DE1558542A1

DE1558542A1 - Wolfram-Verbundmaterial fuer die elektrischen Kontakte in Vakuumschaltvorrichtungen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1558542A1
Application number: DE19671558542
Authority: DE
Inventors: Krock Dr Rer Nat Richar Howard; Zdanuk Edward Joseph
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1966-05-26
Filing date: 1967-05-26
Publication date: 1970-03-26
Also published as: US3337338A; BE699056A; NL6707334A; GB1163839A; CH490502A; SE335429B

Description

. IFG.
3029 East Washington Street, Indianapolis_r Indiana/7.St.A.

Unser Zeichen; M 105ö

Wolfram-Verbundmaterial für die elektrischen Kontakte in Vakuumschaltvorrichtungen und Verfahren

zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Pulvermetallurgie und insbesondere veroesserte Möglichkeiten und Methoden sur Herstellung von Verbundmaterialien zur Verwendung als elektrisches Kontaktmaterial.

Es wurde gefunden, daß bei Anwendung von Vakuuminfiltrationsmethoden Kupfer-Iitan-Wismut-Legierungen oder Kupfer-Titan-Zinn-Legierungen, zwischen Kupfer-Wismut-Legierungen oder Kupfer-Zinn-Legierungen und einem Wolframpulverkörper oandwichartig angeordnetes und anschließend unter Bildung einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder Kupfer-Titan-Zinn-Lefo-ierung erhitztes Titan, ein mit Titan durch Elektro-

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Dr.Ha/Kei

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plattierung oder Dampfphasenplattierung überzogener WolframpulverKörper und dergleichen, einzelne Teilchen eines Wolframpulverkörpers benetzen, so daß der Pulverkörper mit einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung infiltriert werden kann. Man nimmt an, daß die erhaltenen Verbundkörper eine hohe Titankonzentration in dem Zwischenflächenbereich zwischen den Wolframpartikelchen und der Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder der Kupfer-Titan-Zinn-Legierung aufweisen, wodurch die elektrische Gesamtleitfähigkeit der Kupferlegierungsmatrix erhöht wird. Die Anwendung von Vakuuminfiltrationsraethoden verringert auch das in den erhaltenen Wolfram-Kupfer-Titan-i/ismut-Yerbundkörpern und den V/olfram-Kupfer-Titan-Zinn-Verbundkörpern anwesende Wasserstoffvolumen um mehr als eine Größenordnung und das Volumen aller gasförmigen Bestandteile um mehrere Größenordnungen.

Während eine vollständige und im wesentlichen spontane Infiltration von Kupfer in gesinterte Wolframkörper für gewöhnlich in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird, zeigt eine Kupferschmelze keine ELndringung in Wolframpulverkörper in einer Vakuumatmosphäre bei Anwendung vergleichbarer Zeit-Temperaturfaktoren und üblicher metallurgischer Methoden. Bei Durchführung der vorliegenden Erfindung hat sich nun gezeigt, daß, wenn man den Wolframpulverkörper und eine

damit

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BAD

■ — 5 -

damit in Berührung befindliche Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder Kupfer-Titan-Zinn-Legierung einer Vakuurainfiltration unterwirft, die Kupfer-Titan-Wisinut-Legierung und die Kupfer-Titan-Zinn-Legierum:. infolge von Kapillaranziehungskräften in den Woliramkörper absorbiert werden. Man nimmt an, daß in jedem Falle das Titan die Benetzung der Wolframteilöhen durch die Kupfer-Titan-Wismut-Legierung und die Kupfer-Titan-Zinn-Legierung begünstigt«

Das Wismut und das Zinn Werden in den erhaltenen Verbundmaterialien zur Aüfrechterhaltung eines Lichtbogens bei niedrigen Stromwerten und Spannungen während des Betriebs des Verbundicontaktmaterialß unter Vakuumbedingungen verwendet.

Wolfram wird für elektrische Kontaktmaterialien wegen seiner Härte und seiner Widerstandsfähigkeit gegen Lichtbogenbildung und somit wegen einer geringeren Kavitation des Wolframkontaktmaterials verwendet. Reines Woiframjtpntaktmaterial besitzt jedoch einen hohen elektrischen Wiaeratand, wodurch die Wirksamkeit und Betriebssicherheit des Y/clfraukontakimateriais verringert werden. ·

Es", wurde bereits erkannt, daß ein Wolfram-Kupfer-Verbundmat^;erial bei Verwendung als elektrisches Kontaktmaterial . ' von

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von den verschiedenen ausgezeichne!;en Eigenschaften beider Metalle profitieren könnte. In dem Verbundmaterial ergibt das Kupfer die Fähigkeit zur Stromleitung und die Wärmeleitfähigkeit, während das Wolfram Härte, Widerstand gegen eine Erosion durch Lichtbogenbildung und überlegene Anti-Schweißeigenschaften verleiht. Zur Ausnützung der vorstehend aufgezählten Eigenschaften des Kupfers und des Wolframs müssen jedoch die Metalle zu einem Wolfram-Kupfer-Verbundkörper verarbeitet werden.

