Halbedelmetalllegierung und/oder einer Edelmetalllegierung. Diese Kontaktelemente sind beispielsweise als Kontaktscheiben ausgebildet mit Dicken von normalerweise 3 bis 8 mm und werden im Betrieb beim Schaltvorgang durch den entstehenden Lichtbogen im oberflächennahen Bereich mit hohen thermischen Anforderungen belastet. Um dennoch eine ausreichende Lebensdauer des Kontaktelements zu gewährleisten werden bislang beispielsweise Kupfer-Chrom-Legierungen mit hohem Chromanteil eingesetzt.
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Normalerweise werden zur Herstellung der Kontaktelemente Produktionsverfahren wie Sintern, Infiltration, Umschmelzen etc. eingesetzt, wodurch im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung sowohl in Dicken- als auch in radialer Richtung homogene Kontaktscheiben produziert und verwendet werden. Diese Kontaktelemente sind jedoch nicht dem Anforderungsprofil des Schalters optimal angepasst. Insbesondere wird nicht berücksichtigt, dass die Kontaktelemente im oberflächennahen und/oder mittigen Bereich ganz anderen Anforderungen an thermische, mechanische und elektrische Belastbarkeit ausgesetzt sind als im Randbereich und/oder im oberflächenfernen Bereichen des Kontaktelements.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Kontaktelemente zu schaffen, die insbesondere den innerhalb der Kontaktelemente unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich thermischer und mechanischer Belastung gerecht werden, also insbesondere eine oberflächennahe und/oder mittige Materialzusammensetzung haben, die sich durch hohe Güte hinsichtlich Dichte, Feinheit des Gefüges, also insbesondere Korngröße und Lunkerfreiheit, auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass außer dem oberflächennahen Bereich des Kontaktelements und dort insbesondere den der Mittenposition am nächsten liegenden Regionen die restlichen, anderen Bereiche des Kontaktelements im Betrieb nicht so extrem beansprucht werden und entsprechend auch nicht diese hohe Materialgüte und Dicke der Kontaktscheibe aufweisen müssen, um eine gleichbleibend hohe Lebensdauer des hergestellten Kontaktelements zu gewährleisten.
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Entsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Kontaktelement für einen Schaltkontakt, eine Trägerplatte und darauf eine Kontaktschicht umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht durch Spark-Plasma-Sintern (PSP) herstellbar ist und dünn ist, insbesondere eine Dicke kleiner 5 mm hat, feinkristallin und nahezu porenfrei vorliegt, so dass die Kontaktschicht ein Gewicht hat, das größer / gleich 99,5% des theoretischen, porenfreien Materials ausmacht.
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Unter dem genannten Kontaktelement soll hierbei allgemein ein tragendes Element eines elektrischen Schaltkontakts verstanden werden. Es kann sich somit beispielsweise um den eigentlichen Kontaktkörper des Schaltkontakts handeln, über dessen Oberfläche ein trennbarer elektrischer Kontakt zu einem entsprechenden zweiten Kontaktkörper des Schaltkontakts hergestellt werden kann. Oder aber es kann sich um einen Kontaktträger des Schaltkontakts handeln, durch den ein solcher Kontaktköper mechanisch getragen wird.
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Die Verwendung des Spark Plasma Sintering (SPS) Verfahrens zur Herstellung der Kontaktschicht des Kontaktelements lässt sich an dem feinkristallinen und porenfreien Material beispielsweise dadurch nachweisen, dass kaum Kornabrundung des feinkristallinen Materials und/oder kaum Kornabrundung auf der Oberfläche der Trägerplatte erkennbar oder nachweisbar ist, weil kein Aufschmelzen des Materials erfolgt, sondern ein Plasma Sintering, das die Form der eingesetzten Partikel im wesentlichen unbeschadet übersteht, weil die Sinterung und Kompaktierung des Materials beim SPS weit unterhalb der Schmelztemperatur erfolgt und/oder die Prozesszeiten der Heiz- oder Kühlrampe extrem kurz sind. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass sich die Kornstruktur nicht wesentlich verändert und somit die Feinkörnigkeit der Ausgangswerkstoffe nicht durch Kristallwachstum vergröbert wird.
