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WO2017134068A1 - Kontaktelement für elektrische schalter und herstellungsverfahren dazu - Google Patents

Kontaktelement für elektrische schalter und herstellungsverfahren dazu Download PDF

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WO2017134068A1
WO2017134068A1 PCT/EP2017/052090 EP2017052090W WO2017134068A1 WO 2017134068 A1 WO2017134068 A1 WO 2017134068A1 EP 2017052090 W EP2017052090 W EP 2017052090W WO 2017134068 A1 WO2017134068 A1 WO 2017134068A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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contact
contact element
contact elements
element according
switching contacts
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2017/052090
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carl Mikael Ahlstedt
Werner Hartmann
Carsten Schuh
Norbert Wenzel
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2017134068A1 publication Critical patent/WO2017134068A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
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    • H01H11/04—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches of switch contacts
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    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/664—Contacts; Arc-extinguishing means, e.g. arcing rings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/12—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage
    • H01H1/14—Contacts characterised by the manner in which co-operating contacts engage by abutting

Definitions

  • the invention relates to contact elements for electrical
  • the invention meets be ⁇ contact elements for such switching contacts ⁇ te as for vacuum tubes (vacuum interrupters) are used. More specifically, the invention relates to the production of contact element semifinished products for electrical switch contacts, the production of contact elements for electrical switch contacts and the production of electrical switch contacts and an apparatus for producing these parts.
  • Switch contacts in vacuum tubes must meet Various ⁇ nen requirements. When closed, power should be conducted, which is why a contact material with a very high electrical conductivity is used for the contact elements of the switch contacts. When switching on and off occur due to the high contact pressures and
  • the contact material used is usually a mixture of two or more metallic or non-metallic components.
  • the mixture comprises at least one very highly conductive component and one component with high mechanical and thermal resistance. Examples are CuCr or WCAg or WCu, with Cu (copper) or Ag (silver) for the good electrical Leitfä ⁇ ability and Cr (chrome), WC (tungsten carbide) or W (tungsten) for the erosion resistance and the good mechanical Characteristics ⁇ is responsible.
  • Known contact elements for electrical switching contacts for ⁇ therefore typically take relatively high melting metalli ⁇ specific alloys and / or a composite material having at least one relatively high-melting material component.
  • flashovers often have such Legie ⁇ stakes in addition to their high melting components and precious metals such as silver, gold, platinum and / or semi-precious metals such as copper.
  • vacuum switches with switching contacts ⁇ th consisting of contact elements from a preferably high-melting and preferably also stable to oxidation alloy as a semi-precious metal alloy and / or a
  • Object of the present invention is to provide improved contact elements, which are in particular the different requirements within the contact elements with respect to thermal and mechanical stress, so in particular have a near-surface and / or central material ⁇ composition, which is characterized by high quality Density, fineness of the structure, so in particular grain size and Lunkerhow distinguished.
  • the subject of the present invention is a contact element for a switching contact, a carrier plate and thereon comprising a contact layer, characterized in that the contact layer by spark plasma sintering (PSP) can be produced and is thin, in particular has a thickness less than 5 mm, finely crystalline and is almost free of pores, so that the contact layer has a weight which is greater than / equal to 99.5% of the theoretical, nonporous material.
  • PSP spark plasma sintering
  • Under the said contact element in this case is generally a supporting element of an electrical switching contact verstan ⁇ the. It may thus for example be the Eigent ⁇ union contact body of the switching contact, via the surface of a separable electrical contact with a corresponding second contact element of the switching contact can be made. Or it may be a contact carrier of the switch contact, by which such a contact body is mechanically supported.
  • the use of the spark plasma sintering (SPS) method for producing the contact layer of the contact element can be attached to the finely crystalline and non-porous material.
  • SPS spark plasma sintering
  • Melting temperature and / or the process times of the heating or cooling ramp are extremely short. This achieves, in particular, that the grain structure does not change significantly and thus the fine graininess of the starting materials is not coarsened by crystal growth.
  • the claimed here pore-free material is applied in contrast to the melting during sintering on PLC to the carrier plate and displays as said a typical interface al ⁇ so a special interface between the carrier and con tact layer ⁇ extending through straight grain boundaries, high density, and absence of pores distinguished.
  • the carrier plate is made of a good electrically and thermally conductive material, which also has high mechanical stability, such as ⁇ example of a steel and / or a semi-precious metal such as copper.
