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EP0172411B1 - Vakuumschütz mit Kontaktstücken aus CuCr und Verfahren zur Herstellung dieser Kontaktstücke - Google Patents

Vakuumschütz mit Kontaktstücken aus CuCr und Verfahren zur Herstellung dieser Kontaktstücke Download PDF

Info

Publication number
EP0172411B1
EP0172411B1 EP85108917A EP85108917A EP0172411B1 EP 0172411 B1 EP0172411 B1 EP 0172411B1 EP 85108917 A EP85108917 A EP 85108917A EP 85108917 A EP85108917 A EP 85108917A EP 0172411 B1 EP0172411 B1 EP 0172411B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact piece
vacuum contactor
copper
fused material
additions
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
EP85108917A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0172411A1 (de
Inventor
Heinrich Dr. Hässler
Reiner Müller
Horst Dr. Kippenberg
Wilfried Kuhl
Joachim Grosse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0172411A1 publication Critical patent/EP0172411A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0172411B1 publication Critical patent/EP0172411B1/de
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H01H1/0206—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches containing as major components Cu and Cr

Definitions

  • the invention relates to a vacuum contactor for the low-voltage and high-voltage range with contact pieces, the buttons of which face each other.
  • the invention also relates to the method for producing a contact piece for such a vacuum contactor.
  • GB-A 2066298 also discloses a method for producing contact pieces for vacuum switching devices in which, among other things, a CuCr material is made by powder metallurgy by the fact that two melts are atomized from the liquid state due to the miscibility of the mixture in this system and the powder mixture is further processed by sintering into the contact piece.
  • the vacuum contactors also belong to the vacuum switchgear class. These are characterized by their long service life, with switching numbers> 10 6 at nominal current usually being sought.
  • tungsten W
  • Cu copper
  • the effect of cooling the scaffolding due to the lower-boiling material against overheating can also be used.
  • WCu materials are preferably produced by sintering a framework from the high-melting component and then impregnating this framework with the low-melting component.
  • further metallic components for example tellurium or antimony, are usually added.
  • Tungsten and copper based materials are successfully used for vacuum contactors in the high voltage range with switching currents up to approx. 3 kA. Due to increased technical requirements with regard to switching currents and switching numbers, especially in the area of low voltage technology up to 1 kV, improvements in the contact material are necessary that WCu materials only meet to a limited extent. The reason for this lies in the special burn-up mechanism of this system: In the event of an arc load, copper and tungsten are melted and vaporized at the same time in the cathode base points due to the extremely high temperatures, but copper is preferably evaporated out of the framework in the edge areas of the base points with their lower temperature load.
  • a typical structure of a tungsten-copper contact surface subject to frequent switching therefore contains torn and scaly areas.
  • the above surface structures naturally limit the switching properties and thus the service life of the contact material.
  • the contact material has been optimized for the specially required properties by choosing suitable concentration ratios and specific powder particle sizes.
  • the object of the invention is therefore to provide a vacuum contactor which has the same good switching properties as contactors with contact pieces made of tungsten copper (WCu) in the initial state, but which also has a longer life span with a constant resistance due to a more favorable erosion behavior of the contact pieces has high switch-on and switch-off capacity.
  • WCu tungsten copper
  • the contact pieces consist of a melting material made of copper and chromium, which consists of a copper matrix with evenly distributed fine-particle dendritic chromium deposits and which is composed of 75 to 40% by mass of copper and 25 to 60% by mass of chromium.
  • a copper-chromium melting material is produced by arc melting, in which finely divided dendritic chromium precipitates are evenly distributed in a copper matrix and that for contact piece is further processed.
  • the melting material is preferably formed, so that a directional structure is created.
  • the material sought should be a composite material in order to take advantage of the favorable properties of this contact material class. It was recognized that the described unfavorable combustion structure of tungsten copper is primarily due to the strongly differing vapor pressures of the two metals used to date. The invention was then based on the finding that a metal combination had to be sought, the components of which, despite different other properties, have similar vapor pressures where possible. Such a combination is especially given by a material based on copper and chrome.
  • the invention has now surprisingly recognized that a melting material based on copper-chromium can also be used for vacuum contactors. This overcomes the prejudice prevailing among experts!
  • the erosion resistance of this material could be proven especially under contactor conditions, with which such a material easily meets the required number of operations of> 10 6 at nominal current while maintaining the switch-on and switch-off capacity for high operating currents.