Kupfer und Wolfram sind ineinander unlöslich und bilden keine legierungen im metallurgischen Sinn; Mischungen der. beiden Metalle werden zwar in der Regel als Legierungen bezeichnet, sind jedoch, technisch gesprochen, Verbundmaterialien. Verbundmaterialien aus Wolfram und Kupfer können so hergestellt werden, daß man die gemischten Metallpulver in die gewünschte Form preßt und anschließend in einer Wasserstoffatmosphäre oberhalb des Schmelzpunkts von Kupfer, vorzugsweise zwischen 1250 und 1350° 0 sintert. Der Wasserstoff wirkt dabei als Flußmittel, und dae geschmolzene Kupfer benetzt die Wolframteilchen unter Verklebung derselben miteinander. Eine andere Methode, die^ einen härteren Verbundkörper ergibt, besteht darin, daß man zunächst das Wolframpulver zu einem zusammenhängenden, jedoch porösen Körper preßt und sintert, welcher dann auf

etwa " " 009813/0592

etwa 1200 bis 1300° 0 in einer Wasserstoffatmosphäre und in Berührung mit geschmolzenem Kupfer erhitzt wird. Dabei wird das Kupfer in die Poren des Wolframpulverkörpers infolge kapillarer Anziehungskräfte absorbiert. Das Kupferinfiltrat verMht-dem Wolframpulverkörper Festigkeit und Duktilität, und der erhaltene Verbundkörper besitzt auch eine bessere Stromleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Bei Anwendung üblicher metallurgischer Verfahren zeigt jedoch eine Kupferschmelze keine Eindringung in den Wolframpulverkörper in einem Vakuum. Man nimmt an, daß das Kupfer deshalb nicht in den Wolframpulverkörper eindringt, weil in Vakuum ungünstige Oberflächenenergien herrschen.

Wenn zwischen den Metallen keine Löslichkeit besteht, wie dies zwischen Wolfram und Kupfer der Pail ist, und wenn die Benetzung schlecht ist, ist ein Hilfsmittel, weiches die Oberflächenenergien in der gewünschten Richtung beeinflußt, erforderlich.

Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung kleiner Mengen Titan und bei Anwendung von Vakuurainfiltrationsmethoden Schmelzen aus Kupfer-Titan-Wismut und Kupfer-Titan-Zinn Wolframpulverkörper vollständig infiltrieren. Man nimmt an, daß das Titan entweder die Oberflächenenergien der.

Schmelze 009813/0592

Schmelze oder des Feststoffs erhüht oder die Oberflächenenergie der Zwischenfläche zwischen der Schmelze und dem Feststoff unter Begünstigung der Infiltration der Schmelze in den Wolframpulverkörper herabsetzt. Wahrscheinlich dient das Vakuum dem doppelten ZwecK, die Eindringung der Schmelze in den Wolframpulverkürper zu fordern und gleichzeitig das Gesamtgasvolumen wesentlich zu verringern. Der erhaltene Wolfraia-Kupfer-Titan-Wismut-Körper oder Wolxram-Kupfer-Titan-Zinn-Körper muß ein geringes Gasvolumen enthaiüen, uevur * das Material unter Yakuumbedingungen verwendbar ist.

Der Zusatz von Wismut und Zinn zu den Yerbundkürpern ergibt ein Verbundkontaktmaterial, welches bei geringen Stroci- und Spannungswerten einen Lichtbogen während des Betriebs des Kontaictmate rials in einem Vakuum aufrechterhält, ilen nimmt an, daß dieses Verhalten auf die verriältnisin&ßig hohen Dampfdrücke von Wismut und Zinn zurückzuführen iut.

Aufgabe der Erfindung ist datier die Schaffung von Verbund materialien, die sich als Kontaktmaterial in elektrischen VaKUumschalövorrichtungen eignen.

Die Erfindung betrifft ferner die Schaffung eines Ve materials aus in Ilatrizes aus Kupfer-Titanr-iicaut und ICupxer Titan-Zinn eingebetteten V/olxranteilchen zur Verwendung als

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elektrisches Kontäktmaterial, wobei die Titankonzentration in dem Wolfram-Zwischenflächenbereich viel höher ist als die Titänkonzentration zwischen den Wolframpartikelchen, wodurch die elektrische GesamtMtfähigkeit der Legierungsmatrizes erhöht wird.

Die Erfindung schafft ferner Verbundmaterialien zur Verwendung in Vakuum, welche einen elektrischen Lichtbogen bei niedrigen Strom- und Spannungswerten während des Betriebs der Kontaktmaterialien aufrechterhalten.

Gemäß der Erfindung wird ein hochschmelzendes Material im Vakuum mit elektrisch leitenden Stoffen infiltriert, so daß man Verbundkontaktmaterialien mit geringem Gasgehalt und einem niedrigen Gehalt an Steffen erhält, die während des Betriebs der Kontakte in Gase übergeführt werden könnten.