  • the contact layer is not homogeneous, but has ei ⁇ nen gradient in the material composition , so that the increased thermal, electrical and mechanical stress on the center of the contact element can be taken into account during operation.
  • various material compositions of a copper-chromium alloy can be realized in the contact layer.
  • a contact element according to the present invention preferably shows little or no diffusion at elevated temperature and thus no homogenization of the material composition over a longer service life. Due to the special structure of the contact layer produced by SPS, inhomogeneities and concentration differences within the contact layer can be kept upright even during operation.
  • a decisive advantage of the present invention is that there is a contact element and a manufacturing method for the preparation of a contact element is disclosed, which he ⁇ laubt corresponding quality contact layers of finely ⁇ crystalline contact material on an inexpensive substrate on plates made of oxygen-free copper, to apply for example.
  • concentration of beispielswei ⁇ se chrome in the axial and / or radial direction of a contact disc is selectively adjustable.
  • the beds and / or the sintered bodies can be correspondingly thin, optionally radially and / or axially graduated
  • Layers are placed listed on carrier plates of for example copper and then compressed by the SPS method, without the set by the used powder metal ⁇ lurgi rule starting materials microstructure (Korngrö- Shen) and concentration gradients, such as the
  • the contact elements have to the present invention ⁇ a high density, ie at least 99.5% of theo ⁇ rule weight of the material associated with a freedom of the structure of pores, gas and / or oxide inclusions, also called void-free latitudes, and / or a particularly fine crystalline ⁇ expression of the microstructure with grain sizes vorzugswei ⁇ se under 60ym, below 50 ym, more preferably below 35ym and particularly preferably less than 20ym.
  • the use of spark plasma sintering process for the manufacture ⁇ position of contact elements is excellent, surprisingly, to meet all the required properties of electrical contact elements on the basis of high-melting, precious, semi-precious metals and / or other metal alloys.
  • the contact layer of the contact element on a Grad michtechniksdesign which positively influences the arc generation and / or the arc movement in the switch.
  • the contact layer has individually adjustable Microstructures and, if necessary, a grading design, which can be varied within wide limits and, because of the hard grain boundaries, do not become blurred or diluted by diffusion during operation but, on the contrary, remain long-lasting.
  • the contact layer of the contact element on a Grad mich istsdesign not only in the radial direction, but also in the axial direction.
  • the electrical conductivity of the contact system in the axial direction is maximized by producing a high chromium concentration of, for example, 40% (mass percent) at the contact surface, while the Cr concentration inside the contact coating decreases, for example only is still 10% on the bottom of the coating. Since ⁇ falls by the self-heating both in the closed state of the switch during current passage, and in the open state during the arcing phase, whereby in addition a higher breaking capacity is achieved.
  • Figure 2 shows the same contact disc with an axial cross-section is shown schematically.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a graded contact disk made of CuCr for a vacuum switch.
  • This has, for example, a material composition Cu-Crx where x can assume values of 0.001 to 0.5.
  • the grading takes place here in the axial and radial direction, whereby the graduation can be graded either by graduation or by contouring. continuous course can be realized. Independent of this, the figure has clear boundaries so that the presentation does not appear confusing.
  • the execution ⁇ form shown here is for example an AMF (Axialmagnetfeld-) contact.
  • FIG. 1 correspondingly, three zones 1, 2 and 3, in which different gradations of material composition are realized, can be seen.
  • a region 2 in which x lies in the range between 0.2 and 0.4 and, quite internally, in the exemplary embodiment shown here, the central zone 1, in which x is in the range between 0.1 and 0, is located , 3 is.
  • the grading in gradation design can be stepped or continuous, both variants are possible by manufacturing using PLC.
  • Figure 2 shows a cross section through the same exporting approximately ⁇ for example as shown in FIG. 1
  • the carrier 5 can be seen, on which a transition layer, the interface 4 rests, to which the actual contact disc is adjacent.
  • the contact disc 6 is divided into three areas, as explained in connection with Figure 1.
  • x can assume the values of 0.005 to 0.01.
  • the support plate 7, the value of x may drop to zero, as it can play ⁇ , be a pure copper or steel beams at.
  • Figure 3 is a plan view of a round contact element as a contact disk according to Figure 1.
  • Figure 4 shows the cross-section in the axial direction in this embodiment.
  • the gradation design of the contact layer is the same as that shown in FIG. 1, but in the opposite direction, where chromium-rich regions were in FIG. 1, here are the chromium-poor ones.
  • the values for x of the material composition CuCr x in the example shown in FIGS. 3 and 4 are as follows:
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of FIG. 4
  • the invention makes it possible for the first time to sinter or compact powder-metallurgical beds or low-density sintered precursor bodies to the density, freedom from pores and fine-crystalline structure required for contact elements. It is possible to realize contact elements with different gradation designs both in the axial and in the radial direction.