  • measurements with a nominal current of 600 A and approximately 10 6 switching operations resulted in a height loss of ⁇ 1 mm per contact.
  • a burnout of ⁇ 1 mm per contact piece was also found with a switching number of 3x10 5 .
  • a CuCr melting material with a composition in mass proportions of about 25 to 60% chromium is suitable for vacuum contactors. It was found that such a melting material already has sufficient properties after the melting metallurgical production by arc melting. So that a line-shaped alignment of the chrome dendrites runs perpendicular to the button of the contact pieces, the melt material is preferably reshaped, so that there is a directional structure perpendicular to the button. Forming is preferably carried out by full forward extrusion with a degree of deformation> 60%.
  • the requirements for the material can generally be met by the base material copper-chromium.
  • the required properties can also be improved by adding tellurium, antimony, bismuth and / or tin.
  • Various methods are possible for introducing such additives into the previously manufactured contact pieces, for example melting, diffusing or storing in depressions.
  • the vacuum contactor according to the invention can also have an unpaired contact arrangement with a contact piece made of pure CuCr melting material and the opposite contact piece made of CuCr melting material with additives, without losing the advantageous properties in switching operation.
  • the blank should have dimensions of 80 mm in diameter and 400 mm in length.
  • the powder mixture of the appropriate composition is pressed isostatically at a pressure of 3000 bar and then sintered in a vacuum at temperatures just below or in the case of the formation of a liquid phase about 50 ° C. above the copper melting point.
  • the sintered blank is used as a melting electrode in an arc melting furnace and remelted under helium as a protective gas.
  • the arc current must be at least 1000 A for the given dimensions.
  • the melted electrode material solidifies in a water-cooled copper mold.
  • compositions in mass fractions of 60% copper and 40% chromium instead of the composition in mass fractions of 60% copper and 40% chromium, other compositions in the range between 25 and 60% chromium can also be selected.
  • a semi-finished product for contact pieces is then produced from the melting block thus produced by arc melting by full forward extrusion. Forming degrees of more than 60% are used, e.g. of 78%. In this case, after turning off the melting block, a bar diameter of 35 mm results from a blank diameter of 75 mm as a semi-finished product.
  • This semifinished product has a directional structure, in which the chrome dendrites present in the material are now present in a row-like orientation with a preferred direction. If, after a possible turning off of the surfaces with impurities, disks of, for example, 5 mm thickness are cut off from this rod as contact pieces, there is inevitably a button perpendicular to the present directional structure.
  • Example 2 After metallurgical production as in Example 1, the melting block with a diameter of 80 mm is cut into 5 mm slices. Three contact pieces with a diameter of 35 mm can then be punched out of these disks.
  • the contact pieces manufactured according to example 1 or 2 can be installed in the switching tubes of vacuum contactors. However, previously, as described with reference to Examples 3 to 5 in connection with the figures, special additional components can also be introduced into the contact pieces.
  • Contact pieces of the composition are to be produced in proportions by mass of 58.5% copper (Cu), 38.5% chromium (Cr) and 3% tellurium (Te):
  • contact pieces made of copper are first made according to the example by arc melting and subsequent shaping and chrome, for which a composition in mass fractions of 60% copper and 40% chromium is selected.
  • Tellurium should be alloyed into the contact disks after forming and cutting.
  • a CuCr disk 1 is introduced into a correspondingly designed graphite crucible 2 with a graphite paper 3 interposed.
  • Tellurium powder 4 is applied in excess to the surface of the CuCr disk 1.
  • the crucible 2 is then heated to 1150 ° C. and held under protective gas for about 1 hour. The result is a contact piece 5 of the required composition, the tellurium offered being alloyed in quantitatively.
  • the tellurium content can be from 0.1 to 10%, depending on the requirements for welding force and tear-off current.
  • Contact pieces of the composition in mass fractions of 48.5% copper (Cu), 48.5% chromium (Cr) and 3% antimony (Sb) are to be produced.
  • contact pieces of the composition in mass fractions of 50% copper and 50% chromium are produced again by arc melting and subsequent forming.
  • the antimony is introduced by diffusion: For this purpose, a recess is worked into the contact piece, into which the antimony is inserted.
  • a copper-chromium contact piece 20 is formed with a recess 21 approximately as a cup. It is on an A'203 plate 22.
  • Antimony powder 23 is brought into the recess of the contact piece 20.
  • a diffusion zone 24 with the above-mentioned concentration forms in the copper-chromium disk. The depth formation and antimony concentration of the diffusion zone 24 can be controlled via the temperature holding time and the antimony supply.