Gemäß der Erfindung werden Kupfer-Titan-Wismut-Legierungen und Kupfer-Titan-Zinn-Legierungen als Infiltrate für Wolframpulverkörper verwendet,, wobei man eine vollständige V^kuuminfiltration des Wolframpulverkörpers und somit ein Verbundkont-äuitraateria erzielt, in welchem'Wolfram-Kupfer-Iitan- -Wismut- und Wolfram-Kupfer-Titan-Zinn-Kontaktmaterialien integrierend verbunden sind. :

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·— 8 — .

Die Erfindung schafft ferner Möglichkeiten und Verfahren zur Herstellung von Yerbundkontaktmaterialien unter Anwendung von Vakuuminfiltrationsmethoden, wobei diese Verbundkontaktmaterialien eine hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit, kombiniert mit geringer Erosion unter Lictitbogeneinwix*kung und geringer Deformation unter Druck aufweisen.

Eine .weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Legierungen, die einen das Wolfram benetzenden Bestandteil enthalten, welcher duktil ist, eine hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigeren Schmelzpunkt als Wolfram besitzt.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Kg. 1 eine Mikrophotographie in etwa 500-facher Vergrößerung eines Wolfrara-Kupfer-Titan-Wismut-Verbundkontaktmaterials, die eine vollständig mit einer aus etwa 0,10 Gew.^i Titan, 5 Gew. ^c/° Wismut und im übrigen aus Kupfer bestehenden Kupfer-Titan-Wismut-Le-

gierung

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gierung im Vakuum infiltrierte Wolframprobe zeigt. Die Infiltration erfolgte bei etwa 1250° 0 während etwa 1 Stunde unter einem Druck von etwa 10 ^J Torr;

Pig. 2 eine Mikrophotographie in etwa 500-facher Vergrößerung einea Wolfram-Kupfer-Iitan-Zinn-Verbunäkontaktmate-

die eine vollständig mit einer aus etwa 1ü .'/ö Titan, 5 &ew.$ Zinn und im übrigen aus Kupfer bestehenden Kupfer-Titan-Zinn-Legierung im Vakuum infiltrierte Wolframprolbe zeigt. Die Infiltration erfolgte bei etwa 1250° G während etwa 1 Stunde

_5 bei einem Druck von etwa 10 Torr.

Allgemein gesprochen, betrifft die Erfindung ein elektrisches Kontairfcraaterial zur Verwendung in einer Schaltvorrichtung;, z.B. einem elektrischen Vakuumleistungsschalter. Das Kontaktmaterial besteht dabei aus vollständig mit einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung im Vakuum infiltrierten Wolframkörpern. Die Kupfer-Titan-¥ismut-LegiGrung besteht aus 0,1 bis 0,25 Gew.^ Titan, 5 bis 12,5 Gew.f> Wismut und im übrigen aus Kupfer. Die Kupier-Titan-Zinn-Legierung besteht aus 0,1 bis 0,25 Gew.$ Titan, 5 bis 12,5 Gev/.^ Zinn iand im übrigen aus Kupfer.

Das Verfahren zur Herstellung eines mit Kupferlegierungen

infiltrierten

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infilliierten Wolframkörpers besteht darin, daß man zunächst Wolframpulver zu einem Körper mit der gewünschten Form preßt» Der ,'/oliramkörper wird dann mib einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierüng zusammengebracht, die nach Erhitzung über ihre jeweiligen Schmelzpunkte als Netzmittel für die ¥olframteilchen wirken.Der Wolframkörper und die damit in Berührung befindliche Kupferlegierung werden in eine Yakuumatmosphäre gebracht und bis zurvollständi^en Vakuuminfiltration des Wolframkörpers mit der Kupferlegierung infolge kapillarer Anziehungskräfte unter Bildung eines "Verbundkontaktmaterials erhitzt.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von mit einer Kupfer—Titan-Y/ismut-Legierung oder einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung infiltrierten V/oliramkörpern zur Verwendung als elektrisches Kontaktraaterial unter Vakuumbedingungen. Das Wolframpulver oesitzt eine ieiiehengröße zwischen 1 und 10 Ilikron und wird unter Drücken von 20 bis 35 Tonnen/Zoll zu einem Körper mit der gewünschten Porm gepreßt. Dieser Wolframkörper kann in einer Vasserstoffatmosphäre bei etwa 1250° G etwa 10 Minuten vorgesintert werden. Die Oberflächen des gesinterten- Wolframkörpers wurden dann mit einer Eupfer-Titan-Wismut-Legierung oder einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung zusammengebracht. Die Kupfer-

Titan- 009813/0592

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Titan-Wismut-Iiegxerung besteht aus 0,1 bis 0,25 Gevr.fi Titan, 5 bis 12,5 Gew.^ Wismut und im übrigen aus Kupfer. Die Kupfer-Titan-Zinn-Legierung besteht aus 0,1 bis 0,25 Gew.'/S Titan, 5 bis 12_?i5 Gew.fi Zinn und im übrigen aus Kupfer. In allen fällen dient dae Titan dazu, die Wolframteilchen durch die Kupfer-Titan-Wismut-Legierung und die Kupfer-Titan-Zinn-Legierung besser benetzbar zu machen. Der Woliramkörper und die damit in Berührung befindliche Kupferlegierung werden in ein Vakuum von etwa 10 Torr gebracht und während 20 bis 60 Hinuten auf 1250 bis 1450° G erhitzt. Dabei wird der Wülframkörper vollständig mit der Kupferlegierung unter Bildung eines Wolfram-Kupfer-Titan-Wismut- oder eines Wolfram- ' Kupfer-Titan-Zinn-Verbundkörpers im Vakuum infiltriert, der sich zur Verwendung als Kontaktnatex'ial im Vakuum eignet.

