(57) Die Erfindung betrifft Sinterformkörper für Vakuumschalterkontaktstücke, die eine
schnelle, verlustlose Übertragung hoher Ströme gewährleisten, sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Pulvermenge des Matrixwerkstoffs
mit 30 bis 70 % der Pulvermenge des Tränkwerkstoffs und mit 1 bis 5 % eines Zusatzwerkstoffs,
bezogen auf die Endzusammensetzung, gemischt. Nach der Formgebung wird eine Auflage
aus mindestens der Restmenge des Tränkwerkstoffs aufgebracht. Die Sinterung erfolgt
bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Tränkwerkstoffs, mindestens
jedoch bei der eutektischen Temperatur des Zusatzwerkstoffs mit dem Tränkwerkstoff
während einer Sinterdauer
2: 1 h; danach wird die Temperatur auf mindestens die Schmelztemperatur des Tränkwerkstoffs
erhöht und ≥ 30 min auf diesem Wert gehalten, wonach sich eine Wärmebehandlung von
mindestens 1 h Dauer bei einer Temperatur anschließt, die 100 bis 250 K unterhalb
der Sintertemperatur liegt.
Durch diese Verfahrensweise wird ein Lösen des hochschmelzenden Matrixwerkstoffs im
niedriger schmelzenden Tränkwerkstoff unterbunden.
Die Erfindung ist insbesondere zur Herstellung von Kontaktstücken von Vakuumschaltern
für Mittelspannungsschaltanlagen mit hohen Abschaltleistungen geeignet.
[0001] Die Erfindung betrifft Sinterformkörper für Vakuumschalterkontakte sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung, bei dem der Sinterwerkstoff zunächst aus einem die Matrix bildenden
Metallpulver hohen Schmelzpunkts durch Mischen, Verpressen und Sintern sowie anschließendes
Tränken der Matrix mit einem Tränkwerkstoff niedrigeren Schmelzpunkts hergestellt
wird. Solche Schalterkontakte sind besonders für Vakuumschalter in Mittelspannungsnetzen
mit hohen Abschaltleistungen geeignet.
[0002] Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Kontakten für Vakuumschalter oder
Vakuumfunkenstrecken bekannt, bei dem durch Verpressen und Sintern eines hochschmelzenden
Metallpulvers ein Skelettkörper hergestellt wird, auf dessen Oberfläche dann eine
Platte aus einem Tränkwerkstoff mit niedrigerem Schmelzpunkt aufgelegt wird, worauf
diese Einheit unter Vakuum so lange auf einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur
des zuerst schmelzenden Metalls gehalten wird, bis die Sauerstoffspuren aus der Oberfläche
der Metalle entfernt sind. Danach wird die Temperatur auf die Schmelztemperatur des
Metalls mit der niedrigeren Schmelztemperatur erhöht, wobei die Poren mit dem Tränkwerkstoff
gefüllt werden. Der Skelettkörper besteht dabei aus Chrom, der Tränkwerkstoff aus
Kupfer, Silber oder aus einer Kupferlegierung, die < 0,3 % Zirkonium, Tantal oder
Titan enthält (DE-A1 2521 504).Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das
Sintern der Matrix und das Tränken als getrennte Prozeßstufen durchgeführt werden
müssen, und die volle Leitfähigkeit des Kupfers oder der Kupferlegierung in solchen
Kontakten nicht voll ausgenutzt werden kann, da durch das Lösen der beiden Hauptkomponenten
ineinander die Leitfähigkeit herabgesetzt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin,
daß die Verschweißtendenz der Kontakte bei der Verwendung der angegebenen Werkstoffe
nicht ausgeschlossen werden kann.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sinterformkörper für Vakuumschalterkontakte
sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, wobei die obigen Nachteile nicht
auftreten und Schalterkontaktstücke hoher Leitfähigkeit durch eine einfachere Verfahrensweise
erhältlich sind, bei der ein Lösen des hochschmelzenden Matrixwerkstoffs in dem niedriger
schmelzenden Tränkwerkstoff unterbunden ist.