  • FIG. 3 An alternative possibility is illustrated with the aid of FIG. 3: Here there is a copper-chrome disk 30 in an A1 2 0 3 crucible 31, which is covered with a plate 32 made of carbon. Antimony powder 33 is present in excess between the base plate of the A ' 2 0 3 crucible 31 and the copper-chromium disk 30. After heating to about 1000 ° C., a diffusion zone 34 is formed starting from below after about 2 hours. The depth of the diffusion zone is specified in accordance with the anticipated burnup.
  • disk-shaped contact pieces of the composition are first produced again in mass fractions of, for example, 50% copper and 50% chromium by the process described in Example 1 or 2.
  • depressions are worked into the surface of these contact disks, for example as a central hole, in the form of several holes or as an annular groove.
  • Metals or alloys with a melting point below the melting point of the copper-chromium eutectic are then introduced into the depressions as granules or a suitable form.
  • the metals tellurium, antimony or the alloys antimontelluride, bismuth telluride and tin telluride have proven to be advantageous.
  • the additional components are melted in the recesses.
  • a CuCr disk 40 with a central bore 41 is located in a graphite crucible 42 with a lid 43.
  • the additional components are introduced into the bore 41 as a seal 45. After melting, it forms a thin layer 46 on the top surface of the contact piece 40, which serves as a button.
  • a contact arrangement for vertical installation in a switching tube can advantageously be designed in such a way that one contact piece made of copper and chromium consists of one of the compositions specified according to Example 1 or 2, while the associated opposite contact piece consists of copper and chromium with specific ones Additions exist.
  • the latter contact piece can be designed according to Examples 3 to 5.
  • the contact piece above can consist of pure melting material with or without deformation.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Vakuumschütz für den Niederspannungs- und Hochspannungsbereich mit Kontaktstücken, deren Schaltflächen einander gegenüberliegen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf das Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein derartiges Vakuumschütz.
  • Werkstoffe aus Kupfer und Chrom sind vom Stand der Technik bekannt. Sofern sie als Kontaktwerkstoffe eingesetzt werden, wie beispielsweise in der US-A 4048117 und der GB-A 2123852, dienen sie durchweg der Verwendung für Vakuum-Leistungsschalter. Bei solchen Leistungsschaltern, beispielsweise Mittelspannungs-Leistungsschaltern, kommt es darauf an, gleichermassen hohe Spannungen im kV-Bereich und hohe Ströme im kA-Bereich zu schalten. Da die Schalthäufigkeit bei Leistungsschaltern vergleichsweise gering ist, wird die Lebensdauer der dabei verwendeten Kontaktstücke auf Schaltzahlen von einigen 104 ausgelegt.
  • In der GB-A 2066298 ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken für Vakuumschaltgeräte bekannt, bei dem u.a. ein CuCr-Werkstoff pulvermetallurgisch dadurch gestellt wird, dass aus dem flüssigen Zustand wegen der in diesem System vorliegenden Mischungslücke zwei Schmelzen gleichzeitig verdüst werden und das Pulvergemisch durch Sintern zum Kontaktstück weiterverarbeitet wird.
  • In die Klasse der Vakuumschaltgeräte gehören neben den Leistungsschaltern auch die Vakuumschütze. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Lebensdauer aus, wobei üblicherweise Schaltzahlen > 106 bei Nennstrom angestrebt werden.
  • An das Material für Kontaktstücke von Vakuumschützen werden aufgrund der notwendigen langen Lebensdauer besonders hohe Anforderungen speziell hinsichtlich des Abbrandverhaltens gestellt. Es müssen während der gesamten Lebensdauer einerseits Ausschaltströme bis etwa 5 kA sicher beherrscht werden; andererseits muss zugleich ein günstiges Schweissverhalten, d.h. eine niedrige Schweisskraft, gefordert werden, so dass das Öffnen der Kontaktstücke auch nach dem Einschalten hoher Betriebsströme gewährleistet ist. Das Häufigkeitsmaximum der Abreissstromwerte soll dabei deutlich unter 5 A liegen.