Übersteigt der Wismut- oder der Zinngehalt in dem Verbundmaterial 12,5 Gew.i> oder sein Titangehalt 0,25 Gew.fi, so wird die elektrische Leitfähigkeit des Verbundkörpers ungünstig beeinflußt, so daß er keine optimale elektrische Leitfähigkeit mehr aufweist. Es sei bemerkt, daß, wenn eine andere Eigenschaft oder andere Eigenschaften des Verbundkörpers zu einem Optimum entwickelt werden sollen, der prozentuale Gewichtsanteil an Wismut oder Zinn den angegebenen Bereich übersteigen kann. Es wurde Jedoch gefunden, daß weniger als 0,1 Gew.jä Titan die Geschwindigkeit, mit welcher die Kupferlegierung in den Preßling infiltriert

W i χΌ

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wird, stark herabsetzt. Eine vollständige Infiltration des Preßlings durch die Kupferlegierung kann jedoch durch einen längeren, daher jedoch unpraktischeren, Zeit-Temperaturzyklus erzielt werden.

Bei Durchführung der Erfindung hat sich für Wolfram-Kupfer-Syßtemeergeben, daß Legierungen aus KuPfer-Titan-Wismut oder Kupfer-Titan-Zinn mit kleinen Titangehalten, beim Zusammenbringen mit dem Wolframpulverkörper in einer heißen Vakuumumgebung vollständig in den Wolframpulverkörper einfiltrieren und in jedem Falle ein dichtes Verbundmaterial bilden. Man nimmt an, daß die kleine Titanmenge ausreicht,, um entweder die Oberflächenenergien der Schmelze der Kupferlegierungen oder der Wolframpartikelchen zu erhöhen oder um die Oberflächenenergie der Zwischenfläche zwischen der Schmelze und dem Peststoff zu erniedrigen.

Die erhaltenen Verbundkörper sind dicht und besitzen eine hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit, kombiniert mit einer großen Widerstandsfähigkeit gegen Verformung unter Druck.

Zur Herateilung des Wolframpulverkörpers wird das Wolframpulver in eine die gewünschte Form ergebende Preßform gebracht. Die Teilchengröße des Wolframs kann je nach der

gewünschten . - 009813/0592

gewünschten Dichte des Verbundkontaktmaterials und seiner gewünschten Porengrößenverteilung variieren. Z.B. wird Wolframpulver mit einer Teilchengröße von etwa 1 "bis 10 Mikron verwendet. Natürlich kann auch Wolframpulver mit größeren oder kleineren Teilchen verwendet werden.

Die Wolframteilchen werden in der Form unter einem Druck

zwischen 20 und 35 Tonnen/Zoll zu einem porösen Wolframkörper gepreßt. Wenn der Wolframkörper vor der Infiltration weiter verfestigt werden soll oder man einen Verbundkörper mit einem höheren Wolframgehalt anstrebt, kann der Wolframkörper in einer Wasserstoffatmosphäre bei etwa 1250 während etwa 10 Minuten gesintert werden. Pig. 1 und 2 zeigen ein Verbundmaterial, bei welchem der Wolframpreßling vorgesintert wurde. Nach dieser Vorbehandlung ist die Festigkeit des Wolframpreßlings wesentlich erhöht und er kann leicht gehandhabt werden. Während der Vorsinterung erfolgt nur ein sehr geringes Kornwachstum,und die Steigerung der Festigkeit des Preßlings kann auf die Reduktion des Oberflächlichen Oxydfilms auf den einzelnen Wolframteilchen zurückzuführende in, wobei das reduzierte Metall als Bindemittel wirkt, welches die Wolframteilehen miteinander verhaftet;

Es sei betont, daß die Vorsinterung dee Wolframpreßlings ,in der Wasserstoffatmosphäre nicht unbedingt für die er-

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folgreiche Infiltration des Wolframpulverkörpere mit den vorstehend beschriebenen Kupferlegierungen erforderlich ist,

Die Woliramprobe, vorgesintert oder nicht, kommt dann in

—C

ein Vakuum von 10 Torr oder weniger und wird mit einer etwa 0,25 Gew.^ oder weniger Titan und 12,5 Gew.^ oder weniger Wismut oder Zinn enthaltenden Kupferlegierung zusammengebracht. Die Wolframprobe und die damit in Berührung befindliche Zupferlegierung werden dann auf etwa 1200 bis 1450° G erhitat. Dieser Temperaturbereich liegt höher als das Schmelzpunktmaximum von 1060 C der vorstehend genannten Kupferlegierungen, liegt jedoch unterhalb des Schmelzpunkts von Wolfram von 3410° 0.

