DE3614642A1

DE3614642A1 - Kontaktwerkstoff fuer einen vakuumschalter

Info

Publication number: DE3614642A1
Application number: DE19863614642
Authority: DE
Inventors: Eizo Tokio/Tokyo Naya; Mitsuhiro Okumura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1986-10-30
Also published as: DE3614642C2; US4784829A

Description

Dr.-Ing. Roland Liesegang Patentanwalt

European Patent Attorney

Sckellstrasse 1 D-8000 München

Telefon (089) 4482496 Telefax (089) 4480433 Telex 5214382 palid

Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter

Die Erfindung betrifft einen Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter, der herausragende Eigenschaften hinsichtlich Stromunterbrechung und Spannungswiderstandsfähigkeit bzw. -festigkeit aufweist. 5

Ein solcher Vakuumschalter hat verschiedene Vorteile, wie Wartungsfreiheit, Vermeiden von Umweltverschmutzung, exzellente Stromunterbrechungsfähigkeit, usw., aufgrund deren seine Anwendung sich sehr schnell verbreitet hat. Mit dieser Ausdehnung seiner Anwendung ist das Bedürfnis nach einer höheren Spannungswiderstandsfähigkeit und nach Unterbrechungsfähigkeit größerer Ströme zunehmend größer geworden. Die Leistung des Vakuumschalters hängt zu einem beträchtlichen Ausmaß von den Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes ab, der in einem Vakuumbehälter zum Schaffen des Vakuumschalters untergebracht ist. Um den Anforderungen an einen Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter zu genügen, können folgende Eigenschaften aufgezählt werden: (1) große Stromunterbrechungsfähigkeit; (2) hohe Spannungswiderstandsfähigkeit bzw. -festigkeit; (3) kleiner Kontaktwiderstand; (4) kleine Schmelzadhäsion; (5) niedriger Verschleiß des Kontaktes; (6) kleiner Unterbrecherstrom; (7) gute Form- bzw. Bearbeitbarkeit; (8) hinreichende mechanische Festigkeit; usw.

Bei aktuellen Kontaktwerkstoffen ist es ziemlich schwierig, alle diese Eigenschaften zu erfüllen,

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und die allgemeinen Umstände sind derzeit so beschaffen, daß ein Werkstoff Einsatz findet, der die wichtigsten Anforderungen abhängig von seiner Verwendung unter Hintanstellung anderer Eigenschaften ^f 5 bis zu einem gewissen Ausmaß aufweist. Z.B. ist ein Kontaktwerkstoff einer Kupfer-Wolfram-Legierung gemäß der JP-OS 78,429/1980 hinsichtlich seiner Spannungswiderstandsfähigkeit exzellent, so daß er häufig für einen Last-ünterbrecherschalter eingesetzt wird. Dieser Werkstoff hat jedoch den Nachteil, daß seine Stromunterbrechungsfähigkeit gering ist.

Ferner ist beispielsweise in der JP-OS 71,375/1979 eine Kupfer-Chrom-Legierung beschrieben, die weithin für einen Stromunterbrecher o.dgl. aufgrund seiner exzellenten Stromunterbrechungsfähigkeit eingesetzt wird; dieser Werkstoff hat jedoch nur eine geringe Spannungswiderstandsfähigkeit im Vergleich mit dem oben erwähnten Kontaktwerkstoff aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung.

Wie vorstehend beschrieben, wurden Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter bisher unter Ausnutzung verschiedener Vorteile eingesetzt, welche diese Kontaktwerkstoffe besitzen. In den letzten Jahren wurden die Forderungen nach größerer Stromunterbrechungsfähigkeit und höherer Spannungswiderstandsfähigkeit des Vakuumschalters jedoch mehr und mehr dringend, mit der Folge, daß die herkömmlichen Kontaktwerkstoffe die verlangten Leistungen, wenn überhaupt, dann nur noch schwer erfüllen können. Es besteht auch der Wunsch nach einem Kontaktwerkstoff höherer Leistung im Hinblick auf eine Verringerung der Abmessungen in einem Vakuumschalter. Es wäre demnach ein Kontaktwerkstoff ideal, der noch bessere Stromunterbrechungseigenschaften als die oben beschriebene Kupfer-Chrom-Legierung

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und noch bessere Spannungswiderstandsfähigkeit als die oben beschriebene Kupfer-Wolfram-Legierung aufweist.