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Abstract

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. 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.

Description

Beschreibung
Kontaktelement für elektrische Schalter und Herstellungsver¬ fahren dazu
Die Erfindung betrifft Kontaktelemente für elektrische
Schaltkontakte für jeden Spannungsbereich. Insbesondere be¬ trifft die Erfindung Kontaktelemente für solche Schaltkontak¬ te, 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.
Elektrische Schaltkontakte in Vakuumröhren müssen verschiede¬ nen 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 Tempera¬ turbelastungen durch Lichtbögen auf. Darum wird als Kontakt- material 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 Leitfä¬ higkeit und Cr (Chrom), WC (Wolframcarbid) bzw. W (Wolfram) für die Abbrandfestigkeit und die guten mechanischen Eigen¬ schaften verantwortlich ist. Bekannte Kontaktelemente für elektrische Schaltkontakte um¬ fassen daher typischerweise relativ hochschmelzende metalli¬ sche 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 Legie¬ rungen neben ihren hochschmelzenden Komponenten oft auch Edelmetalle wie Silber, Gold, Platin und/oder Halbedelmetalle wie Kupfer auf.
Bekannt sind beispielsweise Vakuumschalter mit Schaltkontak¬ ten, welche aus Kontaktelementen aus einer vorzugsweise hochschmelzenden und ebenfalls vorzugsweise oxidationsstabilen Legierung wie einer Halbedelmetalllegierung und/oder einer
Edelmetalllegierung. Diese Kontaktelemente sind beispielswei¬ se 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. Normalerweise werden zur Herstellung der Kontaktelemente Pro¬ duktionsverfahren 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 Anforde¬ rungsprofil des Schalters optimal angepasst. Insbesondere wird nicht berücksichtigt, dass die Kontaktelemente im ober¬ flächennahen und/oder mittigen Bereich ganz anderen Anforderungen an thermische, mechanische und elektrische Belastbar- keit ausgesetzt sind als im Randbereich und/oder im oberflä¬ chenfernen Bereichen des Kontaktelements.
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 Material¬ zusammensetzung haben, die sich durch hohe Güte hinsichtlich Dichte, Feinheit des Gefüges, also insbesondere Korngröße und Lunkerfreiheit, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass außer dem oberflächennahen Bereich des Kontaktelements und dort insbe- sondere den der Mittenposition am nächsten liegenden Regionen die restlichen, anderen Bereiche des Kontaktelements im Be¬ trieb nicht so extrem beansprucht werden und entsprechend auch nicht diese hohe Materialgüte und Dicke der Kontakt¬ scheibe aufweisen müssen, um eine gleichbleibend hohe Lebens- dauer des hergestellten Kontaktelements zu gewährleisten.
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.
Unter dem genannten Kontaktelement soll hierbei allgemein ein tragendes Element eines elektrischen Schaltkontakts verstan¬ den werden. Es kann sich somit beispielsweise um den eigent¬ lichen 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.
Die Verwendung des Spark Plasma Sintering (SPS) Verfahrens zur Herstellung der Kontaktschicht des Kontaktelements lässt sich an dem feinkristallinen und porenfreien Material bei- spielsweise 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 insbeson- dere erreicht, dass sich die Kornstruktur nicht wesentlich verändert und somit die Feinkörnigkeit der Ausgangswerkstoffe nicht durch Kristallwachstum vergröbert wird.
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, al¬ so eine ganz spezielle Grenzfläche zwischen Träger und Kon¬ taktschicht, die sich durch geradlinige Korngrenzen, hohe Dichte und Porenfreiheit auszeichnet.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Trägerplatte aus einem gut elektrisch und thermisch leitenden Material, das auch hohe mechanische Stabilität aufweist wie beispiels¬ weise aus einem Stahl und/oder einem Halbedelmetall wie Kup- fer.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kontaktschicht nicht homogen aufgebaut, sondern weist ei¬ nen Gradienten in der Materialzusammensetzung auf, so dass der erhöhten thermischen, elektrischen und mechanischen Belastung der Mitte des Kontaktelements beim Betrieb Rechnung getragen werden kann.
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.
Ein Kontaktelement nach der vorliegenden Erfindung zeigt vor- zugsweise 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 inner- halb der Kontaktschicht auch beim Betrieb lange aufrechter¬ halten werden.
Entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass hier ein Kontaktelement und eine Fertigungsmethode zur Herstellung eines Kontaktelements offenbart wird, die es er¬ laubt, entsprechend hochwertige Kontaktschichten aus fein¬ kristallinem Kontaktmaterial auf einem kostengünstigen Träger, z.B. auf Platten aus Sauerstofffreiem Kupfer, aufzubringen. Dadurch kann eine erhebliche Material- und Kostenerspar- nis bei der Kontaktfertigung erzielt werden. Insbesondere vorteilhaft ist auch, dass die Konzentration an beispielswei¬ se Chrom in axialer und/oder in radialer Richtung einer Kontaktscheibe gezielt einstellbar ist. So können lokal benötig¬ te Werkstoffeigenschaften wie Abbrandfestigkeit ,
