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Diese Erfindung betrifft einen Kontakt für einen
Vakuumunterbrecher.
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Kontakte für einen Vakuumunterbrecher zum Durchführen einer
Unterbrechung eines großen Stroms oder zum Ein- und
Ausschalten bei Nennstrom in einem Hochvakuum unter Verwendung der
Lichtbogendiffusionseigenschaft in einem Vakuum bestehen aus
zwei einander gegenüberstehenden Kontakten, d.h. ortsfesten
und beweglichen Kontakten. Die für einen solchen Kontakt für
einen Vakuumunterbrecher erforderlichen Haupteigenschaften
sind die Antischweißeigenschaft, die Spannungsfestigkeit und
die Stronunterbrechungseigenschaft. Weitere Anforderungen
außer diesen fundamentalen Erfordernissen sind ein geringer und
stabiler Temperaturanstieg und ein geringer und stabiler
Kontaktwiderstand. Diese Erfordernisse stehen jedoch im
Widerspruch zueinander und es ist daher unmöglich, allen
Erfordernissen mit einem einzigen Metall gerecht zu werden.
Dementsprechend wurden in vielen Kontakten, die in der Praxis
verwendet wurden, zumindest zwei Elemente in Kombination
verwendet, die ihre unzulänglichen Eigenschaften gegenseitig
kompensieren, um einen Kontakt zu entwickeln, der für bestimmte
Anwendungen bei einem hohen Strom, bei einer hohen Spannung oder
unter anderen Bedingungen geeignet ist. Kontakte mit
hervorragenden Eigenschaften wurden entwickelt. Die Nachfrage nach
einem Kontakt für einen Vakuumunterbrecher, der eine höhere
Spannung und einen größeren Strom aushält, ist jedoch
gewachsen und ein Kontakt für einen Vakuumunterbrecher, welcher
diesen
Anforderungen vollständig entspricht wurde nicht gefunden.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentveröffentlichung
Nr. 12 131/1966 eine CuBi-Legierung, welche nicht mehr als 5%
einer das Verschweißen verhindernden Komponente wie Bi
aufweist. Diese Quelle gibt an, daß die CuBi-Legierung als
Kontakt verwendet werden kann, der bei einem hohen Strom
verwendet wird. Die Löslichkeit von Bi in der Cu-Matrix ist jedoch
extrem gering, daher tritt eine Entmischung auf. Weiterhin ist
die Oberflächenaufrauhung nach einer Stronunterbrechung groß
und das Herstellen oder Verarbeiten ist schwer durchzuführen.
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 23 751/1969
offenbart die Verwendung einer CuTe-Legierung für einen Kontakt,
der bei einem großen Strom eingesetzt wird. Während diese
Legierung die mit der CuBi-Legierung zusammenhängenden Probleme
abmildert, ist sie empfindlicher für eine Atmosphäre als die
CuBi-Legierung. Dementsprechend fehlt der CuTe-Legierung die
Stabilität des Kontaktwiderstands oder dergleichen.
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Weiterhin stellte sich heraus, daß, obwohl die aus der CuTe-
Legierung und die aus der CuBi-Legierung gebildeten Kontakte
hervorragende Antischweißeigenschaften gemeinsam haben und bei
mäßigen Spannungsfeldern nach dem Stand der Technik in
zufriedenstellender Weise hinsichtlich der Spannungsfestigkeit
verwendet werden können, sie bei der Anwendung für höhere
Spannungsfelder nicht notwendigerweise zufriedenstellend sind.
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Andererseits ist ein bekanntes kontaktbildendes Material für
einen Vakuumunterbrecher eine CuCr-Legierung, welche Cr
enthält. Der Kontakt aus einer Cu Cr-Legierung zeigt die
bevorzugten thermischen Eigenschaften von Cr und Cu bei hohen
Temperaturen und hat daher hervorragende Eigenschaften
hinsichtlich der Hochspannungsfestigkeit und der Stabilität bei hohem
Strom. Dies bedeutet, daß die CuCr-Legierung in weiten
Bereichen als ein Kontakt verwendet wird, bei dem die
Hochspannungsfestigkeitseigenschaften
kompatibel mit einer
Unterbrechung mit großer Kapazität sind.
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Die CuCr-Legierung zeigt jedoch wesentlich schlechtere
Antischweißeigenschaften als die CuBi-Legierung mit einem Bi-
Gehalt von nicht mehr als ungefähr 5%, die allgemein in weiten
Bereichen als Kontakt für einen Unterbrecher verwendet wurde.
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Das Schweißphänomen tritt aus einem der folgenden zwei Gründe
auf:
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a) der Kontakt schmilzt aufgrund von Joulescher Wärme, die an
den einander kontaktierenden Oberflächen der Kontakte erzeugt
wird, und verfestigt sich danach und
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b) der Kontakt verdampft bei einer Lichtbogenentladung, welche
in dem Moment des Schaltens erzeugt wird und verfestigt sich
danach.
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In jedem Fall bildet die CuCr-Legierung feine Körner aus Cr
und Cu mit nicht mehr als 1 um, wenn sie verfestigt ist. Die
CuCr-Legierung bildet also eine Schicht mit einer Dicke in
einer Größenordnung von einigen Mikrometern bis zu mehreren
hundert Mikrometern mit einem Zustand, in dem feine Cr-Körner
und feine Cu-Körner miteinander vermischt sind. Im allgemeinen
ist eine Superverfeinerung einer Struktur einer der Faktoren,
welche zu einer Verbesserung der Festigkeit des Materials
beitragen. Bei der CuCr-Legierung ist dies der Fall. Wenn die
Festigkeit der CuCr-Feinstschicht größer als die Festigkeit
der Matrix der CuCr-Legierung ist und die Matrixfestigkeit die
vorgesehene Öffnungskraft überschreitet, findet ein
Verschweißen statt.