ö- 5 Es ist Aufgabe der Erfindung, die verschiedenen Problempunkte beim konventionellen Kontaktwerkstoff wie oben beschrieben, zu vermeiden, und einen verbesserten Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter anzugeben, der insbesondere hervorragende Stromunterbrechungsfähigkeit und Spannungswiderstandsfähigkeit aufweist.

Gemäß der Erfindung weist ein Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter im wesentlichen Kupfer und ein Bor id des Elementes Tantal auf.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein Kontaktwerkstoff im wesentlichen Kupfer, ein Tantalborid und Titan auf.

Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter geschaffen, der im wesentlichen aus Kupfer, Chrom und Tantalborid besteht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert, wobei auch die Herstellung des Kontaktwerkstoffes und die Eigenschaften des Kontaktwerkstoffes nach der Erfindung beschrieben sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine mikrographische Aufnahme mit hundertfacher Vergrößerung, wobei die MikroStruktur einer Kontaktlegierung aus Kupfer (Cu), 25 Gewichts-% Chrom (Cr) und 5 Gewichts-% TaB- gemäß einer

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Ausführung der Erfindung gezeigt ist;

Fig. 2 eine mikrographische Aufnahme mit hundertfacher Vergrößerung, wobei eine MikroStruktur eines konventionellen Kontaktwerkstoffs aus Kupfer (Cu) und 25 Gewichts-% Chrom (Cr) gezeigt ist;

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Beziehung zwischen der Menge an TaB₂ (in Gewichts-%) und den Stromunterbrechungseigenschaften des Kontaktwerkstoffes gemäß der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Menge an TaB₂ und der Spannungswiderstandsfähigkeit des Kontaktwerkstoffes nach der Erfindung darstellt;

Fig. 5 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Menge an TaB₂ und der Stromunterbrechungsfähigkeit des Kontaktwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der eingesetzten Menge an TaB₂ und der Spannungswiderstandsfähigkeit des Kontaktwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt, wobei die Menge an TaB₂ variiert ist; und

Fig. 7 ein Diagramm, in welchem die Beziehung zwischen der eingesetzten Menge an TaB₂ und der Stromunterbrechungsfähigkeit des Kontaktwerkstoffs gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung dargestellt ist, wobei die verwendete Menge an Ti variiert ist.

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Der Kontaktwerkstoff für den Vakuumschalter, der im wesentlichen aus Kupfer und einem Tantalborid oder aus Kupfer, Chrom und einem Tantalborid besteht, besitzt hervorragende Stromunterbrechungs- und Spannungswiderstandseigenschaften aufgrund der Wirkung des Tantalborids, das in der Legierung fein dispergiert ist, was zur Verstärkung der Kupferbasis beiträgt, um das teilweise Schmelzphänomen an der Oberfläche des Kontaktes zu unterdrücken und die Bildung unerwünschter Vorsprünge zu vermeiden, welche zu einer Abnahme der Spannungswiderstandsfähigkeit bzw. -festigkeit führen. Außerdem besitzt der Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter, der im wesentlichen aus Kupfer, Tantalborid und Titan besteht, ausgezeichnete Stromunterbrechungs- und Spannungsfestigkeitseigenschaften aufgrund verschiedener anderer Wirkungen als oben erläutert, z.B. Abkühlen des Lichtbogens, der zwischen den Kontakten durch Interaktion der die Kontakte bildenden Elemente entsteht, Unterdrücken der Bildung eines anodischen Punktes, um zur Förderung der dielektrischen Erholung zum Zeitpunkt der Stromunterbrechung beizutragen, usw.

Die Erfinder stellten verschiedene Legierungswerkstoffe experimentell her, indem sie verschiedene Metalle, Legierungen und intermetallische Verbindungen der Basis Kupfer hinzufügten und solche Legierungswerkstoffe im Vakuumschalter zur Durchführung verschiedener Versuche vereinten. Als Ergebnis dieser Versuche fanden die Erfinder, daß die Kontaktwerkstoffe aus Kupfer und Tantalborid oder aus Kupfer, Chrom und Tantalborid überlegene Stromunterbrechungs- und Spannungsfestigkeitseigenschaften besaßen. Ferner fanden die Erfinder, daß eine Zugabe von Titan zur Legierung aus Kupfer und Tantalborid eine weitere Erhöhung der Stromunterbrechungsfähigkeit bewirkte.