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Das hier beanspruchte porenfreie Material wird im Gegensatz zum Aufschmelzen beim Sintern über SPS auf die Trägerplatte aufgebracht und zeigt wie gesagt ein typisches Interface, also eine ganz spezielle Grenzfläche zwischen Träger und Kontaktschicht, die sich durch geradlinige Korngrenzen, hohe Dichte und Porenfreiheit auszeichnet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Trägerplatte aus einem gut elektrisch und thermisch leitenden Material, das auch hohe mechanische Stabilität aufweist wie beispielsweise aus einem Stahl und/oder einem Halbedelmetall wie Kupfer.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktschicht nicht homogen aufgebaut, sondern weist einen Gradienten in der Materialzusammensetzung auf, so dass der erhöhten thermischen, elektrischen und mechanischen Belastung der Mitte des Kontaktelements beim Betrieb Rechnung getragen werden kann.
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Beispielsweise können verschiedene Materialzusammensetzungen einer Kupfer-Chrom-Legierung in der Kontaktschicht realisiert sein. So können innere und äußere Bereiche unterteilt sein, wobei im Cr-reichsten und innersten Bereich beispielsweise eine Materialzusammensetzung von CuCrx von x = 0,3 bis 0,5 vorliegt, die sich nach außen hin bis zu einer Materialzusammensetzung von CuCrx x = 0 bis 0,01 reduziert.
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Ein Kontaktelement nach der vorliegenden Erfindung zeigt vorzugsweise keine oder nur geringe Diffusion bei erhöhter Temperatur und dadurch auch keine Vergleichmäßigung der Materialzusammensetzung bei längerer Betriebsdauer. Durch den speziellen Aufbau der durch SPS hergestellten Kontaktschicht können Inhomogenitäten und Konzentrationsunterschiede innerhalb der Kontaktschicht auch beim Betrieb lange aufrechterhalten werden.
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Entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass hier ein Kontaktelement und eine Fertigungsmethode zur Herstellung eines Kontaktelements offenbart wird, die es erlaubt, entsprechend hochwertige Kontaktschichten aus feinkristallinem Kontaktmaterial auf einem kostengünstigen Träger, z.B. auf Platten aus sauerstofffreiem Kupfer, aufzubringen. Dadurch kann eine erhebliche Material- und Kostenersparnis bei der Kontaktfertigung erzielt werden. Insbesondere vorteilhaft ist auch, dass die Konzentration an beispielsweise Chrom in axialer und/oder in radialer Richtung einer Kontaktscheibe gezielt einstellbar ist. So können lokal benötigte Werkstoffeigenschaften wie Abbrandfestigkeit, Verschweißneigung, Verbesserung der Lichtbogenausbreitung etc. optimiert werden.
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Mit Hilfe der Spark-Plasma-Sinterns ist es wirtschaftlich möglich, pulvermetallurgische Schüttungen und/oder niedrigdichte Sintervorkörper zu der benötigten Dichte, Porenfreiheit und feinkristallinen Gefügeausprägung zu verdichten. Die Schüttungen und/oder die Sinterkörper können in entsprechend dünnen, gegebenenfalls radial und/oder axial gradierten Schichten auf Trägerplatten aus beispielsweise Kupfer aufgebracht werden und werden anschließend durch das SPS-Verfahren verdichtet, ohne dass die durch die verwendeten pulvermetallurgischen Ausgangswerkstoffe eingestellten Gefüge (Korngrößen) und Konzentrationsverläufe, wie beispielsweise die Chromkonzentrationsverläufe, zerstört werden.