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Dementsprechend erfordert ein Arbeitsmechanismus, durch den
ein Vakuumunterbrecher, der unter Verwendung eines Kontakts
aus einer CuCr-Legierung gebildet worden ist, betrieben wird,
eine größere Öffnungskraft gegenüber einem Vakuumunterbrecher,
der unter Verwendung des Kontakts mit einer CuBi-Legierung
gebildet worden ist, und daher ist der unter Verwendung eines
Kontakts aus einer CuCr-Legierung gebildete Vakuumunterbrecher
nachteilhaft hinsichtlich der Miniaturisierung und der
Wirtschaftlichkeit.
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 41 091/1986
offenbart einen Kontakt aus einer CuCrBi-Legierung, bei der Bi
einer CuCr-Legierung beigefügt ist, um die
Antischweißeigenschaften der CuCr-Legierung zu verbessern. Während dieser
Kontakt aus einer CuCrbi-Legierung im allgemeinen die
Antischweißeigenschaften der CuCr-Legierung in einem gewissen Maße
verbessert, versprödet der Zusatz von Bi das Material,
verringert die Spannungsfestigkeit und erhöht die Wahrscheinlichkeit
einer Rückzündung.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, hat der Kontakt aus der
CuCrBi-Legierung im allgemeinen bessere
Antischweißeigenschaften im Vergleich mit dem Kontakt aus der CuCr-Legierung. Es
bleiben jedoch die Probleme hinsichtlich der
Spannungsfestigkeit und der Erzeugung von Rückzündungen.
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Aus der EP-A-1 787 96 ist ein Verfahren zum Herstellen eines
kontaktbildenden Materials für einen Vakuumunterbrecher
bekannt, welches die Schritte des Sinterns eines Cr-Pulvers, um
ein Skelett zu bilden, das Infiltrieren eines aus einer
gleichförmigen Mischung aus Cu- und Bi-Pulver bestehenden
Materials, das vorher zu einem Grünling verdichtet wurde, in das
Skelett bei einer bestimmten Temperatur und des Abkühlens der
durch die Infiltration erzeugten Legierung umfaßt.
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Das Problem der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Kontakt für einen Vakuumunterbrecher zu schaffen, der in der
Lage ist, die Verringerung der Spannungsfestigkeit und das
Ansteigen der Wahrscheinlichkeit von Rückzündungen zu
minimieren, während die Antischweißeigenschaften des Kontakts aus der
CuCrBi-Legierung gewahrt werden.
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Dieses Problem wird durch einen Kontakt für einen
Vakuumunterbrecher nach Anspruch 1 gelöst. Ein Kontakt der vorliegenden
Erfindung besitzt sowohl bessere Schweißeigenschaften als auch
eine bessere Spannungsfestigkeit.
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Die Form der Bi-Komponente, die in einem Kontakt aus einer
CuCrBi-Legierung vorliegt, klassifiziert sich nach den
folgenden vier Formen:
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(1) eine feste Cu-Bi-Lösung,
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(2) Vorliegen der Bi-Komponente an der Grenzfläche der Cr-
Körner mit einem auf Cu basierenden leitenden Material
(einer Cu-Matrix),
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(3) Vorliegen der Bi-Komponente an der Korngrenze einer
Cu-Matrix und
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(4) Vorliegen der Bi-Komponente in einem Cu-Matrixkorn.
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Unter diesen Formen ist die Form, welche den größten Einfluß
auf die Festigkeit des Kontakts zeigt, diejenige Form, bei der
Bi an der Korngrenze der Cu-Matrix vorliegt. Je größer die
Menge an Bi an dieser Korngrenze ist, desto geringer ist die
Kontaktfestigkeit. Infolgedessen wird die Spannungsfestigkeit
verringert und die Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung
erhöht.
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Nach unseren Erkenntnissen wird das in dem Bereich der
Oberflächenschicht des Kontakts vorliegende Bi effektiv entfernt
(verflüchtigt), indem das kontaktbildende CuCrBi-Material zu
der Form des Kontakts verarbeitet wird und einer
Wärmebehandlung in einem Vakuum unterzogen wird. Zusätzlich wird ein Teil
oder die Gesamtheit der Körner mit Cu-Basis und/oder
Cr-Körner,
die vor der Wärmebehandlung über Bi miteinander in
Kontakt standen, durch die Beseitigung des Bi eng verbunden.
Infolgedessen wird die Festigkeit der Oberflächenschicht
verbessert, eine Versprödung der Oberfläche des Kontaktes wird
verhindert, wodurch die Verringerung der Spannungsfestigkeit und
die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung
verhindert werden. Bi wird nur in dem Bereich der
Oberflächenschicht des Kontakts entfernt und ein bestimmter Anteil des Bi
ist weiterhin in den Abschnitten vorhanden, die gerade
unterhalb des Bereichs der Oberflächenschicht liegen. Das Öffnen
beim Schweißen wird von diesen Abschnitten aus bewirkt und
daher wird die Antischweißeigenschaft kaum verringert.
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Wenn der Bi-Gehalt geringer als 0,05 Gew.-% bezüglich der
Gesamtmenge von Cu+Bi beträgt, wird die Antischweißeigenschaft
nicht verbessert. Wenn der Bi-Gehalt 1 Gew.-% überschreitet
wird der oben beschriebene, durch das Unterziehen unter die
Vakuum-Wärmebehandlung erzielte Effekt nicht beobachtet und
die Auswirkungen hinsichtlich des Verbesserns der
Spannungsfestigkeit und des Verringerns der Wahrscheinlichkeit einer
Rückzündung sind unzureichend. Wenn der Cr-Gehalt weniger als
20 Gew.-% beträgt, ist der Cu-Gehalt übermäßig groß und die
Spannungsfestigkeit verringert sich. Wenn der Cr-Gehahlt mehr
als 60 Gew.-% beträgt, ist der Anteil an Cr übermäßig groß und
die Versprödung der Kontaktoberfläche wird durch die Vakuum-
Wärmebehandlung nicht verhindert. Dementsprechend können die
Verringerung der Spannungsfestigkeit und das Anwachsen der
Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung nicht verhindert werden.