Verschweißneigung, Verbesserung der Lichtbogenausbreitung etc. optimiert werden.
Mit Hilfe der Spark-Plasma-Sinterns ist es wirtschaftlich möglich, pulvermetallurgische Schüttungen und/oder niedrig- dichte 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 aufge- bracht werden und werden anschließend durch das SPS-Verfahren verdichtet, ohne dass die durch die verwendeten pulvermetal¬ lurgischen Ausgangswerkstoffe eingestellten Gefüge (Korngrö- ßen) und Konzentrationsverläufe, wie beispielsweise die
Chromkonzentrationsverläufe, zerstört werden.
Bei herkömmlichen Sinterverfahren zur Herstellung dichter Kontaktwerkstoffe wird im Gegensatz dazu aus verfahrenstech¬ nischen Gründen im Allgemeinen eine Chromfraktion mit Korngrößen zwischen 150ym bis zu 300ym eingesetzt, so dass in der Regel das für entsprechend belastbare Kontaktelemente benö¬ tigte feinkristalline Gefüge nicht erzielt werden kann.
Vorzugsweise haben Kontaktelemente nach der vorliegenden Er¬ findung eine hohe Dichte, also mindestens 99,5% des theoreti¬ schen Gewichts des Materials verbunden mit einer Freiheit des Gefüges von Poren, Gas- und/oder oxidischen Einschlüssen, auch Lunkerfreiheit genannt, und/oder eine besonders fein¬ kristalline Ausprägung des Gefüges mit Korngrößen vorzugswei¬ se unter 60ym, unter 50 ym, besonders bevorzugt unter 35ym und insbesondere vorzugsweise unter 20ym. Der Einsatz des Spark-Plasma-Sintering-Verfahrens zur Her¬ stellung 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 an¬ spruchsvollen Kontaktelemente von beispielsweise Vakuum¬ schaltröhren 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 so¬ wie Zinnoxid-Silber also SnO-Ag-basierte Kontaktwerkstoffe in Niederspannungsschaltgeräten .
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 erhal- ten bleiben.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontaktschicht des Kontaktelements ein Gradierungsdesign nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in axialer Rich- tung auf.
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. Da¬ durch sinkt die Eigenerwärmung sowohl im geschlossenen Zu- stand des Schalters bei Stromdurchgang als auch im offenen Zustand während der Lichtbogenphase, wodurch zusätzlich ein höheres Ausschaltvermögen erzielt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigen, näher erläutert:
Die Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine runde Kontakt¬ scheibe mit einem Gradierungsdesign
Figur 2 zeigt die gleiche Kontaktscheibe wobei ein axialer Querschnitt schematisch dargestellt ist.
In Figur 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 kon- tinuierlichen Verlauf realisiert sein kann. Die Figur weist unabhängig davon klare Grenzen auf, damit die Darstellung nicht unübersichtlich wirkt. Die hier gezeigte Ausführungs¬ form ist beispielsweise ein AMF- (Axialmagnetfeld- ) Kontakt .
In Figur 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 Lichtbogenfußpunktaus- breitung 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 Ausführungs- beispiel die mittige Zone 1, in der x im Bereich zwischen 0,1 und 0 , 3 liegt .
Die Gradierung im Gradierungsdesign kann dabei stufenförmig oder kontinuierlich erfolgen, beide Varianten sind durch Her- Stellung mittels SPS möglich.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch das gleiche Ausfüh¬ rungsbeispiel wie in Figur 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 Figur 1 erläutert, unterteilt.
Im Bereich 4 der Figur 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 bei¬ spielsweise um einen reinen Kupfer oder Stahlträger handeln kann . Figur 3 ist eine Draufsicht auf ein rundes Kontaktelement wie eine Kontaktscheibe entsprechend Figur 1. In Figur 3 ist je¬ doch eine gradierte Kontaktscheibe aus CuCr für Vakuumschal¬ ter für einen RMF- (einen Radialmagnetfeld-) Kontakt gezeigt. Wieder zeigt Figur 4 bei dieser Ausführungsform den Querschnitt in axialer Richtung. Bei dieser Ausführungsform ist das Gradierungsdesign der Kontaktschicht gleich dem in der Figuren 1 gezeigten, allerdings in umgekehrter Richtung, dort wo sich bei Figur 1 chromreiche Bereiche befanden, sind hier die chromarmen. Die Werte für x der Materialzusammensetzung CuCrx betragen bei dem in Figuren 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
Figur 4 :
Hier ist wieder die Trägerplatte 7 mit der Interfacezone 4 zu erkennen. Es sind hier weitere Bereiche 4 und 5 mit gradier¬ ter Materialzusammensetzung gezeigt:
Bereich 4: x = 0,01 bis 0,03
Bereich 5: x = 0 bis 0,01
Durch die weiten Grenzen, innerhalb derer sich der Wert x innerhalb des Kontaktelements verändern kann, ist ein Gradie¬ rungsdesign offenbart, das Konzentrationsunterschiede von bis zu 50% umfasst, bezogen auf die gesamte Materialdichte. Ge- meint ist hier beispielsweise 50% von der Gesamtkontaktdichte .
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 .