Eine chemische Analyse des erhaltenen Terbundkörpers ergab, daß durch die Vakuumbehandlung das Wasserstoffvolumen um mehr als eine Größenordnung und das Volumen anderer gasförmiger Bestandteile um mehrere Größenordnungen abgenommen hatte.

Man nimmt an, daß, wenn man mit einer Probiersonde eine Inalysenprobe des Bereichs zwischen einzelnen Wolframteilchen untersucht, welche aus der Kupfer-Titan-Wismut-Legierung oder der Kupfer-Titan-Zinn-Legierung besteht, man

eine

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eine Absonderung oder eine Konzentrierung von Titan in dem Zwischenflächenbereich zwischen den Wolframteilchen und der Kupfer-Titan-Wismut-Legierung bzw. zwischen den Wolframteilchen und der Kupfer-Titan-Zinn-Legierung feststellen würde. Das würd~e dxe Tatsache erklären, daß verhältnismäßig geringe Titanzusätze während der Durchdringung des Wolframkörpers mit dem Infiltrat äußerst- aktiv bleiben können.

Bei einem solchen Titangefälle ist eine-höhex*e Konzentration von Titan in dem Wolframzwischenflächenbereich als die Ifennkonzentration in dem für die Infiltration verwendeten Gut zu erwarten. Der Hauptteil des Bereichs zwischen den Wolframteilchen besitzt eine viel geringere Titankonzentration als das flir die Infiltration verwendete Material. Da Titan in fester Lösung die Leitfähigkeit von Kupfer herabsetzt, ergibt die Titanabscheidung einen doppelten Vorteil, d.h., sie begünstigt nicht nur die Benetzbarkeit und die Infiltration im Vakuum, sondern sie erhöht auch die elektrische Gesaatleitfähigkeit der für die Infiltration verwendeten Legierung über den Wert, der sich aufgrund der nominellen Konzentration der zur Infiltration verwendeten Legierung erwarten läßt.

In der Zeichnung zeigt Fig.1 ein Ifolxram-Kupfer-Iitan-Wismut-Verbundiaaterial 10, bestehend aus einem gesinterten, porösen Preßling aus Wolframteilchen 11, der vollständig mit

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einem zusammenhängenden Netzwerk aus Kupfer-Titan-Wismut 12 infiltriert ist. Die Metalloberflächen der Kupfer-Titan-Wiemut-Legierung sind integrierend mit den Wolframteilchen verbunden. Die vor der Vakuuminfiltration mit dem Wolframpulverkörper zusammengebrachte Kupfer-Titan-Wismut-Legierung bestand aus etwa 0,1 Gew.# Titan, 5 Gew.# Wismut und im übrigen aus Kupfer. Während der Vakuuminfiltration setzte man den porösen Wolframkörper und die damit in Berührung befindliche Legierung etwa 60 Minuten unter einem Druck von

__c ■ _o

10 Torr oder'weniger einer Temperatur von etwa 1250 Ö

Pig. 2 zeigt ein Wolfram-Kupfer-Titan-Zinn-Verbundmaterial 20, bestehend aus einem porösen Preßling aus Wolframteilchen 21, der vollständig mit einem zusammenhängenden Netzwerk aus Kupfer-Titan-Zinn 22 infiltriert ist. Die Metalloberflächen der Kupfer-Titan-Zinn-Legierung sind integrierend mit den Wolframteilchen verbunden. Die vor der Vakuuminfiltration mit dem Wolframpulverkörper zusammengebrachte Kupfer-Titan-Zinn-Legierung besteht aus etwa 0,1 Gtew.56 Titan, 5 Gew.56 Zinn und im übrigen aus Kupfer. Während der Vakuuminfiltration wurden der poröse Wolframkörper und die damit in Berührung befindliche Legierung einer Temperatur von etwa I250⁰ 0 während etwa 60 Minuten bei einem Druck von

—5
10 Torr oder weniger unterworfen.

Die 009813/0592

Die folgenden Beispiele 1 bis 4 erläutern die Herstellung von Wolfram-Kupfer-Titan-Wismut-Kontaktraaterialien durch. Yakuuminfiltration eines Wolframpulverkörpers mit Kupfer-..Titan-Wismut-Iegierungen. Die Beispiele 5 Ms 8 erläutern die Herstellung von Wolfram-Kupfer-Titan-Zinn-Kontalrfcmaterialien durch Vakuuminfiltration eines Wolframpulverkörpers mit Kupfer- Titan-Zinn-Legierungen.

Beispiel 1

Vollständig mit einer aus 0,1 Gew.^ Titan, 5 Gew.^ Wismut und im übrigen aus Kupfer bestehenden legierung im Vakuum infiltrierter, gesinterter Wolframkörper.