  • Es ist bekannt, als Kontaktmaterial für Vakuumschütze einen Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram und Kupfer einzusetzen. Darin wird das Wolfram (W) als hochschmelzende und damit besonders abbrandfeste Komponente genutzt, während das Kupfer (Cu) als elektrisch und thermisch gutleitendes Material eine Überhitzung der Schaltfläche verhindert. Dabei kann gleichermassen auch der Effekt der Gerüstkühlung durch das niedriger siedende Material gegen die Überhitzung genutzt werden. Solche WCu-Werkstoffe werden bevorzugt durch Sintern eines Gerüstes aus der hochschmelzenden Komponente und anschliessendes Tränken dieses Gerüstes mit der niedrigschmelzenden Komponente erzeugt. Zur Senkung der Schweisskraft und des Abreissstromes werden dabei üblicherweise weitere metallische Komponenten, beispielsweise Tellur oder Antimon, hinzugefügt.
  • Werkstoff auf der Basis Wolfram und Kupfer werden für Vakuumschütze im Hochspannungsbereich mit Schaltströmen bis ca. 3 kA erfolgreich eingesetzt. Durch gestiegene technische Anforderungen bezüglich Schaltströme und Schaltzahlen, insbesondere im Bereich der Niederspannungstechnik bis 1 kV, sind Verbesserungen des Kontaktwerkstoffes notwendig, die WCu-Werkstoffe nur bedingt erfüllen. Der Grund liegt im speziellen Abbrandmechanismus dieses Systems: Bei Lichtbogenbelastung wird zwar in den Kathodenfusspunkten aufgrund der extrem hohen Temperaturen Kupfer und Wolfram zugleich aufgeschmolzen und verdampft, in den Randbereichen der Fusspunkte mit ihrer geringeren Temperaturbelastung wird jedoch bevorzugt Kupfer aus dem Gerüst abgedampft. Nach Ablauf zahlreicher Nennstromschaltungen oder nach einer Reihe von Hochstromschaltungen kann es dadurch zu lokalen Kupfer-Verarmungen im Gefüge und damit zur Bildung von wolframreichen Stellen in der Schaltfläche kommen. Eine typische Struktur einer durch häufiges Schalten belasteten Wolfram-Kupfer-Kontaktfläche enthält daher aufgerissene und schuppenförmige Bereiche.
  • Obige Oberflächenstrukturen begrenzen aus dielektrischen und thermischen Gründen natürlicherweise die Schalteigenschaften und damit die Lebensdauer des Kontaktwerkstoffes. Bisher wurde durch Wahl geeigneter Konzentrationsverhältnisse und spezifischer Pulverteilchengrössen der Kontaktwerkstoff auf die speziell gefor- derten Eigenschaften optimiert. Es besteht aber insbesondere im Bereich der Niederspannung das Bedürfnis, nach anderen Kontaktmaterialien mit verbessertem Abbrandverhalten zu suchen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vakuumschütz zu schaffen, das möglichst die gleich guten Schalteigenschaften wie Schütze mit Kontaktstücken aus Wolfram-Kupfer (WCu) im Anfangszustand besitzt, das aber darüber hinaus durch ein günstigeres Abbrandverhalten der Kontaktstücke eine ungefährdet grosse Lebensdauer bei durchgehend gleichbleibendem hohen Ein- und Ausschaltvermögen aufweist.
  • Die Aufgabe ist dadurch gelöst, dass die Kontaktstücke aus einem Schmelzwerkstoff aus Kupfer und Chrom bestehen, der aus einer Kupfermatrix mit darin gleichmässig verteilten feinteiligen dendritischen Chromausscheidungen besteht und der aus 75 bis 40% Massenanteilen Kupfer und 25 bis 60% Massenanteilen Chrom zusammengesetzt ist.
  • Zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein derartiges Vakuumschütz wird dabei durch Lichtbogenschmelzen ein Kupfer-Chrom-Schmelzwerkstoff erzeugt, bei dem in einer Kupfermatrix feinteilige dendritische Chrom-Ausscheidungen gleichmässig verteilt sind und der zum Kontaktstück weiterverarbeitet wird. Vorzugsweise wird dabei der Schmelzwerkstoff umgeformt, so dass ein Richtgefüge entsteht.
  • Es wurde gefunden, dass nach dem Verfahren gemäss der deutschen Patentanmeldung P 3303170.3, die der EP-A-0115292 als gemäss Art. 54 (3) und (4) EPÜ zu berücksichtigender Stand der Technik entspricht, hergestellte Kupfer-Chrom-Schmelzlegierungen in hervorragender Weise als Kontaktwerkstoff in Schaltröhren von Vakuumschützen im Niederspannungs- und Hochspannungsbereich geeignet sind.