Um Fachleute auf diesem Gebiet in den Stand zu setzen, die Erfindung zu praktizieren, werden folgende bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffs nach der Erfindung sowie Versuche über deren Eigenschaften angegeben. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Beispiel 1 (Herstellung eines Kontaktwerkstoffs) 10

Der Kontaktwerkstoff wurde nach den Prinzipien der Pulvermetallurgie unter Anwendung von drei Methoden, nämlich des "atmosphärischen Sinterns", des "Warmpressens" und des "Infiltrierens" erzeugt. 15

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffs gemäß der ersten Methode des atmosphärischen Sinterns wurde so durchgeführt, daß ein Chrompulver mit einer Teilchengröße von 70 pm oder weniger, TaB^-Pulver mit einer Teil-

chengröße von 40 pm oder weniger und Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger in vorbestimmtem Verhältnis abgewogen und zwei Stunden lang gemischt wurden; anschließend wurde das Mischpulver in eine Metallform gefüllt und unter Druck geformt; darauf wurde der Preßformling zwei Stunden lang in Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer gesintert, wodurch der gewünschte Kontaktwerkstoff erhalten wurde.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffs nach der zweiten Methode des Warmpressens wurde so durchgeführt, daß Chrompulver mit einer Teilchengröße von 70 pm oder weniger, TaB₂~Pulver mit einer Teilchengröße von 40 pm oder weniger und Kupferpulver mit einer

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Teilchengröße von 40 um oder weniger in vorbestimmtem Verhältnis abgewogen und anschließend zwei Stunden lang gemischt wurden; anschließend wurde das gemischte Pulver in eine Kohlenstofform eingefüllt und im Vakuum zwei Stunden lang bei einer Temperatur unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer erhitzt, wobei ein Druck von 100 bis 300 kg/cm², z. B. 200 kg/cm² bei diesem Beispiel auf das gemischte Pulver mittels einer Heißpress-Vorrichtung ausgeübt wurde, wodurch eine bestimmte Menge an Kontaktwerkstoff erhalten wurde.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffs nach der dritten Methode des Infiltrierens wurde in der Weise durchgeführt, daß Chrompulver mit einer Teilchengröße von 70 um oder weniger, TaB^-Pulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger und Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger in vorbestimmtem Verhältnis abgewogen wurden (nebenbeigesagt war hier die zugegebene Menge an Kupferpulver gering) worauf die Bestandteile zwei Stunden lang gemischt wurden; anschließend wurde das gemischte Pulver in eine Metallform vorbestimmter Konfiguration eingefüllt und unter Druck geformt; darauf wurde der Formkörper im Vakuum zwei Stunden lang bei einer Temperatur unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer gesintert, um einen virtuellen Sinterkörper zu erhalten; darauf wurde eine bestimmte Menge sauerstofffreien Kupfers auf diesen virtuellen Sinterkörper aufgebracht und das ganze eine Stunde lang in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer gehalten, um so einen Kontaktwerkstoff in Form eines mit sauerstofffreiem Kupfer imprägnierten Sinterkörpers zu erhalten. Während es möglich ist, das Kupfer im Kontaktwerkstoff zum Variieren des auf das Mischpulver ausgeübten Formdruckes auf eine bestimmte Menge einzuregulieren,

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ist bevorzugt, daß das Kupfervolumen im Kontaktwerkstoff gleich oder weniger als die Hälfte des gesamten Kontaktwerkstoffes beträgt, um den Hohlräume enthaltenden Formling nach dessen Erzeugung mit Kupfer zu imprägnieren, was für dieses Herstellverfahren eine charakteristische Eigenart darstellt.

Fig. 1 zeigt eine Mikroaufnahme mit 100-facher Vergrößerung einer MikroStruktur des Kontaktwerkstoffes

der aus einer Cu-Cr-TaB₂-Legierung nach einer Ausführung der Erfindung besteht. Dieser Cu-Cr-TaB₂-Legierungs-Kontaktwerkstoff wurde durch Abwägen von Chrompulver, TaB₂~Pulver und Kupferpulver in einem Gewichtsverhältnis von 25:5:70 erhalten, worauf die

Ingredienzien als Gemisch der oben beschriebenen ersten Methode des atmosphärischen Sinterns unterzogen wurden. Die verwendete Atmosphäre war in diesem Fall eine hochreine Wasserstoffatmosphäre, und die Sintertemperatur lag im Bereich zwischen 1050° C bis 1080° C. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß Cr und TaB₂ gleichförmig und fein in der Kupferbasis verteilt sind.