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Wenn die Temperatur der Vakuum-Wärmebehandlung unterhalb von
300ºC liegt, ist die Entfernung von Bi in dem Bereich der
Oberflächenschicht des Kontakts unzureichend und die
Verbesserung der Spannungsfestigkeit und die Verbesserung
hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung sind
unzureichend. Wenn die Temperatur der Vakuum-Wärmebehandlung den
Schmelzpunkt von Cu übersteigt, ist die Oberflächenaufrauhung
des Kontakts beachtlich. Dementsprechend liegt die Temperatur
der Vakuum-Wärmebehandlung vorzugsweise in dem Bereich von
300ºC bis 1083ºC. Der stärker bevorzugte Bereich ist 650ºC bis
900ºC. Diese Wärmebehandlung kann einmal, zweimal oder öfter
nach dem Verarbeiten zu der Kontaktform durchgeführt werden.
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Die oben beschriebene Wärmebehandlung wird in einem Vakuum
durchgeführt. Der Begriff "Vakuum-Wärmebehandlung", wie er
hier verwendet wird, bezieht sich auf eine in einem Vakuum
ausgeführte Wärmebehandlung. Unter "Vakuum" wird ein Grad des
Vakuums verstanden, der ausreicht, um Bi in dem Bereich der
Oberflächenschicht des Kontakts in größeren Umfang zu
verflüchtigen. Normalerweise kann ein geringerer Grad eines
Vakuums verwendet werden, wenn die Temperatur der Wärmebehandlung
groß ist. Wenn der Grad des Vakuums zu klein ist, besteht die
Gefahr, daß das cr in der Legierung oxidiert wird. Die
Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einen Vakuum von nicht mehr
als 1 10&supmin;³ Torr, stärker bevorzugt von nicht mehr als 1 10&supmin;&sup4;
Torr und ganz besonders bevorzugt von nicht mehr als 1 10&supmin;&sup5;
durchgeführt.
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Die oben beschriebene Vakuum-Wärmebehandlung kann einen
Kontakt liefern, in dem im wesentlichen kein Bi in dem Bereich
der Oberflächenschicht des Kontakts vorhanden ist. Eine
Struktur, in der eine Cu-Korngrenze lokal aufgeschmolzen ist, wird
an der Oberflächenschicht eines solchen Kontakts ausgebildet.
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Der vorliegende Kontakt für einen
Vakuum-Schaltungsunterbrecher, den man durch das Verarbeiten des kontaktbildenden
CuCrBi-Materials zu der Form des Kontaktes und das Unterziehen
unter eine Vakuum-Wärmebehandlung erhält, kann im wesentlichen
dieselbe Spannungsfestigkeit und Wahrscheinlichkeit einer
Rückzündung aufweisen wie diejenigen aus dem kontaktbildenden
CuCr-Material, während die Antischweißeigenschaften gewahrt
bleiben.
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Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf
Ausführungsformen beschrieben.
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Zunächst werden Verfahren zum Erzeugen eines Kontakts gemäß
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Prozesse zum
Erzeugen eines Kontakts mit einer CuCrBi-Legierung
klassifizieren sich grob in ein Infiltrierungsverfahren und ein Verfahren
mit fester Phase.
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Eine Ausführungsform des Infiltrierungsverfahrens wird
beschrieben.
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Ein Cr-Pulver mit einer spezifischen Korngröße wird
preßgeformt, um einen Pulver-Formkörper zu erzeugen. Der Pulver-
Formkörper wird dann in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem
Taupunkt von nicht mehr als -50ºC oder in einem Vakuum von
nicht mehr 1 10&supmin;³ Torr bei einer spezifischen Temperatur, z.B.
950ºC (für eine Stunde), vorgesintert, um einen vorgesinterten
Körper zu erzeugen.
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Die verbleibenden Fehlstellen des vorgesinterten Körpers
werden dann mit einem Material aus einer CuBi-Legierung, die
einen spezifischen Prozentsatz an Bi enthält, z.B. über 30
Minuten bei einer Temperatur von 1100ºC infiltriert und das Ganze
wird gekühlt und mit einem besonderen Kühlverfahren
verfestigt, um ein CuCrBi-Legierungsmaterial zu erzeugen. Während
die Infiltierung grundsätzlich in einem Vakuum ausgeführt
wird, kann sie auch in Wasserstoff ausgeführt werden.
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Wenn hohe Temperaturen für die Sinter-Wärmebehandlung und/oder
die Infiltrierungs-Wärmebehandlung gewählt werden, ist die
Verdampfung von Cu und Bi heftig und daher ist eine Kontrolle
der Anteile der Komponenten wichtig. Die Temperatur der
Wärmebehandlung
variiert in Abhängigkeit von der Leistung eines
Ofens, der Menge, der Größe und der Wärmekapazität einer
Charge, die auf einmal der Wärmebehandlung unterzogen wird, und
dergleichen und es ist daher unmöglich, eine Wärmebehandlungs-
Temperatur universell anzugeben. Während ein Verfahren
verwendet werden kann, bei dem die Menge des verbleibenden Kupfers
direkt durch ein Röntgenstrahlverfahren oder dergleichen
bestimmt und manipuliert wird, verringert die Wahl einer
Temperatur von mindestens 1300ºC im allgemeinen das Vorliegen von
Cu und daher ist ersichtlich, daß ein solches Verfahren
unverwünscht ist.
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Die untere Temperaturgrenze, die bei der
Sinter-Wärmebehandlung verwendet wird, muß mindestens 600ºC, vorzugsweise
mindestens 900ºC unter dem Gesichtspunkt des Entgasens des
Rohmaterials oder des Formkörpers betragen. Die untere Grenze für die
bei der Infiltrierungs-Wärmebehandlung verwendete Temperatur
muß mindestens 1100ºC betragen, weil es nötig ist, das Skelett
zu entgasen und Cu zu schmelzen.
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Auf diese Weise erhält man ein kontaktbildendes
CuCrBi-Material nach dem Infiltierungsverfahren.
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Eine Ausführungsform eines Sinterverfahrens mit fester Phase
wird nun beschrieben.