  • Der Erfindung ging eine Analyse der metallurgischen und insbesondere der thermodynamischen Verhältnisse voraus: Das gesuchte Material sollte ein Verbundwerkstoff sein, um die günstigen Eigenschaften dieser Kontaktwerkstoffklasse zu nutzen. Es wurde erkannt, dass die beschriebene ungünstige Abbrandstruktur von Wolfram-Kupfer vor allem auf die stark differierenden Dampfdrücke der beiden bisher verwendeten Metalle zurückzuführen ist. Der Erfindung lag nun die Erkenntnis zugrunde, dass nach einer Metallkombination gesucht werden musste, deren Komponenten trotz unterschiedlicher anderer Eigenschaften nach Möglichkeit ähnliche Dampfdrücke aufweisen. Eine solche Kombination ist speziell durch einen Werkstoff auf der Basis Kupfer und Chrom gegeben.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Werkstoff auf der Basis von Kupfer und Chrom als Kontaktwerkstoff an sich bekannt. Dieser wurde aber bisher vorteilhafterweise für Kontaktstücke bei strom- und spannungsmässig hochbelasteten Vakuum-Mittelspannungs- Leistungsschaltern benutzt. Für diesen Einsatzbereich wird das günstige ebene Abbrandbild und die daraus resultierende gute dielektrische Festigkeit genutzt. Da hierbei keine hohen Schaltzahlen gefordert sind, kann dort die beim Schalten grosser Kurzschlussströme erhebliche Abbrandrate von Kupfer-Chrom leicht toleriert werden.
  • Insbesondere wurden bisher aufgrund der beobachteten merklichen Abbrandrate im Vakuumleistungsschalter Kupfer-Chrom-Werkstoffe von der Fachwelt als untauglich für Vakuumschütze angesehen. Beispielsweise ist eine solche Differenzierung des Einsatzbereiches der bekannten Kontaktwerkstoffe aus der Monographie von A. Keil et alii «Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe», (Springer Verlag 1984), Kap. 4.3 «Schaltgeräte», insbes. Tabelle 4.7, S. 359, sowie Th. E. Brown jr. «Vacuum Interruption», (M. Dekker Inc. 1984), S. 600, entnehmbar.
  • Mit der Erfindung wurde nun überraschenderweise erkannt, dass ein Schmelzwerkstoff auf der Basis Kupfer-Chrom auch für Vakuumschütze verwendbar ist. Damit wird das bei der Fachwelt herrschende Vorurteil überwunden!
  • Wider Erwarten konnte die Abbrandfestigkeit dieses Materials speziell unter Schützbedingungen nachgewiesen werden, womit ein solcher Werkstoff die geforderten Schaltzahlen von > 106 bei Nennstrom unter Beibehaltung des Ein- und Ausschaltvermögens für hohe Betriebsströme leicht erfüllt. Beispielsweise ergaben Messungen mit 600 A Nennstrom bei ungefähr 106 Schaltungen einen Höhenabbrand von < 1 mm pro Kontaktstück. Bei verdoppeltem Nennstrom wurde bei einer Schaltzahl von 3x105 ebenfalls ein Abbrand von <1 mm pro Kontaktstück festgestellt.
  • Eine Erklärung des obigen unerwartet günstigen Abbrandverhaltens dürfte in der Gefügestruktur des Werkstoffes mit seinen fein verteilten dendritischen Chromausscheidungen zu suchen sein, wobei auch die gegenüber den Leistungsschaltern andere Lichtbogenausbildung bei Vakuumschützen zu berücksichtigen ist. Für den Erhalt des Schaltvermögens bildet insbesondere das ähnliche Abdampfverhalten von Kupfer und Chrom aufgrund der weitgehend gleichen Dampfdruckkurven beider Komponenten eine wesentliche Grundlage.
  • Durch Versuche konnte bestätigt werden, dass für Vakuumschütze ein CuCr-Schmelzwerkstoff mit einer Zusammensetzung in Massenanteilen von etwa 25 bis 60% Chrom geeignet ist. Es ergab sich, dass ein solcher Schmelzwerkstoff bereits nach der schmelzmetallurgischen Herstellung durch Lichtbogenschmelzen hinreichende Eigenschaften aufweist. Damit eine zeilenförmige Ausrichtung der Chrom-Dendrite senkrecht zur Schaltfläche der Kontaktstücke verläuft, wird der Schmelzwerkstoff vorzugweise umgeformt, so dass sich ein Richtgefüge senkrecht zur Schaltfläche ergibt. Das Umformen erfolgt vorzugsweise durch Vollvorwärtsfliesspressen mit einem Umformgrad >60%.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Anforderungen an den Werkstoff, wie insbesondere niedrige Schweisskraft und niedrige Abreissströme, im allgemeinen vom Grundwerkstoff Kupfer-Chrom erfüllt werden können. In speziellen Fällen können aber die geforderten Eigenschaften auch über spezifische Zusätze von Tellur, Antimon, Wismut und/oder Zinn verbessert werden. Zum Einbringen solcher Zusätze in die vorher gefertigten Kontaktstücke sind verschiedene Verfahren, beispielsweise das Einschmelzen, Eindiffundieren oder Einlagern in Vertiefungen, möglich.