Fig. 2 ist eine Mikroaufnahme mit 100-facher Vergrößerung einer MikroStruktur eines konventionellen Cu-Cr-Legierungs-Kontaktwerkstoffes zum Vergleich. Dieser Cu-Cr-Legierungs-Kontaktwerkstoff wurde durch Abwägen von Chrompulver mit einer Teilchengröße von 70 Mm oder weniger und Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 40 pm oder weniger in einem Gewichtsverhältnis von 25:75, zweistündiges Mischen der Bestandteile und anschließendes Sintern des Gemisches nach der oben beschriebenen ersten Methode erhalten. Dies geschah in einer hochreinen Wasserstoffatmosphäre, wobei die Sintertemperatur im Bereich zwischen 1050° C und 1080° C lag.

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(Versuche betreffend die Kontaktwerkstoff-Eigenschaften).

Die oben beschriebenen Kontaktwerkstoffe, welche gemäß jedem der oben beschriebenen Verfahren der Pulvermetallurgie erzeugt wurden, wurden zu Elektroden mit einem Durchmesser von je 20 mm verarbeitet. Danach wurden die Elektroden in einem Vakuumschalter montiert, um ihre elektrischen Eigenschaften zu messen.

Fig. 3 zeigt die Stromunterbrechungsfähigkeit der Kontaktwerkstoff-Legierung gemäß einer Ausführung der Erfindung, bei welcher die Stromunterbrechungsfähigkeit des Kontaktwerkstoffs gemäß der Erfindung bezogen auf die Stromunterbrechungsfähigkeit des konventionellen Cu-25 Gewichts-% Cr-Kontaktwerkstoffes angegeben ist, wenn die letztere zu "1 (H)" gesetzt wird. Fig. 3 zeigt, wie sich die Stromunterbrechungsfähigkeit mit Zusatz von TaB₂ verändert, wobei der Cr-Gehalt der Legierung in Gewichts-% zu 10 (A), 15 (B), 20 (C), 25 (D), 30 (E), 35 (F) und 40 (G) gewählt wurde. Wie aus Fig. 3 ersichtlich gibt es einen Bereich, in welchem die Stromunterbrechungsfähigkeit diejenige des konventionellen Kontaktwerk-Stoffs aus Cu-25 Gewichts-% Cr aufgrund geringfügiger Zugabe von TaB₂ bezüglich jedes festgelegten Cr-Gehaltes überschreitet. Es ist daher verständlich, daß eine solche Legierung als Kontaktwerkstoff für einen Stromschalter geeignet ist, der für eine Schaltung großer Ströme einzusetzen ist. Je nach der zugegebenen Cr-Menge kann jedoch vorkommen, daß selbst nach Zugabe von TaB₂ keine Verbesserung der Stromunterbrechungsfähigkeit festgestellt werden kann. Im Rahmen der für dieses Beispiel durchgeführten Versuche reicht ein sehr wirkungsvoller Bereich für den Chromgehalt von 10 bis 40 Gewichts-%, wobei sich ein Verhältnis von 25 Gewichts-% als besonders günstig herausgestellt

