DE2357333A1

DE2357333A1 - Durchdringungsverbundmetall als kontaktwerkstoff fuer vakuumschalter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2357333A1
Application number: DE2357333A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Rer Nat Haessler; Horst Dr Phil Kippenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-16
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1975-05-28
Also published as: DE2357333C3; DE2357333B2; CH600525A5; FR2251898B1; JPS5422166B2; JPS5080906A; FR2251898A1; US4014659A; GB1489249A

Description

Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Durchdringungsverbundmetall als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz.

Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter, deren Einsatzgebiet sich auch auf den Bereich höherer Leistungen erstrecken soll, haben als G-rundbedingung die Forderungen nach hohen Stromabschal tvermögen ( > 10 kA) und guter dielektrischer Festigkeit ( > 12 kV) ζμ.erfüllen. Zugleich müssen derartige Werkstoffe auch eine hohe Lebensdauer, d.h. einen entsprechend niedrigen Abbrand sowie ausreichend geringe Schweißkräfte ( < 800 N) aufweisen. Als Kontaktwerkstoffe werden reine Legierungen auf Kupferbasis oder Sinter-Tränkwerkstoffe verwendet. Diese Sinter-Tränkwerkstoffe bestehen aus einer gesinterten porösen Matrix eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt, die mit einem Metall oder einer Metallegierung mit niedrigeren Schmelzpunkt und größerer elektrischer Leitfähigkeit getränkt ist und ein sog. Durchdringungsverbundmetall bildet. Die aufgeführten Kontaktwerkstoffe erfüllen zwar die Forderungen nach ausreichend hoher Lebensdauer und hohem Abschaltstrom, nicht dagegen die Anforderungen bezüglich einer ausreichend niedrigen Schweißkraft. Es wurde bereits versucht, den genannten Legierungen auf Kupferbasis bzw. den Sinter-Tränkwerkstoffen Wismut .oder Tellur als schweißkraftsenkencle Bestandteile zuzumischen. Wismut und Tellur weisen Jedoch infolge ihrer

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niedrigen Siedepunkte ( < 2000⁰C) sehr hohe Dampfdrücke auf, wodurch das Löschvermögen des Schalters und damit seine Stromabschaltfähigkeit in unzulässiger Weise vermindert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter zu schaffen, der neben einer guten dielektrischen Festigkeit möglichst niedrige■Schweißkräfte und ein hohes Stromabschaltvermögen aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Durchdringungsverbundmetall der eingangs genannten Art die Metallmatrix aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb HOO⁰C und einem metallischen Versprödungszusatz besteht, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz bei Sinxertemperaturen oberhalb 1200⁰C spröde intermetallische Phasen bzw. Mischkristalle bilden, daß der Versprödungszusatz zwischen 0,5 und 10 Gew. -$> bezogen auf die Hauptkomponente beträgt, daß die Schmelztemperatur der Tränksubstanz zwischen 850⁰C und der jeweiligen·Sintertemperatur liegt und daß die auf einen Druck von 760 Torr bezogenen Siedepunkte der Hauptkomponente, des Versprödungszusatzes und der Tränksubstanz oberhalb 2000⁰C liegen.

Als Hauptkomponente sind vorzugsweise die Metalle Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel und Eisen vorgesehen.

Besonders vorteilhaft werden als Versprödungszusätze die Metalle Aluminium und Zinn verwendet.

Als Tränksubstanz dienen vorteilhafterweise Kupfer, Silber oder Legierungen dieser Metalle.

Das erfindungsgemäße Durchdringungsverbundmetall wird gemäß weiterer Erfindung dadurch hergestellt, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz in Pulverform gemischt und zu einem !Formkörper kalt verpreßt werden, daß der Formkörper bei einer Temperatur oberhalb 1200⁰G gesintert wird und daß

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die gesinterte Metallmatrix mit einer Tränksübstanz bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur getränkt wird.

Bei einer vorteilhaften Variante wird das erfindungagemäße Durchdringungsverbundmetall dadurch hergestellt, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz in Pulverform gemischt, in eine Form eingefüllt und unverpreßt bei einer Temperatur oberhalb 1200⁰C zu einer Metallmatrix gesintert werden und daß die gesinterte Metallmatrix mit einer Tränksubstanz bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur getränkt wird. Der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff zeichnet sich insbesondere durch seine geringen Schweißkräfte und sein hohes Stromabschaltvermögen aus. Die Senkung der Schweißkräfte wird durch spröde intermetallische Phasen bzw. Mischkristalle erreicht, die sich zwischen Hauptkomponente und Versprödungszusatz bei Sintertemperaturen oberhalb 1200°0 durch Diffusion bilden, während die Stromabschaltfähigkeit dadurch sichergestellt wird, daß die Siedepunkte sämtlicher Komponenten oberhalb 2000⁰C liegen. Versprödungszusätze wie Aluminium und Zinn führen bereits in geringen Beimengungen die erwünschte Versprödung der Metallmatrix herbei. Um das für eine ausreichende Tränkung erforderliche Porenvolumen der Metallmatrix von mindestens 20 Vol.-fo zu erhalten, muß der Schmelzpunkt der Hauptkomponente wenigstens 200⁰C über der Sintertemperatur liegen, d.h. größer als 1400⁰C sein. Die Schmelztemperatur der Tränksubstanz soll über der zum Hartlöten des Kontaktwerkstoffes erforderlichen Temperatur von ca. 850° liegen, darf jedoch nicht höher sein als die jeweilige Sintertemperatur.