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Bei herkömmlichen Sinterverfahren zur Herstellung dichter Kontaktwerkstoffe wird im Gegensatz dazu aus verfahrenstechnischen Gründen im Allgemeinen eine Chromfraktion mit Korngrößen zwischen 150µm bis zu 300µm eingesetzt, so dass in der Regel das für entsprechend belastbare Kontaktelemente benötigte feinkristalline Gefüge nicht erzielt werden kann.
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Vorzugsweise haben Kontaktelemente nach der vorliegenden Erfindung eine hohe Dichte, also mindestens 99,5% des theoretischen Gewichts des Materials verbunden mit einer Freiheit des Gefüges von Poren, Gas- und/oder oxidischen Einschlüssen, auch Lunkerfreiheit genannt, und/oder eine besonders feinkristalline Ausprägung des Gefüges mit Korngrößen vorzugsweise unter 60µm, unter 50 µm, besonders bevorzugt unter 35µm und insbesondere vorzugsweise unter 20µm.
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Der Einsatz des Spark-Plasma-Sintering-Verfahrens zur Herstellung von Kontaktelementen eignet sich in überraschender Weise hervorragend, um alle geforderten Eigenschaften von elektrischen Kontaktelementen auf der Basis hochschmelzender, edler, halbedler Metalle und/oder sonstiger Metalllegierungen zu erfüllen. Dies gilt insbesondere für die besonders anspruchsvollen Kontaktelemente von beispielsweise Vakuumschaltröhren im Nieder-, Mittel- und Hochspannungsbereich, aber auch für Kontaktwerkstoffe für gasisolierte Schalter wie beispielsweise Wolfram-Silber-; Wolframcarbid-basierte und/oder Wolfram-Kupfer-basierte oder WC-(C)-Ag-basierte sowie Zinnoxid-Silber also SnO-Ag-basierte Kontaktwerkstoffe in Niederspannungsschaltgeräten.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontaktschicht des Kontaktelements ein Gradierungsdesign auf, das im Schalter die Lichtbogenentstehung und/oder die Lichtbogenbewegung positiv beeinflusst. Insbesondere weist die Kontaktschicht individualisiert einstellbare Gefügeausbildungen und gegebenenfalls ein Gradierungsdesign auf, die in weiten Grenzen variierbar sind und wegen der harten Korngrenzen nicht durch Diffusion während des Betriebs verwischen oder verwässern sondern im Gegenteil lange erhalten bleiben.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontaktschicht des Kontaktelements ein Gradierungsdesign nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung auf.
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Bei einem Gradierungsdesign mit Gradierung in axialer Richtung ist beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktsystems in axialer Richtung maximiert, indem an der Kontaktoberfläche eine hohe Chromkonzentration von z.B. 40% (Massenprozent) erzeugt wird, während die Cr-Konzentration ins Innere der Kontaktbeschichtung abnimmt und beispielsweise nur noch 10% auf der Unterseite der Beschichtung beträgt. Dadurch sinkt die Eigenerwärmung sowohl im geschlossenen Zustand des Schalters bei Stromdurchgang als auch im offenen Zustand während der Lichtbogenphase, wodurch zusätzlich ein höheres Ausschaltvermögen erzielt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, näher erläutert:
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf eine runde Kontaktscheibe mit einem Gradierungsdesign
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2 zeigt die gleiche Kontaktscheibe wobei ein axialer Querschnitt schematisch dargestellt ist.
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In 1 erkennt man ein Ausführungsbeispiel einer 1A-gradierten Kontaktscheibe aus CuCr für einen Vakuumschalter. Dieser hat – wiederum beispielsweise – eine Materialzusammensetzung Cu-Crx wobei x Werte von 0,001 bis 0,5 annehmen kann. Die Gradierung erfolgt hier in axialer und radialer Richtung wobei die Gradierung entweder durch Abstufung oder durch kontinuierlichen Verlauf realisiert sein kann. Die Figur weist unabhängig davon klare Grenzen auf, damit die Darstellung nicht unübersichtlich wirkt. Die hier gezeigte Ausführungsform ist beispielsweise ein AMF-(Axialmagnetfeld-)Kontakt.