  • Das Vakuumschütz nach der Erfindung kann auch eine unpaarige Kontaktanordnung mit einem Kontaktstück aus reinem CuCr-Schmelzwerkstoff und dem gegenüberliegenden Kontaktstück aus CuCr-Schmelzwerkstoff mit Zusätzen haben, ohne die vorteilhaften Eigenschaften im Schaltbetrieb zu verlieren.
  • 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.
  • Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung die Fig. 1 bis 4 verschiedene Möglichkeiten zur Einbringung spezifischer Zusätze in Kontaktstükke.
    • Beispiel 1
  • Aus einer Pulvermischung der Zusammensetzung in Massenanteilen von 60% Kupfer (Cu) und 40% Chrom (Cr) soll ein Schmelzblock nach dem Lichtbogenschmelzverfahren hergestellt werden: Beispielsweise soll der Rohling die Abmessungen von 80 mm Durchmesser und 400 mm Länge haben. Dazu wird die Pulvermischung entsprechender Zusammensetzung isostatisch bei einem Druck von 3000 bar gepresst und anschliessend im Vakuum bei Temperaturen knapp unterhalb oder im Falle der Ausbildung einer flüssigen Phase etwa 50°C oberhalb des Kupferschmelzpunktes gesintert. Der gesinterte Rohling wird als Abschmelzelektrode in einem Lichtbogenschmelzofen eingesetzt und unter Helium als Schutzgas umgeschmolzen. Um die geforderte hohe Energiedichte zu erreichen, muss der Lichtbogenstrom bei den gegebenen Abmessungen wenigstens 1000A betragen. Das abgeschmolzene Elektrodenmaterial erstarrt in einer wassergekühlten Kupferkokille.
  • Statt der Zusammensetzung in Massenanteilen von 60% Kupfer und 40% Chrom können auch andere Zusammensetzungen im Bereich zwischen 25 und 60% Chrom gewählt werden.
  • Aus dem so durch Lichtbogenschmelzen erzeugten Schmelzblock wird anschliessend durch Vollvorwärtsfliesspressen ein Halbzeug für Kontaktstücke hergestellt. Dabei werden Umformgrade von mehr als 60% angewandt, z.B. von 78%. In diesem Fall ergibt sich nach Abdrehen des Schmelzblocks aus einem Rohlingdurchmesser von 75 mm ein Stangendurchmesser von 35 mm als Halbzeug. Dieses Halbzeug weist ein Richtgefüge auf, bei dem jetzt insbesondere die im Werkstoff vorhandenen Chrom-Dendrite in zeilenförmiger Ausrichtung mit Vorzugsrichtung vorliegen. Werden nun von dieser Stange, nach einem eventuellen Abdrehen der Oberflächen mit Verunreinigungen, Scheiben von beispielsweise 5 mm Stärke als Kontaktstücke abgeschnitten, so ergibt sich zwangsläufig eine Schaltfläche senkrecht zum vorliegenden Richtgefüge.
    • Beispiel 2
  • Nach schmelzmetallurgischer Herstellung, wie bei Beispiel 1, wird der Schmelzblock mit 80 mm Durchmesser in Scheiben von 5 mm geschnitten. Aus diesen Scheiben können dann drei Kontaktstücke von 35 mm Durchmesser herausgestanzt werden.
  • Die nach Beispiel 1 bzw. 2 gefertigten Kontaktstücke können in die Schaltröhren von Vakuumschützen eingebaut werden. Es können aber zuvor, wie anhand der Beispiele 3 bis 5 in Verbindung mit den Figuren beschrieben wird, auch spezielle Zusatzkomponenten in die Kontaktstükke eingebracht werden.