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hat. Auch im Hinblick auf die Zugabe von TaB₂ gibt es einen optimalen Bereich im Gebiet von 10 Gewichts-% oder weniger, der ein sehr wirksames Ergebnis liefert, wobei festgestellt wurde, daß eine Legierung aus 25 Gewichts-% Chrom und 5 Gewichts-% TaB₂ als besonders herausragend anzusehen ist, wobei darüberhinaus die Stromunterbrechungsfähigkeit um das 1,25-fache höher als diejenige der konventionellen Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung ist. Da bei den Versuchen nach diesem Beispiel exakte Messungen an denjenigen Legierungen durchgeführt wurden, deren Stromunterbrechungsfähigkeit überlegen zu derjenigen der konventionellen Legierung ist, können die Stromunterbrechungseigenschaften solcher Legierungen mit minderer Stromunterbrechungsfähigkeit im Vergleich zu den konventionellen Legierungen nicht in einem konkreten Verhältnis angegeben werden; solche Stromunterbrechungseigenschaften sind in dem Diagramm gestrichelt angegeben. Es sollte auch festgehalten werden, daß in dem Diagramm nach Fig. 3 die Stromunterbrechungsfähigkeiten der Legierung gemäß dem beschriebenen Beispiel der Erfindung und gemäß der konventionellen Legierung für solche Legierungen gelten, wie sie in der atmosphärischen Sintermethode erzielbar sind, wobei allerdings kaum ein Unterschied der Eigenschaften von Kontaktwerkstoffen festgestellt werden kann, die nach dem Verfahren des atmosphärischen Sinterns oder nach dem Warmpress-Verfahren hergestellt wurden.

Das Diagramm nach Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Gehalt an TaB₂ und der Spannungsfestigkeit, wenn der Chrom-Gehalt in der Legierung in Gewichts-% bei 10 (I) und 25 (J) festliegt. Die Spannungsfestigkeit wird durch ein Verhältnis angegeben, wobei die Spannungsfestigkeit bei der konventionellen Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung (K) zu "1" gesetzt

ist. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ergibt sich eine merkliche Verbesserung der Spannungsfestigkeit durch die Zugabe von TaB₂ zu beiden festliegenden Cr-Gehalten, so daß eine Legierung gemäß diesem Beispiel der Erfindung als hervorragend geeignet als Kontaktwerkstoff für einen Hochspannungsschalter befunden wurde. Wenngleich die Spannungsfestigkeit mit dem Ansteigen des TaB₂-Gehaltes zunimmt, wird der Anstieg mit zunehmenden TaB₂~Gehalt sanfter, und kein weiterer Anstieg ist festzustellen, wenn der Gesamtgehalt an Cr und TaB₂ etwa 80 Gewichts-% erreicht. Es wurde festgestellt, daß in einigen Fällen bei überschreiten der Menge von 80 Gewichts-% die Spannungsfestigkeit sogar manchmal abnehmen konnte, so daß eine geeignete Auswahl des TaB₂-Gehaltes je nach dem Anwendungszweck wesentlich ist. Wenngleich der Mechanismus der Verbesserung der Spannungsfestigkeit aufgrund der Zugabe von TaB₂ noch zu klären ist, kann angenommen werden, daß TaBo ^auf9^rund seiner feinen Dispergierung in der Legierung zu einer Verstärkung der Kupferbasis- und der Chromteilchen beiträgt, wodurch das teilweise Schmelz-Haft-Phänomen an der Oberfläche des Kontaktes ebenso wie die Bildung von Vorsprüngen vermieden werden, welche zu einer Abnahme der Spannungsfestigkeit führen und alldies als Beitrag zu einer merklichen Verbesserung der Spannungsfestigkeit der Legierung aufzufassen ist. Wenn jedoch der Gehalt an Cr und TaB₂ mehr als erforderlich ansteigt, kann passieren, daß keine gleichförmige, von Defekten freie Legierung von der Herstellung her gesehen erzielt werden kann. Auch aufgrund der Tatsache, daß die Bearbeitbarkeit schlecht wird, können Faktoren wie das Auftreten von Vorsprüngen an der Oberfläche des Kontaktwerkstoffes dafür verantwortlich sein, die Spannungsfestigkeit mit der Zunahme des Gehaltes

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zu senken. Aus diesen Gründen verharrt die Spannungsfestigkeit bei einem bestimmten Niveau des TaB₃-Gehaltes, wenn dieser exzessiv ist. Nach den experimentellen Ergebnissen sollte die Gesamtmenge an Cr und TaB- in der Legierung vorzugsweise bei 80 Gewichts-% oder niedriger liegen. Von den in Fig. dargestellten Legierungen sind die Werte der Spannungsfestigkeit bei einem Gesamtgehalt von Cr und TaB₂ von 50 Gewichts-% der Legierung durch das Infiltrierverfahren hergestellt, während die Meßwerte derjenigen Legierungen mit einem Gesamtgehalt an Cr und TaB₃ von weniger als 50 Gewichts-% von solchen Legierungen stammen, die durch das atmosphärische Sintern hergestellt wurden.