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Spezifische Cr-, Cu- und Bi-Pulver werden gemischt. Die daraus
resultierende Mischung wird zu einem Grünling mit Hilfe einer
Preßmaschine geformt. Der Grünling wird dann in einer
Wasserstoffatmosphäre mit einem Taupunkt von nicht mehr als -50ºC
oder in einem Vakuum von nicht mehr als 1 10&supmin;³ Torr gesintert.
Der Preßschritt und der Sinterschritt werden viele Male
wiederholt, um ein gewunschtes kontaktbildendes CuCrBi-Material
zu erzeugen.
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Das auf diese Weise durch das Infiltrierungsverfahren oder das
Verfahren des Sinterns in der festen Phase erzeugte
kontaktbildende CuCrBi-Material wird zu der spezifischen Form eines
Kontaktes verarbeitet und danach wird eine Wärmebehandlung
(z.B. über 30 Minuten bei 800ºC) durchgeführt, z.B. in einen
Vakuum von 10&supmin;&sup5; Torr, um einen Kontakt gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Infiltrierungsverfahrens
wird beschrieben.
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Während das kontaktbildende CuCr-Material, welches
hervorragende Spannungsfestigkeitseigenschaften aufweist, allgemein
als kontaktbildendes Material für den Vakuumunterbrecher, wie
oben beschrieben, verwendet wird, sind seine
Antischweißeigenschaften schlechter als die des kontaktbildenden
CuBi-Materials. Um die Antischweißeigenschaften des kontaktbildenden
CuCr-Materials zu verbessern und um ein kontaktbildendes
Material für einen Vakuumunterbrecher mit hervorragenden
Spannungsfestigkeitseigenschaften zu erhalten (abgesehen von dem
Verringern der Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung) verfuhr
man zum Herstellen eines kontaktbildenden Materials für einen
Vakuumschalter nach dem Stand der Technik wie folgt.
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Zum Beispiel offenbart die japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 88 728/1990 einen Prozeß, bei dem ein Cr-Skelett,
das man durch Sintern von Cr erhält, mit einer CuBi-Legierung
infiltriert wird, um ein kontaktbildendes CuCrBi-Material zu
erhalten. Weiterhin offenbart die japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 96 621/1986 ein Verfahren, bei dem Cu-,
Bi- und Cr-Pulver gemischt werden und die daraus resultierende
Mischung in ein kontaktbildendes Material durch ein
Pulvermetallurgieverfahren umgewandelt wird.
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Wir haben festgestellt, daß die Verfahren nach dem Stand der
Technik eine Streuung in den Spannungsfestigkeitseigenschaften
und/oder den Antischweißeigenschaften auch dann aufweisen
können, wenn die kontaktbildenden CuCrBi-Materialien dieselbe
Zusammensetzung haben.
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Die oben beschriebenen Probleme kann man durch die Verwendung
des folgenden Verfahrens überwinden. Genauer ist ein
bevorzugtes Verfahren zur Infiltrierung, das zum Herstellen eines
kontaktbildenden Material verwendet wird, ein Verfahren zum
Herstellen eines kontaktbildenden Materials für einen Vakuum-
Schaltungsunterbrecher, welches das Sintern eines Cr-Pulvers
so, daß ein Skelett gebildet wird, und das Infiltrieren eines
aus Cu und Bi bestehenden Infiltrierungsmaterials in das
Skelett umfaßt, wobei das Verfahren die Schritte des Verdichtens
einer Mischung aus einem Cu-Pulver und einem Bi-Pulver, die
darin gleichförmig verteilt sind, unter einem spezifischen
Druck, des Infiltrierens des auf diese Weise erzeugten CuBi-
Grünlings in das Cr-Skelett in einer nicht oxidierenden
Atmosphäre bei einer spezifischen Temperatur und des Abkühlens der
durch die Infiltrierung erzeugten Legierung, um das
kontaktbildende Material für den Vakuumunterbrecher zu erhalten,
umfaßt.
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Bei einem derartigen Verfahren ist die CuBi-Mischung, die man
durch gleichförmiges Verteilen des Bi-Pulvers in dem Cu-Pulver
erhält, unter einem spezifischen Druck kompakt, der
resultierende CuBi-Grünling wird in das Cr-Skelett bei einer
spezifischen Temperatur infiltriert und die daraus resultierende
Legierung wird gekühlt. Dementsprechend ist die Verteilung des
Bi-Pulvers, verglichen mit dem Schnelzverfahren und dem
Infiltrierungsverfahren nach den Stand der Technik, gleichförmig
und fein, wodurch eine Streuung der
Spannungsfestigkeitseigenschaften und der Antischweißeigenschaften effizient verhindert
wird.
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Das oben beschriebene Verfahren wird nun genauer beschrieben.
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Ein Cr-Pulver mit einer spezifischen Korngröße wird
preßgeformt, um einen Pulver-Formkörper zu erzeugen. Dieses geformte
Pulverprodukt wird dann in einer Wasserstoffatmosphäre mit
einem Taupunkt von nicht mehr als -50ºC oder in einem Vakuum
von nicht mehr als 1 10&supmin;³ Torr bei einer spezifischen
Temperatur, z.B. 950ºC (über eine Stunde), vorgesintert, um einen
vorgesinterten Körper zu erzeugen.
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Cu- und Bi-Pulver mit einer spezifischen Korngröße werden als
Infiltrierungsmaterial in einen bestimmten Verhältnis unter
Berücksichtigung der Ausbeute gemischt, das Bi-Pulver wird
ausreichend gleichförmig in dem Cu-Pulver verteilt und danach
wird die Mischung zu einem CuBi-Grünling unter einem Formdruck
von 3 t/cm² geformt. Wahlweise wird der Preßling in einer
Wasserstoffatmosphäre, zum Beispiel bei 400ºC für ungefähr 30
Minuten, wärmebehandelt, um einen Preßling zu erzeugen,
welcher ein Infiltrierungsmaterial ist. Der Preßling kann in
einem Vakuum wärmebehandelt werden.