    • Beispiel 3
  • Es sollen Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 58,5% Kupfer (Cu), 38,5% Chrom (Cr) und 3% Tellur (Te) hergestellt werden: Zu diesem Zweck werden zunächst entsprechend Beispiel durch Lichtbogenschmelzen und anschliessendes Umformen Kontaktstücke aus Kupfer und Chrom gefertigt, wozu eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 60% Kupfer und 40% Chrom gewählt wird. In die nach Umformung und Abschneiden vorliegenden Kontaktscheiben soll Tellur einlegiert werden.
  • Letzteres wird anhand Fig. 5 im einzelnen verdeutlicht: Eine CuCr-Scheibe 1 wird in einen entsprechend ausgebildeten Graphit-Tiegel 2 unter Zwischenlage eines Graphit-Papiers 3 eingebracht. Auf die Oberfläche der CuCr-Scheibe 1 wird Tellurpulver 4 im Überschuss aufgebracht. Anschliessend wird der Tiegel 2 auf 1150°C erhitzt und etwa 1 Stunde bei Schutzgas gehalten. Es ergibt sich ein Kontaktstück 5 der geforderten Zusammensetzung, wobei das angebotene Tellur quantitativ einlegiert ist.
  • Der Tellurgehalt kann entsprechend den Anforderungen an Schweisskraft und Abreissstrom von 0,1 bis 10% betragen.
  • In gleicher Weise wie für Tellur (Te) beschrieben, können auch Antimon (Sb), Wismut (Bi) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen dieser Metalle in die Kontaktstücke eingebracht werden.
    • Beispiel 4
  • Es sollen Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 48,5% Kupfer (Cu), 48,5% Chrom (Cr) und 3% Antimon (Sb) hergestellt werden. Zunächst werden wieder Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 50% Kupfer und 50% Chrom durch Lichtbogenschmelzen und anschliessendem Umformen gefertigt. Nach Abtrennen der Scheiben wird das Antimon durch Diffusion eingebracht: Dazu wird in das Kontaktstück eine Vertiefung eingearbeitet, in die das Antimon eingelegt wird.
  • Letzteres wird anhand Fig. 2 im einzelnen verdeutlicht: Ein Kupfer-Chrom-Kontaktstück 20 ist mit einer Vertiefung 21 in etwa als Napf ausgebildet. Es steht auf einer A'203-Platte 22. In die Vertiefung des Kontaktstückes 20 wird Antimonpulver 23 gebracht. Nach Erhitzen auf etwa 1000°C unter Schutzgas und Halten für etwa 2 Stunden bildet sich eine Diffusionszone 24 mit der oben angegebenen Konzentration in der Kupfer-Chrom-Scheibe aus. Die Tiefenausbildung sowie Antimonkonzentration der Diffusionszone 24 lässt sich über die Temperaturhaltezeit sowie über das Antimonangebot steuern.
  • Anhand der Fig. 3 ist eine alternative Möglichkeit verdeutlicht: Hier befindet sich eine Kupfer-Chromscheibe 30 in einem A1203Tiegel 31, der mit einer Platte 32 aus Kohlenstoff abgedeckt ist. Zwischen der Grundplatte des A'203-Tiegels 31 und der Kupfer-Chrom-Scheibe 30 ist Antimonpulver 33 im Überschuss vorhanden. Nach Erhitzung auf etwa 1000°C bildet sich nach ca. 2 Stunden von unten ausgehend eine Diffusionszone 34 aus. Die Tiefe der Diffusionszone wird entsprechend dem zu erwartenden Abbrand vorgegeben.
  • In gleicher Weise können statt Antimon (Sb) auch Zinn (Sn) bzw. Kombinationen aus Antimon, Tellur und/oder Zinn in die Kontaktstücke eingebracht werden.
    • Beispiel 5
  • Es sollen Kontaktstücke mit lokal eingebrachten Zusätzen gefertigt werden: Zu diesem Zweck werden nach dem bei Beispiel 1 oder 2 beschriebenen Verfahren zunächst wieder scheibenförmige Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von beispielsweise 50% Kupfer und 50% Chrom hergestellt. In die Oberfläche dieser Kontaktscheiben werden an geeigneter Stelle Vertiefungen, beispielsweise als Zentralbohrung, in Form mehrerer Bohrungen oder auch als Ringnut, eingearbeitet. In die Vertiefungen werden anschliessend Metalle oder Legierungen mit einem Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des Kupfer-Chrom-Eutektikums als Granulat oder geeignete Form eingebracht. Als vorteilhaft haben sich die Metalle Tellur, Antimon oder die Legierungen Antimontellurid, Wismuttellurid und Zinntellurid erwiesen. Die Zusatzkomponenten werden in den Vertiefungen aufgeschmolzen.