Wolframpulver mit einer Teilchengröße von etwa 1 bis 10 Mikron wurde auf beliebige Weise, z.B. in einer automatischen Presse, unter einem Druck von etwa 20 Tonnen/

Zoll au einem rohen Preßling gepreßt, der so massiv war, daß er gehandhabt werden konnte. Der Preßling wurde etwa 10 Minuten bei etwa 1250° 0 in einer Wasserstoffatmosphäre vorgesintert, so daß er eine akelettartige Struktur erhielt. Die Yorsinterung des Preßlings diente zur Erhöhung seiner Festigkeit durch Verbindung der Wolframteilchen mit- und untereinander. Der gesinterte, poröse Preßling

wurde 009813/0592

wurde mit einer aus etwa 0,1 Gew.'/■> Titan, 5 Gew.^j Wismut und im übrigen aus Kupfer bestehenden Legierung zusammengebracht. De:·: gesinterte Wolirampreßling und die damit in Berührung befindliche Zupferlegierung wurden in ein Vakuum •/on etwa 10 Torr oder weniger gebracht und etwa 1 Stunde auf etwa 1250° 0 erhitzt. Ein anderer Wolfram-Kupfer-Titan-Wismut-Verbundkörper wurde unter Anwendung eines zfeLt-Temperaturzyklus von etwa 20 Minuten und 1450° C auf sonst die gleiche Weise hergestellt. In jedem EaIl erwies sich der poröse Wolframkörper als vollständig vakuurainfiltriert mit der Kupfer-Titan-Wismut-Legicrung. Der erhaltene Wolfram-Kupfer-Titan-Wismut-Verbundkörper ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.

Beispiel 2

Vollständig mit einer aus etwa 0,1 Gew.p Titan, 5 Gew.>3 Wismut und im übrigen aus Kupier bestehenden Legierung vakuuminfiltrierter, roher tfolframpulver-

körper.

Wolframpulver mit einer Teilehengröße von etwa 1 bis etwa 10 Mikron wurde auf beliebige Weise, z.B. in einer automatischen Presse, unter einem Druck von etwa 20 Tonnen/ Zoll zu einem rohen Preßling gepreßt, der so massiv war, daß er gehandhabt werden konnte. Der poröse rohe Preßling

wurde

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' '. :■■ r C *

wurde mit einer aus etwa 0,1 Gew.^ Titan, 5 Gew.^ Wismut und im übrigen aus Kupfer bestehenden Legierung zusammengebracht· Den röhm Wolframpreßling und die damit in Berührung befindliche Kupfaj-Titan-Wismut-Legierung brachte man in

—5
ein Vakuum von JO ^ Torr oder weniger und erhitzte etwa 1 Stunde auf etwa 1250° 0. Außerdem wurde noch ein anderes Wolfram-Kupfer^-Titan-Wismut-Verbundraaterial unter Anwendung eines-Zeit-Temperaturzyklus von etwa 20 Minuten und 14-50° C auf im übrigen die gleiche Weise hergestellt. In jedem Fall erwies sich der poröse Wolframkörper als vollständig mit der Kupfer-Titan-Wismut-Legierung infiltriert.

Beispiel 3

Vollständig mit einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung vakuuminfiltrierter roher Wolframpulverkörper.

Das Verfahren von Beispiel 2 wurde unter Verwendung einer aus etwa 0,25 Gew.ji Titan, 12,5 Gew.fi Wismut und im übrigen aus Kupfer bestehenden Kupferlegierung wiederholt. Der Verbundkörper wurde durch etwa 20-minutiges Erhitzen auf etwa 1450° 0 gebildet; ein anderer Verbundkörper wurde durch etwa 1-stündiges Erhitzen auf etwa 1250° C auf sonst die gleiche Weise erhalten·

Beispiel 4 009813/0592

Beispiel 4

Vollständig mit einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung vakuuminfiltrierter, gesinterter Wolframpulverkörper.

Das Verfahren "von Beispiel^ wurde unter Verwendung einer aus etwa 0,25 Gew.γο Titan, 12,5 Gew.'i Wismut und im übrigen aus Kupfer bestehenden Kupferlegierung wiederholt. Der Verbundkörper wurde durch etwa 20-minutiges Erhitzen auf etwa 1450° C erhalten; ein anderer Verbundkörper wurde durch etwa 1-stündiges Erhitzen auf etwa 1250 C auf sonst die gleiche ./eise hergestellt.

Beispiel 5

Mit einer aus etv/a 0,1 Gew.^ Titan, 5 Gew.$ Zinn und im übrigen aus Kupfer bestehenden Kupfer-Titan-Zinn-Legierung vollständig vakuuminfiltrierter, gesinterter Wolxramkörper.