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Stabile Spannungsfestigkeitseigenschaften und
Antischweißeigenschaften werden durch das gleichförmige Verteilen von Bi
erzielt. Der Dispersionszustand von Bi in dem CuCrBi-Kontakt
hängt von dem Dispersionszustand von Bi in dem aus Cu und Bi
bestehenden Infiltrierungsmaterial ab. Genauer wird, wenn das
Cr-Skelett mit dem CuBi-Infiltrierungsmaterial in einem
inerten Gas oder in einen Vakuum infiltriert wird, eine lange
Infiltrierungszeit unter Berücksichtigung des Umstands nicht
vorgesehen, daß Bi ein Element mit hohem Dampfdruck ist.
Dementsprechend ist der Dispersionszustand von Bi in dem
Infiltrierungsmaterial vor der Infiltrierung einer der Faktoren,
welche den Dispersionszustand von Bi nach der Infiltrierung
bestimmen.
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Wenn das CuBi-Infiltrierungsmaterial durch das
Schmelzverfahren hergestellt wird, führt das Hinzufügen von Bi zu der
Ausbildung einer kleineren Korngröße der Cu-Matrix, verglichen
mit reinem Cu. Gemäß einer strukturellen Untersuchung ist
jedoch die Cu-Matrix derart grob, daß das Korn visuell erkennbar
ist, und dementsprechend ist auch die Verteilung Bi ebenfalls
grob. Andererseits ist der Dispersionszustand von Bi in dem
CuBi-Preßling, der durch Mischen und Formen von Cu- und Bi-
Pulvern von der Größenordnung von mehreren Mikrometern bis zu
einigen 100 Mikrometern hergestellt wurde, besser als
derjenige der CuBi-Legierung, welche durch das Schmelzverfahren
hergestellt wurde. Der Dispersionszustand von Bi in dem oben
beschriebenen Infiltrierungsmaterial dominiert den
Dispersionszustand von Bi nach der Infiltrierung. Der Dispersionszustand
von Bi in dem CuCrBi-Kontakt, den man beim Verwenden des CuBi-
Preßlings erhält, ist besser als derjenige des
Infiltrierungsmateriales, den man durch das Schmelzverfahren erhält.
Infolgedessen kann die Streuung der
Spannungsfestigkeitseigenschaften und der Schweißeigenschaften des kontaktbildenden
CuCrBi-Materials verringert werden.
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Die Cu- und Bi-Pulver, aus denen das Infiltrierungsmaterial
hergestellt wird, neigen dazu, oxidiert zu werden. Wenn diese
Pulver verwendet werden, nachdem man sie über eine lange
Zeitdauer in Luft hat stehen lassen, wird vorzugsweise das
folgende Verfahren verwendet. Die Pulver werden verdichtet und der
daraus entstehende Preßling wird vor der Infiltrierung in
Wasserstoff wärmebehandelt. Ein solches Verfahren führt zu guten
Eigenschaften bei einem CuCrBi-Kontakt nach der Infiltrierung.
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Die verbleibenden Leerstellen des vorgesinterten Körpers
werden dann mit dem oben beschriebenen CuBi-Preßling infiltiert,
zum Beispiel über 30 Minuten bei einer Temperatur von 1100ºC,
und das Ganze wird nach einem besonderen Kühlverfahren gekühlt
und verfestigt, um ein CuCrBi-Legierungsmaterial zu erzeugen.
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Während die Infiltrierung hauptsächlich in einem Vakuum
ausgeführt wird, kann sie auch in Wasserstoff ausgeführt werden.
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Wenn eine hohe Temperatur für die Sinter-Wärmebehandlung
und/oder die Infiltrierungs-Wärmebehandlung gewählt wird, ist
die Verdampfung von Cu und Bi heftig und daher ist die
Kontrolle über den Mengenanteil der Komponenten wichtig. Die
Temperatur der Wärmebehandlung variiert in Abhängigkeit von der
Leistung des Ofens, der Menge, der Größe und der
Wärmekapazität einer Charge, die auf einmal wärmebehandelt werden soll,
und dergleichen, und daher ist es unmöglich, die Temperatur
der Wärmebehandlung universell auszudrücken. Während ein
Verfahren verwendet werden kann, bei dem die Menge des
verbleibenden Cu direkt durch ein Röntgenstrahlverfahren oder
dergleichen bestimmt und manipuliert wird, verringert die Wahl
einer Temperatur von mindestens 1300ºC im allgemeinen den
Druck von Cu und es ist daher offensichtlich, daß ein solches
Verfahren unerwünscht ist.
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Die untere Grenze für die Temperatur, die bei der
Sinter-Wärmebehandlung verwendet wird, muß mindestens 600ºC,
vorzugsweise mindestens 900ºC, unter dem Gesichtspunkt des Entgasens des
Rohmaterioder des geformten Produkts betragen. Die untere
Grenze der Temperatur, die bei der
Infiltrierungs-Wärmebehandlung verwendet wird, muß mindestens 1100ºC betragen, weil es
nötig ist, das Skelett zu entgasen und das Kupfer zu
schmelzen.
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Ein kontaktbildendes CuCrBi-Material erhält man auf diese
Weise mit dem Infiltrierungsverfahren. Der Kontakt aus einer
CuCrBi-Legierung, welche durch das Infiltrierungsverfahren
erzeugt wird, zeigt eine Streuung der Spannungsfestigkeit und
der Schweißeigenschaften, die geringer als diejenige des
Kontakts aus einer CuCrBi-Legierung ist, die man durch
Infiltrieren der durch das Schmelzverfahren erzeugten CuBi-Legierung
erhält. Daher können stabile Eigenschaften durch das
Infiltrierungsverfahren herbeigeführt werden und der Kontakt aus
einer CuCrBi-Legierung, die man durch das
Infiltrierungsverfahren erhält, ist optimal als Kontakt für einen
Vakuum-Schaltungsunterbrecher.
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Die Kontakteigenschaften können weiter verbessert werden,
indem das kontaktbildende Material, das durch das
Infiltrierungsverfahren wie oben beschrieben gewonnen wurde, der oben
beschriebenen Vakumm-Wärmebehandlung unterzogen wird.