  • Letzteres wird anhand von Fig. 4 verdeutlicht: Eine CuCr-Scheibe 40 mit zentraler Bohrung 41 befindet sich in einem Graphit-Tiegel 42 mit Dekkel 43. In die Bohrung 41 werden die Zusatzkomponenten als Plombe 45 eingebracht. Nach dem Aufschmelzen bildet sich daraus eine dünne Schicht 46 auf der Deckfläche des Kontaktstükkes 40, die als Schaltfläche dient.
  • Für die Anwendung in Vakuumschützen ergibt sich nun auch insbesondere die Möglichkeit, unpaarige Anordnungen aufzubauen. Es hat sich gezeigt, dass eine Kontaktanordnung zum senkrechten Einbau in eine Schaltröhre vorteilhaft derart ausgelegt sein kann, dass das eine Kontaktstück aus Kupfer und Chrom einer der gemäss Beispiel 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzungen besteht, während das zugehörige gegenüberliegende Kontaktstück aus Kupfer und Chrom mit spezifischen Zusätzen besteht. Letzteres Kontaktstück kann entsprechend den Beispielen 3 bis 5 ausgebildet sein.
  • Bei der Schaltröhre kann insbesondere das obenstehende Kontaktstück aus reinem Schmelzwerkstoff mit oder ohne Verformung bestehen.

Claims (14)

1. Vakuumschütz für den Niederspannungs-und Hochspannungsbereich mit Kontaktstücken, deren Schaltflächen einander gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstücke aus einem Schmelzwerkstoff aus Kupfer und Chrom bestehen, der aus einer Kupfermatrix mit einer gleichmässigen Verteilung von feinteiligen dendritischen Chrom-Ausscheidungen in der Kupfermatrix besteht und der aus 75 bis 40% Massenanteilen Kupfer und 25 bis 60% Massenanteilen Chrom zusammengesetzt ist.
2. Vakuumschütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzwerkstoff ein Richtgefüge aufweist, wobei die Schaltfläche der Kontaktstücke senkrecht zum Richtgefüge angeordnet ist.
3. Vakuumschütz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kontaktstück zur Herabsetzung der Schweisskraft Zusätze wenigstens eines der Metalle Tellur (Te), Antimon (Sb), Wismut (Bi) und/oder Zinn (Sn) sowie deren Legierungen vorhanden sind.
4. Vakuumschütz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil der Zusätze zwischen 0,1 und 10% liegt.
5. Vakuumschütz nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze von der Schaltfläche des Kontaktstückes ausgehend lediglich bis zu einer bestimmten Eindringtiefe des Kontaktstückes vorhanden sind.
6. Vakuumschütz nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze lediglich lokal an vorbestimmten Orten auf der Schaltfläche des Kontaktstückes vorhanden sind.
7. Vakuumschütz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Kontaktstück aus reinem CuCr-Schmelzwerkstoff und das gegenüberliegende Kontaktstück aus CuCr-Schmelzwerkstoff mit Zusätzen besteht.
8. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein Vakuumschütz nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Lichtbogenschmelzen ein Schmelzwerkstoff erzeugt wird, der aus einer Kupfermatrix mit einer gleichmässigen Verteilung von feinteiligen dendritischen Chrom-Ausscheidungen besteht, und dass der Schmelzwerkstoff zum Kontaktstück weiterverarbeitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein Vakuumschütz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzwerkstoff nach dem Lichtbogenschmelzen einer Umformung unterzogen wird, wodurch ein Richtgefüge geschaffen wird, bei dem die dendritischen Chrom-Ausscheidungen in eine Vorzugsrichtung gestreckt sind.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzwerkstoff durch Vollvorwärtsfliesspressen umgeformt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Umformgrad > 60 % ist.
12. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein Vakuumschütz nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück nach Herausarbeiten aus dem Schmelzwerkstoff durch Einlegieren der Zusätze in der flüssigen Kupferphase des Kontaktstückes fertiggestellt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein Vakuumschütz nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktstück nach Herausarbeiten aus dem Schmelzwerkstoff durch Diffusion der Zusätze in der festen Kupferphase des Kontaktstückes fertiggestellt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herstellung eines Kontaktstückes für ein Vakuumschütz nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schaltfläche des Kontaktstückes Vertiefungen eingearbeitet werden, in welche die Zusätze eingebracht und darin aufgeschmolzen werden.
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