An Hand von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Mischung aus 99 Gew.-% Chrompulver mit einer Korngröße unter 100 μπι und 1 Gew.-$ Aluminiumpulver wird in Graphitformen eingefüllt und unverpreßt unter Vakuum bei 1200⁰C eine Stunde lang gesintert. Während des Sinterprozesses bilden sich zwischen Chrom und Aluminium spröde intermetallische Phasen bzw. Mischkristalle aus. Der Sinterkörper wird an-

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schließend etwa 30 Min. lang bei 115O⁰C mit Kupfer getränkt. Die Tränkatmosphäre besteht aus Wasserstoff, der nach abgeschloseener Tränkung, jedoch vor Erstarren des Kupfers, wieder abgepumpt wird.

Beispiel 2

Eine Mischung aus 40 Gew.-5^ Nickelpulver mit einer Korngröße von 150 μιη und kleiner wird mit 4 Gew.-$ Aluminiumpulver mit einer Korngröße von 50 μιη bei einem Druck 10 000 N/cm zu einem Formkörper kalt verpreßt. Der Formkörper wird anschließend unter Vakuum 1 Stunde lang bei 1200⁰C gesintert. Nach dem Sintern wird der poröse Formkörper bei 1050 C unter Wasserstoffatmosphäre mit Silber getränkt. Nach abgeschlossener Tränkung jedoch vor dem Erstarren des Silbers wird der Wasserstoff wieder abgepumpt.

Beispiel 5

Eine Mischung aus 99 G-ew.-?5 Molybdänpulver mit einer Korngröße unter 100 μιη und 1 Gew.-$ Aluminiumpulver mit einer Korngröße unter 50 μιη wird bei einem Druck von 25 000 N/cm zu einem Formkörper kalt verpreßt. Der Formkörper wird anschließend unter Vakuum in graphitfreier Atmosphäre bei 1600⁰C 1 Stunde lang gesintert. Nach dem Sintern wird der poröse Formkörper 30 Min. lang unter Wasserstoffatmosphäre bei 1200⁰C mit Silber in abgedeckten Graphitformen getränkt. Anschließend findet eine halbstündige Vakuumentgasung statt.

Beispiel 4

Eine Mischung aus 95 Gew.-% Kobaltpulver mit einer Korngröße unter 150 μιη und 5 Gew.-% Zinnpulver mit einer Korngröße unter 50 μπι wird bei einem Druck von 20 000 N/cm zu einem Formkörper kalt verpreßt. Der Formkörper wird anschließend unter Vakuum in einer abgedeckten Graphitform bei 125O⁰C 1 Stunde lang gesintert. Nach dem Sintern wird der poröse Formkörper 30 Min. lang unter Wasserstoffatmosphäre bei 120O⁰C in Graphitformen mit Kupfer getränkt. An den Tränkvorgang schließt

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sich eine einstündige Vakuumentgasung bei 120O⁰C an.

Beispiel 5

Eine Mischung aus 99 G-ew.-$ Kobaltpulver mit einer Korngröße unter 150 μΐη und 1 G-ew.-^ Aluminiumpulver mit einer Korngröße unter 50 μΐη wird bei einem Druck von 15000 N/cm zu einem Formkörper kalt verpreßt. Der Formkörper wird anschließend unter Vakuum in einer abgedeckten Keramikform bei 1300 0 1 Stunde lang gesintert. Nach dem Sintern wird der poröse Formkörper 30 Min. lang unter Wasserstoffatmosphäre in einer Graphitform bei 1200⁰C mit Silber getränkt. Nach dem Tränken findet eine einstündige Vakuumentgasung statt.

5 Patentansprüche
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Claims

_ 6 _ VPA 73/7621 Patentansprüche

1. Durchdringungsverbundmetäll als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bestehend aus einer von einem Tränkmetall oder einer Tränkmetallegierung durchdrungenen gesinterten Metallmatrix, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Tränksubstanz, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix aus einer metallischen Häuptkomponente mit einem'Schmelzpunkt oberhalb 1400 C und einem metallischen Versprödungszusatz besteht, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz bei Sintertemperaturen oberhalb 1200⁰C spröde intermetallische Phasen bzw. Mischkristalle bilden, daß der Anteil des Versprödungszusatzes zwischen 0,5 und 10 Gew. -fo bezogen auf die Hauptkomponente beträgt, daß die Schmelztemperatur der Tränksubstanz zwischen 850 C und der jeweiligen Sintertemperatur liegt und daß die auf einen Druck von 760 Torr bezogenen Siedepunkte der Hauptkomponente, des Versprödungszusatzes und der Tränksubstanz oberhalb 2000 C liegen.

2. Durchdringungsverbundmetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sis Hauptkomponente Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel oder Eisen und als Versprödungszusatz Aluminium oder Zinn vorgesehen ist.

3. Durchdringungsverbundmetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Tränksubstanz Kupfer, Silber oder Legierungen dieser Metalle vorgesehen sind.

4. Verfahren zum Herstellen eines Durchdringungsverbundmetalls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente und der Versprödungszusatz in Pulverform gemischt und zu einem Formkörper kalt verpreßt werden, daß der Formkörper bei einer Temperatur oberhalb 1200°0 gesintert wird und daß die gesinterte Metallmatrix mit einer Tränksubstanz, bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur, getränkt wird.

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Verfahren zum Herstellen eines Dur ciidringungsverbundme tails nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkomponente und der Versprodungszusatz in Pulverform gemischt, in eine Form eingefüllt und unverpreßt bei einer Temperatur oberhalb 12OO⁰C zu einer Metallmatrix gesintert werden und daß die gesinterte Metallmatrix mit einer Tränksubstanz, bei einer Temperatur unterhalb der Sintertemperatur, getränkt wird.

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