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Die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele illustrieren
die vorliegende Erfindung.
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Die Bedingungen und Verfahren, die zum Feststellen der
Eigenschaften der Kontakte verwendet wurden, sind wie folgt.
(1) Antischweißeigenschaft
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Druckstangen mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einem
Ende, das einen Krümmungsradius von 100 R aufwies, wurden
einem Paar von scheibenförmigen Proben gegenüber angeordnet, die
einen Außendurchmesser von 25 mm aufwiesen. Eine Last von 100
kg wurde angelegt und ein Strom von 20 kA mit 50 Hz wurde
durch die Proben über 20 ms in einem Vakuum von 10&supmin;&sup5; mmHg
geleitet. die für das Öffnen zwischen den Proben und der Stange
erforderliche Kraft wurde gemessen und die
Antischweißeigenschaft wurde bestimmt. Die Zahlenwerte sind Relativwerte, die
man erhält, wenn die Schweiß-Öffnungskraft des infiltrierten
CuCr-Legierungsmaterials, das in dem Vergleichsbeispiel A1
gezeigt ist, durch 1,0 ausgedrückt wird. Tabelle 1 zeigt die
Streuungsbreite der gemessenen Werte (Zahl der Kontakte: 3).
(2) Spannungsfestigkeitseigenschaften
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Eine Ni-Nadel, welche durch Schwabbeln hochglanzpoliert worden
war, wurde als Anode verwendet. Jede Probe, die durch
Hochglanzpolieren und nachfolgendes Unterziehen unter eine Vakuum-
Wärmebehandlung erzeugt wurde, wurde als Kathode verwendet.
Die Lücke zwischen der Anode und der Kathode betrug 0,5 mm.
Eine Spannung wurde in einem Vakuum von 10&supmin;&sup6; mmHg nach und nach
erhöht und der Spannungswert wurde gemessen, wenn ein Funke
erzeugt wurde. Es wurden also statische
Durchschlagspannungswerte bestimmt. Die durch das Ausführen von drei sich
wiederholenden Versuchen erhaltenen Daten sind in Tabelle 1
(inklusive ihrer Streuung) gezeigt. Die Zahlenwerte sind
Relativwerte, die man erhält, wenn die statischen
Durchschlagsspannungswerte der infiltrierten CuCr-Legierung durch 1,0 ausgedrückt
werden (Vergleichsbeispiel A1).
(3) Rückzündungseigenschaften
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Ein scheibenförmiges Kontaktstück mit einem Außendurchmesser
von 30 mm und einer Dicke von 5 mm wurde auf einem
demontierbaren Vakuumunterbrecher montiert. Ein Stromkreis mit 6 kV und
500 A wurde zweitausendmal unterbrochen und die Frequenz der
Rückzündungen wurde gemessen. Die Streubreite (Maximum und
Minimum) der zwei Schaltungsunterbrecher (sechs Röhren) ist
gezeigt.
Beispiele A1 bis A3 und Vergleichsbeispiele A1 bis A4
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Kontakte, welche ungefähr 50 Gew.-% Cr und Bi in einer Menge
von ungefähr 0,5 Gew.-% der Gesamtmenge von Cu und Bi
enthielten, wurden verwendet. Die folgenden Bedingungen für die
Wärmebehandlung wurden verwendet: keine Wärmebehandlung, 200ºC
über 1 h, 300ºC über 1 h, 800ºC über 1 h, 1050ºC über 1 h und
1200ºC über 1 h. Jede Eigenschaft wurde bestimmt
(Vergleichsbeispiel
A2 und A3, Beispiele A1 bis A3 und
Vergleichsbeispiele A4). Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, war die
Antischweißeigenschaft wesentlich besser als diejenige des CuCr-Kontakts,
der kein Bi enthält (Vergleichsbeispiel A1). Die
Spannungsfestigkeitseigenschaften und die Wahrscheinlichkeit einer
Rückzündung hingen stark von der Temperatur der Wärmebehandlung
ab. Genauer war die Entfernung von Bi an der Oberfläche des
Kontakts unzureichend in den Fällen der Probe, bei der keine
Wärmebehandlung nach dem Verarbeiten des Kontakts durchgeführt
wurde (Vergleichsbeispiel A2), und der Probe, bei der die
Temperatur der Wärmebehandlung 200ºC betrug (Vergleichsbeispiel
A3), und daher wurde eine Verbesserung der Spannungsfestigkeit
und eine Verbesserung der Wahrscheinlichkeit von Rückzündungen
nicht beobachtet. In dem Fall der Probe, bei der die
Temperatur der Wärmebehandlung den Schmelzpunkt von Cu überstieg
(Vergleichsbeispiel A4), war die Oberflächenaufrauhung des
Kontakts erheblich und es war unmöglich, Eigenschaften zu
messen. Andererseits wurde in den Fällen der Proben, bei denen
die Temperatur der Wärmebehandlung 300ºC, 800ºC bwz. 1050ºC
betrug (Beispiele A1, A2, A3), beobachtet, daß sich sowohl die
Spannungsfestigkeitseigenschaften als auch die
Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung verbesserten.
Beispiele A2, A4 und A5 und Vergleichsbeispiele A5 und A6
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Die Eigenschaften von CuCrBi-Kontakten, welche 50 Gew.-%
Cr und Bi in einer Menge von 0,01, 0,05, 0,43, 0,97 und 5,6
Gew.-% der Gesamtmenge an Cu und Bi enthielten, wurden
bestimmt (Vergleichsbeispiel AS, Beispiele A4, A2 und A5 und
Vergleichsbeispiel A6). Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, waren in
dem Fall des Kontaktes mit einen kleineren Bi-Gehalt
(Vergleichsbeispiel A5) die Spannungsfestigkeitseigenschaft und
die Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung gut. Eine
Verbesserung der Antischweißeigenschaften wurde jedoch kaum
beobachtet. Andererseits wurde in dem Fall des Kontaktes, der einen
größeren Kontakt an Bi enthielt (Vergleichsbeispiel A6), ein
auf die Wärmebehandlung zurückgehender Effekt nicht beobachtet
und das Anwachsen der Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung und
die Verringerung der Spannungsfestigkeitseigenschaften waren
beachtlich. Wie man aus dem Vorangehenden erkennt, beträgt die
Menge an B1, bezogen auf die Gesamtmenge von Cu und Bi,
geeigneterweise 0,05 bis 1,0 Gew.-%.