Bei diesem Beispiel wurden Legierungen erläutert, in welchen TaB₂ als Tantalborid verwendet wurde, wenngleich ähnliche Wirkungen bei Verwendung anderer Boride von Tantal wie TaB, usw. erwartet werden können.

Beispiel 2 (Herstellung des Kontaktwerkstoffs)

Der Kontaktwerkstoff wurde gemäß den Prinzipien der Pulvermetallurgie unter Anwendung von drei Verfahren, nämlich des "atmosphärischen Sinterns", des "Warmpressens" und des "Infiltrierens" hergestellt.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffes nach dem ersten Verfahren des atmosphärischen Sinterns wurde so durchgeführt, daß TaB^-Pulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger und Kupferpulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger in einem Verhältnis von 42:58 abgewogen und anschließend zwei Stunden lang gemischt wurden; darauf wurde das gemischte Pulver in eine Metallform mit einem

Durchmesser von 30 mm eingefüllt und so geformt, daß 70 % oder mehr der theoretischen Dichte erreicht wurde; danach wurde der Formling in Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer gesintert, wodurch der gewünschte Kontaktwerkstoff erhalten wurde.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffes nach dem zweiten Verfahren des Warmpressens wurde so durchgeführt, daß TaB^-Pulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger und Kupfer-Pulver mit einer Teilchengröße von 40 pm oder weniger in einem Verhältnis von 50:50 abgewogen und anschließend zwei Stunden lang gemischt wurden; darauf wurde das gemischte Pulver in eine Kohlenstofform mit einem Innendurchmesser von 30 mm eingefüllt und im Vakuum mit einer Temperatur unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer und einem Druck im Bereich zwischen 100 bis 400 kg/cm² gehalten, wodurch eine bestimmte Menge des Kontaktwerkstoffs erhalten wurde.

Die Herstellung des Kontaktwerkstoffs nach dem dritten Verfahren des Infiltrierens wurde so durchgeführt, daß TaB₂-Pulver mit einer Teilchengröße von 40 um oder weniger und Kupfer-Pulver mit einer Teilchengröße von 40 pm oder weniger in einem Verhältnis von 95:5 abgewogen und anschließend zwei Stunden lang gemischt wurden; darauf wurde das gemischte Pulver in eine Metallform mit einem Durchmesser von 30 mm so vorgeformt, daß eine vorbestimmte Porosität erhalten wurde; danach wurde der Vorformling einer Reduktionsbehandlung in Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur in einem Bereich von 900° C bis 1080° C unterzogen. Bei diesem Beispiel wurde der Druck für das Vorformen in einem Bereich von

0,2 bis 6 t/cm² angesiedelt, um dadurch ein Gerüst mit einer durchschnittlichen Porosität von 60 % oder weniger bezogen auf das volumetrische Verhältnis zu erhalten. Dann wurden die Leerstellen in dem Vorformling mit der oben erwähnten Porosität mit Kupfer imprägniert, wodurch eine Legierung der endgültigen Zusammensetzung von Cu-60 Gewichts-% TaB₂ mit einer Dichte vonn 95 % oder mehr bezüglich der theoretischen Dichte erhalten wurde. 10

(Versuche bezüglich der Kontaktwerkstoffeigenschaften)

Die bei diesem Beispiel der Erfindung erhaltenen Kontaktwerkstoffe, wie sie mit den beschriebenen unterschiedlichen Verfahren der Pulvermetallurgie erhalten wurden, wurden zu Elektroden mit jeweils einem Durchmesser von 20 mm verarbeitet. Danach wurden die Elektroden in einem Vakuumschalter montiert, um ihre elektrischen Eigenschaften zu messen.