Wolframpulver mit einer Teilchengröße von etv/a 1 bis 10 Mikron wurde auf beliebige Weise, z.B. in einer aufcomatisehen Presse, unter einem Druck von etv/a 20 Tonnen/Zoll zu einem rohen Preßling gepreßt, der massiv genug war, um gehandhabt werden zu könen. Der rohe Preßling wurde

etwa

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etwa 10 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre bei etwa 1250° G gesintert. Der poröse, gesinterte Wolframpreßling wurde dann mit einer Legierung aus etwa 0,1 Gew.$ Titan,

• 3 Gew.?& Zinn und im übrigen aus Kupfer zusammengebracht.

—5

Das Ganze kam dann in ein Vakuum von 10 ^J Torr oder weniger und wurde etwa 1 Stunde auf etwa 1250° C erhitzt. Ein anderer Wolfram-Kupfer-Titaii-Zinn-Verbundkörper wurde unter Anwendung eines Zeit-Temperaturzyklus von etwa 20 Minuten und 1450 G auf sonst die gleiche Weise hergestellt» In jedem Fall erwies sich der poröse Wolframkörper als vollständig infiltriert mit der Kupfer-Titan-Zinn-Legierung.

Beispiel 6

Mit einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung vollständig vakuuminfiltrierter, roher Wolframpulverkörper.

Wolframpulver mit einer Teilchengröße von etwa 1 bis 10 Mikron wurde auf beliebige Weise, z.B. in einer automat!- scheri Presse, unter einem Druck von etwa 20 Tonnen/Zoll zu einem rohen Preßling gepreßt, der massiv genug war, um gehandhabt werden zu können. Der rohe, poröse Wolframpreßling wurde mit einer aus etwa 0,1 Gew.?a Titan, 5 Gew.^ Zinn und im übrigen aus Kupfer bestehenden Kupferlegierung

■ -5

zusammengebracht. Das Ganze kam in ein Takuum von 10 Torr oder weniger und wurde etwa 1 Stunde auf etwa 1250° G er-

' hitzt.

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hitzt. Ein weiterer yolfrara-Kupfer-Titan-Zinn-Verbunukörper wurde unter Anwendung eines Zeit-Temperaturzyklus von etwa 20 Minuten und 1450° C auf sonst die gleic tie Weise hergestellt. In beiden Fällen erwies sich der poröse Wolfranikörper als vollständig mit der Kupfer-Titan—Zinn-Legierung infiltriert.

Beispiel 7

Mit einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung vollständig vakuuminfiltrierter, roher ./oliriiiapulverkörper.

Das Verfahren von Beispiel 6 wurde unter Verwendung einer aus etwa 0,25 Gew.^ Titan, 12,5 Gew.£ Zinn und im übrigen aus Kupfer bestehenden Legierung wiederholt. Der Veroundkörper wurde etwa 20 Minuten auf etwa 1450° 0 erhitzt; ein anderer Verbundkörper wurde etv/a Ί Stunae auf etwa 1k5o^c 0 erhitzt und sonst wie vorstehend behandelt.

Beispiel ü

Vollständig mit einer Kupfer-Titan—Zinn-Legierung infiltrierter, gesinterter Wolframpulverkörper.

Das Verfahren von Beispiel 5 wurde unter Verwendung einer aus etwa 0,25 Gew.^ Titan, 12,5 Gew.^ Zinn und im übrigen aus Kupfer bestehenden Legierung wiederholt. Der Verbundkörper würfle etwa 20 Minuten auf etwa 1450° ö erhitzt; 009813/0592

ein

ein anderer Verbundkörper wurde etwa 1 Stunde auf etwa 1250° G erhitzt und sonst wie vorstehend behandelt.

Es sei bemerkt, daß eine Erhöhung der'Erhitzungstemperatur die zur vollständigen Vakuuminfiltration des Wolfram— körpers mit der ternären Kupferlegierung erforderliche Zeit herabsetzt. Eine Erhöhung des Wismut-oder Zinngehalts in der Kupferlegierung erfordert eine Erhöhung des Titangehalts der Legierung, wenn man unter den angegebenen Zeit-Temperaturbedingun^en eine erfolgreiche Vakuurainfiltration erzielen will.

Der Wolframpulverkörper oder der vorgesinterte Wolframpulverkörper kann auch durch Elektroplattierung oder durch Plattierung aus der Dampfphase mit Titan übersogen werden, und die Imprägnierung des so überzogenen Körpers kann dann erfolgreich mit binären Kupfer-Wismut-Legierungen oder Kupfer-Zinn-Legierungen erfolgen. Die Vakuumimprägnierung erfolgt solange als sich Titan an den Grenzflächen befindet. Die Menge des aufplattierten Titans würde so bemessen, daß seine Konsentration etwa 0.1 bis 0,25 Gew.f., bezogen auf die zur Ausfüllung der Hohlräume erforderliche Menge der binären Kupferlegierung, beträft.

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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsfonnen beschränkt, sondern kann weitgehende Abänderungen erfahren, ohne daß dadurch ihr Rahmen verlassen wird.