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In 1 sind entsprechend drei Zonen 1, 2 und 3, in denen verschiedene Gradierungen an Materialzusammensetzung realisiert sind, zu sehen. Am Rand in der Zone 3 ist das Material realisiert, welches besonders gut die Lichtbogenfußpunktausbreitung unterstützt, beispielsweise eine chromreiche Zone mit einem Material CuCrx, wobei x im Bereich zwischen x = 0,30 und x = 0,50 liegt. Anschließend daran erkennt man einen Bereich 2, in dem x im Bereich zwischen 0,2 und 0,4 liegt und ganz innen befindet sich in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die mittige Zone 1, in der x im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 liegt.
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Die Gradierung im Gradierungsdesign kann dabei stufenförmig oder kontinuierlich erfolgen, beide Varianten sind durch Herstellung mittels SPS möglich.
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2 zeigt einen Querschnitt durch das gleiche Ausführungsbeispiel wie in 1 gezeigt. Dabei ist der Träger 5 zu erkennen, auf dem eine Übergangsschicht, das Interface 4 aufliegt, an das die eigentliche Kontaktscheibe angrenzt. Die Kontaktscheibe 6 ist in drei Bereiche, wie im Zusammenhang mit 1 erläutert, unterteilt.
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Im Bereich 4 der 2 kann x beispielsweise die Werte von 0,005 bis 0,01 annehmen. Im Bereich 5, der Trägerplatte 7, kann der Wert von x bis auf null sinken, da es sich beispielsweise um einen reinen Kupfer oder Stahlträger handeln kann.
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3 ist eine Draufsicht auf ein rundes Kontaktelement wie eine Kontaktscheibe entsprechend 1. In 3 ist jedoch eine gradierte Kontaktscheibe aus CuCr für Vakuumschalter für einen RMF-(einen Radialmagnetfeld-)Kontakt gezeigt.
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Wieder zeigt 4 bei dieser Ausführungsform den Querschnitt in axialer Richtung. Bei dieser Ausführungsform ist das Gradierungsdesign der Kontaktschicht gleich dem in der 1 gezeigten, allerdings in umgekehrter Richtung, dort wo sich bei 1 chromreiche Bereiche befanden, sind hier die chromarmen. Die Werte für x der Materialzusammensetzung CuCrx betragen bei dem in 3 und 4 gezeigten Beispiel:
Bereich 1 (mittig, innen, Chromreich): x = 0,3 bis x = 0,5;
Bereich 2: x = 0,2 bis 0,4
Bereich 3 (Außen, Chromarm): x = 0,1 bis 0,3
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4:
Hier ist wieder die Trägerplatte 7 mit der Interfacezone 4 zu erkennen. Es sind hier weitere Bereiche 4 und 5 mit gradierter Materialzusammensetzung gezeigt:
Bereich 4: x = 0,01 bis 0,03
Bereich 5: x = 0 bis 0,01
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Durch die weiten Grenzen, innerhalb derer sich der Wert x innerhalb des Kontaktelements verändern kann, ist ein Gradierungsdesign offenbart, das Konzentrationsunterschiede von bis zu 50% umfasst, bezogen auf die gesamte Materialdichte. Gemeint ist hier beispielsweise 50% von der Gesamtkontaktdichte.
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Durch die Erfindung wird es erstmals möglich, pulvermetallurgische Schüttungen oder niedrigdichte Sintervorkörper zu der für Kontaktelemente benötigten Dichte, Porenfreiheit und feinkristallinem Gefüge zu sintern oder zu verdichten. Es ist möglich, Kontaktelemente mit verschiedenen Gradierungsdesigns sowohl in axialer als auch in radialer Richtung zu realisieren.