Fig. 5 zeigt die Stromunterbrechungsfähigkeit der Legierung nach diesem Beispiel der Erfindung, wobei die Veränderung der Kurve (L) der Stromunterbrechungsfähigkeit mit der Veränderung des TaB₂-Gehaltes in der Legierung einhergehen. Wie aus der Kurve (L) in Fig. 5 ersichtlich ist, wird die Stromunterbrechungsfähigkeit der Legierung durch Zugabe von TaB₂ zur Kupferbasis merklich verbessert. Die Stromunterbrechungsfähigkeit erreicht ein Maximum bei einem TaB₂~Gehalt von 60 Gewichts-%. Jenseits dieses Gehaltes an TaB₂ nimmt die Stromunterbrechungsfähigkeit der Legierung wieder ab. Zu Vergleichszwecken ist auch die Stromunterbrechungsfähigkeit folgender drei Arten von Legierungen in Fig. 5 dargestellt: (a) eine Cu-70 Gewichts-% W-Legierung (N), die bisher oft zum Aushalten hoher Spannungen eingesetzt wurde; (b) eine Cu-10 Gewichts-% W-Legierung (O),

welche relativ zufriedenstellende Stromunterbrechungsfahigkeit unter verschiedenen Cu-W-Legierungen aufweist; und (c) eine Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung (M), welche hinsichtlich der Stromunterbrechungsfähigkeit hervorragend ist und oft in Schaltern für große Ströme verwendet wurde. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, hat die Cu-TaB_-Legierung über einen weiten Bereich des TaB₂~Gehaltes bessere Stromunterbrechungsfahigkeit als die konventionelle Cu-W-Legierung, und die Cu-TaB₂~Legierung mit einem TaB₂-Gehalt im Bereich zwischen 41 und 75 Gewichts-% hat bessere Stromunterbrechungsfahigkeit als die konventionelle Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung. Es sei erwähnt, daß die Cu-60 Gewichts-% TaB₂-Legierung eine um das 1,3-fache höhere Stromunterbrechungsfahigkeit hat als die Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung. Ferner ergibt sich aus dem Vergleich zwischen der Cu-TaB₂~Legierung der Erfindung und der konventionellen Cu-70 Gewichts-% W-Legierung, daß der TaB₂~Gehalt bezüglich des Kupfers über seinen ganzen Bereich wirksam ist. Unter den Legierungen des Beispiels der Erfindung nach Fig. 5 sind solche Legierungen, die TaB₂ in einer 60 Gewichts-% nicht erreichenden Menge (50 Volumen-%) enthalten, sowie die konventionelle Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung und die Cr-IO Gewichts-% W-Legierung mittels des ersten Verfahrens des atmosphärischen Sinters hergestellt. Andererseits ist diejenige Legierung, welche 60 Gewichts-% oder mehr TaB₂ enthält (50 Volumen-%) sowie die konventionelle Cu-70 Gewichts-% W durch die dritte Methode des Infiltrierens hergestellt. Ferner ist die Stromunterbrechungsfahigkeit der Cu-10 Gewichts-% W-Legierung etwa halb so groß wie diejenige der Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung.

Fig. 6 zeigt die Spannungswiderstandsfähigkeit

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bzw. -festigkeit der Legierung gemäß dem Beispiel nach der Erfindung, wobei die Veränderungen der Spannungsfestigkeit von dem Gehalt an TaB₂ in der Legierung gemäß der Kurve (P) abhängt. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Spannungsfestigkeit mit zunehmendem TaB₂-Gehalt merklich anwächst. Der Anstieg ist in einem Bereich kleinen TaB₂-Gehaltes sehr groß, nimmt jedoch mit zunehmendem TaB₂~Gehalt ab, wenngleich eine Legierung mit einem TaB₂-Gehalt von 60 Gewichts-% oder mehr die Spannungsfestigkeit

(Q) der konventionellen, hochspannungsfesten Legierung Cu-70 Gewichts-% W-Legierung übertrifft. Ab einem TaB₂~Gehalt von 37 Gewichts-% überschreitet die Spannungsfestigkeit einer Legierung gemäß der Erfindung diejenige der konventionellen Legierung Cu-25 Gewichts-% Cr (Kurve R).

Aus beiden Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß die Cu-TaB₂~Legierung gemäß dem Beispiel nach der Erfindung über den gesamten Bereich der TaB₂-Gehalte angewendet werden kann, wenn geeignete Auswahl je nach der Anwendung getroffen wird. Als Kontaktwerkstoff für hohe Ströme und Spannungen, der sowohl hervorragende Stromunterbrechungsfähigkeit als auch hohe Spannungsfestigkeit aufweist, wird am besten eine Legierung mit einem TaB₂-Gehalt zwischen 60 und 75 Gewichts-% angewendet.