Beispiele A6 bis A8 und Vergleichsbeispiele A7 und A8
-
Der effektive Bereich des Cr-Gehalts wurde untersucht. CuCrBi-
Legierungskontakte, welche 12,3, 22,5, 47,9, 59,1 oder 87,6
Gew.-% Cr enthielten, wurden untersucht (Vergleichsbeispiel
A7, Beispiele A6 bis A8 und Vergleichsbeispiel A8). Die
Eigenschaften jedes Kontaktes wurden bestimmt. Alle Kontakte
zeigten eine gute Antischweißeigenschaft. In dem Fall des
Kontakts, der 12,3 Gew.-% Cr enthielt (Vergleichsbeispiel A7) war
die Menge an Cu übermäßig groß und daher wurde eine deutliche
Verringerung der Spannungsfestigkeit beobachtet, obwohl ein
solcher Kontakt kein Problem hinsichtlich der Erzeugung von
Rückzündungen bildet. Bei dem Fall des Kontakts, der 87,6
Gew.-% an Cr enthält (Vergleichsbeispiel A8), war die Menge an
Cr übermäßig groß und daher war es unmöglich, das Verspröden
der Kontaktoberfläche durch Wärmebehandlung zu verhindern, und
sowohl die Spannungsfestigkeitseigenschaft als auch die
Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung, die erzielt wurden, waren
nicht gut. Andererseits zeigten die Kontakte, welche 22,5,
47,9, 59,1 Gew.-% Cr enthielten (Beispiele A6 bis A8),
sämtlich gute Resultate. Wie man aus dem Vorangehenden sieht, ist
es wünschenswert, daß der Prozentsatz an Cr 20 bis 60 Gew.-%
beträgt.
Tabelle 1
Analyt. Wert
Eigenschaften
Bedingungen der
Wärmebehandlung
nach der
Kontakt -verarbeitung
(Vakuumumgebung)
Antischweißeigenschaft
Spannungsfestigkeit
Wahrscheinlichkeit
einer Rückzündung
Vergl. Beisp.
Beisp.
keine
Messung wegen Schmelzen von Cu nicht möglich
-
Die oben beschriebenen Beispiele beziehen sich auf solche
Fälle, in denen der Kontakt allein wärmebehandelt wurde. Auch
wenn eine Wärmebehandlung, welche ein Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist, in jedem Schritt durchgeführt wird, der
vollzogen wird, bis der Kontakt in den Vakuumunterbrecher
eingebaut worden ist, ist ersichtlich, daß die Verbesserung von
Eigenschaften ähnlich wie den oben beschriebenen erreicht werden
kann.
-
Wie oben beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung die Verringerung der Spannungsfestigkeitseigenschaften
und das Ansteigen der Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung
minimiert werden, während die Antischweißeigenschaften des
CuCrBi-Legierungskontakts für den Vakuumunterbrecher gewahrt
werden können.
-
Beispiele, in denen Kontakte durch das Infiltrierungsverfahren
hergestellt werden, werden beschrieben.
-
Die Bedingungen und Verfahren, die beim Bestimmen der
Eigenschaften der Kontakte verwendet werden, sind wie folgt.
(1) Antischweißeigenschaft
-
Druckstangen mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einen
Ende, das einen Krümmungsradius von 100 R aufwies, wurden
einem Paar von scheibenförmigen Proben mit einem
Außendurchmesser von 25 mm gegenüber angeordnet. Eine Last von 100 kg wurde
angelegt und ein Strom von 20 kA mit 50 Hz wurde durch die
Proben über Millisekunden in einem Vakuum von 10&supmin;&sup5; mmHg
geleitet. Die zum Öffnen erforderliche Kraft zwischen den Proben
und der Stange wurde gemessen und die Antischweißeigenschaft
wurde bestimmt. Die Zahlenwerte sind Relativwerte, die man
erhält, wenn die Schweißöffnungskraft des infiltrierten CuCr-
Legierungsmaterials, das in dem Vergleichsbeispiel B1 gezeigt
ist, durch 1,0 ausgedrückt wird. Tabelle 2 zeigt die
Streuungsbreite der gemessenen Werte (Zahl der Kontakte: 10).
(2) Spannungsfestigkeitseigenschaften
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Eine Ni-Nadel, welche durch Schwabbeln hochglanzpoliert worden
war, wurde als Anode verwendet. Jede durch Hochglanzpolieren
und nachfolgendes Unterziehen unter eine
Vakuum-Wärmebehandlung erzeugte Probe wurde als Kathode verwendet. Die Lücke
zwischen der Anode und der Kathode betrug 0,5 mm. Die Spannung
wurde nach und nach in einem Vakuum von 10&supmin;&sup6; mmHg erhöht und
der Spannungswert wurde gemessen, wenn ein Funke erzeugt
wurde. Dementsprechend wurden statische
Durchschlagsspannungswerte bestimmt. Die Daten, die man beim Durchführen von zehn
Versuchen erhielt, sind in Tabelle 2 (einschließlich ihrer
Streuung) gezeigt. Die Zahlenwerte sind Relativwerte, die man
erhält, wenn die Werte der statischen Durchschlagsspannung der
infiltrierten CuCr-Legierung mit 1,0 ausgedrückt werden
(Vergleichsbeispiel B1).
-
Die obigen Proben für das Messen der Antischweißeigenschaft
und der Spannungsfestigkeitseigenschaft sind diejenigen, die
man durch Verarbeiten zu der Form der oben beschriebenen Probe
und Unterziehen unter eine Vakuum-Wärmebehandlung erhält.