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktelement für einen Schaltkontakt, eine Trägerplatte und darauf eine Kontaktschicht umfassend, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kontaktschicht durch Spark-Plasma-Sintern (SPS) 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 und/oder gleich 99,5% des theoretischen, porenfreien Materi- als ausmacht.
2. Kontaktelement nach Anspruch 1, welches wenigstens zwei Materialkomponenten (A,B) aufweist, für die in wenigstens einer Raumrichtung (x, y, z) in wenigstens einem Teil des Kontaktelements ein Konzentrationsgradient vorliegt.
3. Kontaktelement nach Anspruch 2, wobei das Kontaktelement zumindest die Teile Trägerplatte, Kontaktschicht und/oder In¬ terface dazwischen, umfasst.
4. Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo¬ bei der Gradient zumindest zum Teil durch einen kontinuierlichen Verlauf realisiert ist.
5. Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo¬ bei der Gradient zumindest zum Teil durch Abstufung reali¬ siert ist.
6. Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo- bei auf der Kontaktschicht ein feinkörniges Gefüge vorliegt, dessen Korngröße unterhalb 60ym liegt.
7. Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo¬ bei ein Gradierungsdesign in axialer und/oder in radialer Richtung vorliegt.
8. Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo¬ bei ein Gradierungsdesign realisiert ist, das Konzentrations- unterschiede von 50%, bezogen auf die Materialdichte, um- fasst .
9. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktelements durch ei- nen Spark-Plasma-Sintering Prozess.
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