Patentansprüche

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Claims

Pat entan sprue he

■ 1.. Wolframverbundmaterial zur Verwendung als elektrisches
Kontaktmaterial in Vakuumschaltvorrichtungen, bestehend aus einem vollständig mit einer' ternären Kupferlegierung infiltrierten Wolframpulverkörper.
2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Kupferlegierung aus etwa 0,1 bis 0,25
Gew.fö Titan, etwa 5 bis 12,5 G-ew.^o Wismut und im übrigen aus Kupfer besteht.
3. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframteilchen von einer Matrix aus einer
Kupfer-Titan-Wismut-Legierung umgeben sind.
4. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Kupferlegierung aus etwa 0,1 bis 0,25
Gew.'/o Titan, etwa 5 bis 12,5 G-ew.)* Zinn und im übrigen aus Kupfer besteht.
5. Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframteilchen von einer Matrix aus einer
Kupfer-Titan-Zinn-Legierung umhüllt sind.
6.

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6. Verfahren zur Herstellung eines mit einer ternären Kupferlegierung infiltrierten Y/olfranipulvericörpers nacl· den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man tfolfremteilohenai einen Körper mit der gewünschten lOrm preßt, die Oberflächen des Preßlings mit eier ternären Kupferlegierung zusammenbringt, weiche einen die Benetzung der V/o lframt eile hen begünstigenden Bestandteil enthält, daß man den Wolframkörper mit der Legierung in ein "Vakuum bringt und das Ganze unter vollständiger Vakuuminfiltration des ./olframkürpero mit der I'.upferlegierung unter Bildung eines Terbunumateriu-LS erhitzt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurcli gekennzeichnet, daß der die Benetzung der ',/olframteilchen fördernde Bestandteil !Dixan ist.
ö. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus etwa 0,1 bis 0,25 G-ew.p Titan, 5,0 bis 12,5 Gew.^ bismut und im übrigen aus Kupfer bestehende ternäre Kupferlegierung verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ^äcennzeiconet, daß als ternäre Kupferlegierung eine aus etwa 0,1 bis G,25 Gew.io Titan, 5,0 bis 12,5 Gew.>o Zinn una im übrigen

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aus Kupfer bestehende verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

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ein Vakuum von nicht über 10 Torr zur Anwendung kommt,
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung auf etwa 1250 bis 1450° G für die Dauer von"etwa 20 bis 60 Hinuten erfolgt,
12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframtelichen eine Größe zwischen etwa 1 und 10 Hikron aufweisen.
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeiciinet, daß das Pressen unter einem Druck von etwa 20 Tonnen/Zoll erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gepreßte V# ο Ii radkörper etwa 10 Minuten in einer Wassex'stoifatmosphäre bei etwa 1250° G vorgesintert wird.
15. Verfatiren zur Herstellung eines nit einer Ilupfer-ütan-'Wisiaut-Iiegierung infiltrierten ¥ol fr ampuleerlcörpers zur Verwendung als elektrisches Kontaktmaterxai unter Vakuumbedingungen, dadurch geicennaeichnet, daß iaan Woifran-

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pulver mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 10 Mikron unter einem Druck von 20 Tonnen/Zoll zu einem Körper mit gewünschter Form preßt, diesen gepreßten Wolframkörper in einem Vakuum sintert, die Oberflächen des gesinterten Wolframkörpers mit einer Kupfer-Titan-Wismut-Legierung zusammenbringt, welche aus etwa 0,1 bis 0,25 Gew.^i Titan, 5,0 bis 12,5 Gew.^ Wismut and im übrigen auL Kupfer besteht* wobei das Titan die Benetzbarkeit der WoIiramteilehen fördert j daß man den Wolframkörper mit der Kupfer-Titan-Wismut-Legierung in ein Vakuum von

-S '
weniger als 10 Torr bringt und das Ganze während etwa 20 bis 60 Minuten auf eine Temperatur zwischen 1250 und 1450° 0 unter vollständiger Vakuuminfiltration des Wolframkörpers mit der Kupfer-Titan-Wismut-Legierung erhitzt.
16. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung infiltrierten Wolframpulverkörpers zur . Verwendung als elektrisches Kontaktmaterial unter Vakuumbedingungen, dadurch kennzeichnet, daß man Wolframpulver mit einer Teilchengröße zwischen 1 und 10 Mikron

unter einem Druck von 20 Tonnen/Zoll zu einem Körper mit gewünschter Form preßt, diesen gepreßten Wolframkörper in einem Vakuum sintert, die Oberflächen des gesinterten Wolframkörpers mit einer Kupfer-Titan-Zinn-Legierung zusammenbringt, welche aus etwa 0,1 bis 0,25

Gew. ^

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G-ewv/ό Titan, 5,0 bis 12,5 Grew.^ Zinn und im übrigen aus Kupfer besteht, wobei das Titan die Benetzbarkeit der Wolframteilchen fördertj daß man den Wolframkörper

■ mit der Kupfer-Titan-Zinn-Legierung in ein Vakuum von

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weniger als 10 Torr bringt und das Ganze während etwa 20 bis 60 Minuten auf eine Temperatur zwischen 1250 und 1450° G unter vollständiger Vakuuminfiltration des Wolframkörpers mit der Kupfer-Titan-Zinn-legierung erhitzt.

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