Beispiel B1 und Vergleichsbeispiele B1 und B2
-
Kontakte, welche ungefähr 50 Gew.-% Cr und Bi in einer Menge
von ungefähr 0,4 Gew.-% der Gesamtmenge an Cu und Bi
enthielten, wurden erzeugt. Geschmolzenes CuBi wurde als
Infiltrierungsmaterial verwendet (Vergleichsbeispiel B2) und ein
Grünling, der aüs Cu und Bi-Pulvern bestand, wurde als
Infiltrierungsmaterial verwendet (Beispiel B1) - Ihre Eigenschaften
wurden verglichen. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, war die
Antischweißeigenschaft wesentlich besser als diejenige des CuCr-
Kontakts, den man nach dem Infiltrierungsverfahren nach dem
Stand der Technik (Bi = 0, Vergleichsbeispiel B1) erhielt.
Wenn ihre Streubreite verglichen wird, zeigt Beispiel B1, bei
dem der Preßling verwendet wurde, eine geringe Streubreite,
während das Vergleichsbeispiel B2, bei dem durch das
Schmelzverfahren gewonnenes CuBi verwendet wurde, eine große
Streubreite zeigt. Während die Meßergebnisse zeigen, daß die
Streubreite des Vergleichsbeispiels B2 groß ist, ist die obere
Grenze der Streubreite das 0,6-fache derjenigen des
Vergleichsbeispiels B1, das kein Bi enthält, und sie liegt in dem
praktisch effizienten Bereich. Eine ähnliche Tendenz wird bei
den Spannungsfestigkeitseigenschaften beobachtet. Beispiel B1,
bei dem der Preßling verwendet wurde, zeigt eine Verringerung
der Spannungsfestigkeit, die geringer als diejenige des
Vergleichsbeispiels B1 ist, und eine geringere Streubreite als
das Vergleichsbeispiel B1, während das Vergleichsbeispiel B2,
bei dem durch das Schmelzverfahren gewonnenes CuBi verwendet
wurde, eine große Streuung aufweist und in einigen Fällen die
untere Grenze 0,6 ist. Dementsprechend ist der Kontakt des
Vergleichsbeispiels B2 nicht notwendigerweise als Kontakt für
einen Vakuum-Schaltungsunterbrecher geeignet.
-
Die oben beschriebenen Resultate zeigen, daß Kontakte, die
eine geringere Streuung in der Spannungsfestigkeit und der
Antischweißeigenschaft zeigen, durch das Verwenden des CuBi-
Preßlings als Infiltrierungsmaterial erreicht werden können.
Beispiele B2, B1 und B3 und Vergleichsbeispiele B3 und B4
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Die Eigenschaften von CuCrBi-Kontakten, welche 50 Gew.-%
Cr und Bi in einer Menge von 0,01, 0,05, 0,39, 0,95 und 5,3
Gew.-% der Gesamtmenge an Cu und Bi enthielten, wurden
bestimmt (Vergleichsbeispiel B3, Beispiele B2, B1 und B3 und
Vergleichsbeispiel B4). Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, war in
dem Fall des Kontakts, der einen kleineren Bi-Gehalt aufwies
(Vergleichsbeispiel B3), die Spannungsfestigkeit gut. Eine
Verbesserung der Antischweißeigenschaft wurde jedoch kaum
beobachtet. Andererseits war in dem Fall des Kontakts, der einen
größeren Bi-Gehalt aufwies (Vergleichsbeispiel B4) die
Verringerung der Spannungsfestigkeit beachtlich. Wie man aus dem
Vorangehenden sieht, liegt die Menge an Bi, bezogen auf die
Gesamtmenge von Cu und Bi, geeigneterweise zwischen 0,05 und
1,0 Gew.-%.
Beispiele B4 und B5
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Es wird der Fall untersucht, in dem erheblich oxidiertes Cu
als Rohmaterial eines Grünlings für ein Infiltrierungsmaterial
verwendet wird.
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Wenn ein erheblich oxidiertes Cu-Pulver, wie in Beispiel B4
gezeigt, verwendet wird, ist seine Spannungsfestigkeit
geringfügig kleiner als diejenige des Beispiels B1. Seine
Antischweißeigenschaften sind jedoch im wesentlichen dieselben wie
die bei Beispiel B1 und bei Beispiel B4 gibt es keine Probleme
hinsichtlich der Verwendung als Kontakt für einen
Vakuumunterbrecher. Es wurde bestätigt, daß dieselbe Spannungsfestigkeit
wie die des Beispiels B1 erzielt wird, indem dasselbe
Cu-Pulver verwendet und der Grünling vor der Infiltrierung
wärmebehandelt wird (Beispiel B5), und die Effizienz der
Wärmebehandlung des Preßlings wird bestätigt.
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Der Gew.-%-Anteil von Cr ist in den oben beschriebenen
Beispielen nicht-begrenzt. Es ist ersichtlich, daß alle CuCrBi-
Kontakte, welche durch das Infiltrierungsverfahren erzeugt
werden können, bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, verwendet das
Infiltrierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren,
welches die Schritte des Verdichtens einer Mischung aus einem
Cu-Pulver und einem Bi-Pulver, das darin gleichförmig verteilt
sind, unter einem spezifischen Druck, des Infiltrierens des
daraus entstehenden CuBi-Grünlings in ein Cr-Skelett in einer
nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer spezifischen
Temperatur und des Kühlens der daraus resultierenden Legierung
umfaßt. Dementsprechend können hervorragende kontaktbildende
Materialien erzielt werden, die in der Lage sind, das Streuen
der Spannungsfestigkeit und der Antischweißeigenschaft zu
verhindern.
Tabelle 2
Analyt. Wert
Eigenschaften
Gew.-%
Verfahren zum
Herstellen des
Infiltrierungsmaterials
Wärmebehandlung des
Infiltrierungsmaterials
Antischweißeigenschaft
Spannungsfestigkeit
Anmerkungen
Vergl. Bsp.
Geschmolzenes
sauerstofffreies Cu
geschmolzenes CuBi
CuBi-Grünling
nein
Erheblich oxidiertes
Cu-Pulver wurde
verwendet