Fig. 7 zeigt die Stromunterbrechungsfähigkeit eines Kontaktwerkstoffes, der sowohl TaB₂ als auch Ti in Kupfer enthält, wobei die Stromunterbrechungsfähigkeit des Kontaktwerkstoffs gemäß dem Beispiel nach der Erfindung bezogen auf die Stromunterbrechungsfähigkeit des konventionellen Kontaktwerkstoffes angegeben ist, wenn die letztere zu "1" gesetzt ist. In dem Diagramm nach Fig. 7 sind die Verände-

rungen der Stromunterbrechungsfähigkeit aufgrund des TaB_-Gehaltes abhängig von den Veränderungen des Ti-Gehaltes dargestellt. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, gibt es einen Bereich, in welchem die Stromunterbrechungsfähigkeit viel größer als diejenige der Kurve (S) einer Legierung ist, welche aus Cu und TaB₂ allein besteht, und zwar abhängig von dem Gehalt an Ti. Insbesondere ist ein kleiner Zusatz an Ti von 7 Gewichts-% oder weniger sehr wirksam (schraffierter Bereich U), wenn er durch die Wirkung des über einen Bereich von 37bis 78 Gewichts-% sich erstreckenden TaB₂-Gehaltes ergänzt ist, wodurch die Wirkung der konventionellen Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung übertroffen wird. Die beste Wirkung kann mit einem Ti-Gehalt von 3 Gewichts-% (Kurve T) erhalten werden. Es ist festzuhalten, daß der Ti-Gehalt vorzugsweise in einem Bereich von 7 Gewichts-% oder niedriger nach dem Anwendungszweck liegen sollte, weil die Vergrößerung des Ti-Gehaltes den spezifischen Widerstand der Legierung erhöht.

Bezüglich der konventionellen Cu-25 Gewichts-% Cr-Legierung ist die oben erwähnte Legierung gemäß der Erfindung sehr hervorragend hinsichtlich ihrer Spannungswiderstandsfähigkeit. Insbesondere sind solche Legierungen mit einem hohen Gehalt an TaB₂ und Ti besonders spannungsfest.

Bei diesem zweiten Beispiel der Erfindung wurden Eigenschaften von Legierungen beschrieben, in welchen TaB₂ als Tantalborid eingesetzt wurde. Es ist festzuhalten, daß die gleiche Wirkung auch bei Anwendung anderer Tantalboride wie TaB oder dergleichen zu erwarten ist.

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Wie vorstehend erläutert schafft die Erfindung einen Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter, der hervorragende Stromunterbrechungsfähigkeit und Spannungswiderstandsfähigkeit bzw. -festigkeit aufweist, indem eine Legierung aus Kupfer und Tantalbor id oder eine Legierung aus Kupfer, Chrom und Tantalborid angewendet werden. Ferner schafft die Erfindung auch einen Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter mit hervorragender Stromunterbrechungsfähigkeit, wobei eine Legierung aus Kupfer, Tantalborid und Titan angewendet ist.

Claims

Patentansprüche

1. Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus Kupfer und einem Borid des Elementes Tantal besteht.

2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Tantalborid 37 Gewichts-% oder mehr beträgt.

3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Tantalborid im Bereich zwischen 41 und 75 Gewichts-% liegt.

4. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Gehalt an Tantalborid im Bereich zwischen 60 und 75 Gewichts-% liegt.

5. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

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das Tantalborid mindestens eines aus der Gruppe TaB₂ und TaB ist.

6. Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet , daß er im wesentlichen aus Kupfer, einem Tantalborid und Titan besteht.

7. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß der Gehalt an Tantalborid im Bereich zwischen 37 und 78 Gewichts-% liegt und daß der Titangehalt 7 Gewichts-% oder weniger beträgt.

8. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Tantalborid mindestens ein solches aus der Gruppe TaB₂ und TaB ist.

9. Kontaktwerkstoff für einen Vakuumschalter, dadurch gekennzeichnet , daß er im wesentlichen aus Kupfer, Chrom und Tantalborid besteht.

10. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß der Gesamtgehalt an Chrom und Tantalborid 80 Gewichts-% oder weniger beträgt.

11. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß der Chromgehalt im Bereich zwischen 10 und 40 Gewichts-% liegt.

12. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Tantalborid 10 Gewichts-% oder weniger beträgt.

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13. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß das Tantalborid mindestens eines aus der Gruppe TaB₂ und TaB ist.