[0004] Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
[0005] Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen besonders in der höheren Leitfähigkeit
der Kontaktstücke und insbesondere darin, daß das gesamte Verfahren in einem einzigen
Zyklus durchführbar ist.
[0006] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
[0007] Zunächst wird ein Gemenge aus 50 Gew.-% technisch reinem Chrompulver (Chromgehalt
98 %, Teilchengröße 0,1 bis 0,16 mm), 47,5 Gew.-% reduziertem Kupferpulver (Kupfergehalt
- 99,8 %, Teilchengröße 0,06 mm) und 2,5 Gew.-% Bor (amorphes Bor 95 %) hergestellt,
das dann unter einem Druck von 250 MPa zu Formkörpern verpreßt wird, deren Dichte
75 1 der theoretischen Dichte beträgt. Eine 110 % des Porenvolumens der Formkörper,
also einem Überschuß von 10 %, entsprechende Menge Kupferpulver wird ebenfalls unter
einem Druck von 250 MPa zu Formkörpern gleicher Grundfläche gepreßt, die auf die aus
der Pulvermischung hergestellten Formkörpern aufgelegt werden. Die paarweise aufeinandergelegten
Formkörper werden in einem Vakuumofen eingebracht und nach dem Evakuieren auf einen
Druck von 10-2 Pa bei 1050 °C 2 h unter Bildung einer durch das niedrigschmelzende
Eutektikum Cu-B bedingten flüssigen Phase bei gleichzeitiger Entgasung gesintert.
Während der Sinterung führt eine metallurgische Reaktion zur Bildung von Chromborid.
Danach wird die Temperatur auf 1150 °C erhöht und 1 h auf diesem Wert gehalten. Dabei
schmilzt die Auflage und dringt mit fortschreitender weiterer Entgasung in den Sinterkörper
ein. Der Vakuumofen wird anschließend auf 900 °C abgekühlt und 2 h auf dieser Temperatur
gehalten. Während dieser Wärmebehandlung scheidet sich das Bor aus der eutektischen
Legierung Cu-B in Form eines feindispers verteilten Gefügebestandteils aus. Der durch
das gebildete Chromborid stark eingeschränkte Anteil von gelöstem Chrom wird aus der
Tränklegierung ebenfalls feindispers ausgeschieden, so daß das gut leitende Kupfer
im Kontakt für die Stromleitung uneingeschränkt zur Verfügung steht. Die Restmenge
des verwendeten Tränkwerkstoffs, die mindestens dem ermittelten Porenvolumen äquivalent
ist, kann als Auflage dem Preßling in Form einer kompakten Platte aufgelegt werden.
Der Sinterprozeß wird bei einer Temperatur durchgeführt, die unter der Aufschmelztemperatur
des Tränkwerkstoffs liegt, jedoch mindestens bei einer Temperatur, bei welcher der
Zusatzwerkstoff und der Tränkwerkstoff ein Eutektikum bilden. Dabei findet unter Einwirkung
von Vakuum bei einem Druck < 10
2 Pa gleichzeitig eine Entgasung des Sinterkörpers statt. Durch die Bildung einer flüssigen
Phase wird außerdem eine sinterfördernde Wirkung erzielt. Die durch den Zusatzwerkstoff
herabgesetzte Oberflächenspannung des Tränkwerkstoffs bewirkt, daß dieser bereits
in feine Poren eingesogen und dadurch die nachfolgende Tränkung positiv beeinflußt
wird. Weiterhin geht der Zusatzwerkstoff mit dem höher schmelzenden Matrixwerkstoff
eine metallurgische Reaktion ein, wobei eine kohärente, zusammenhängende Oberflächenschicht
den Matrixwerkstoff umgibt, wodurch wiederum Lösungsvorgänge zwischen dem Matrixwerkstoff
und dem beim nachfolgenden Tränkvorgang nachfließenden Tränkwerkstoff gehemmt werden.
Nach der Sinterung wird die Temperatur mindestens auf die Schmelztemperatur des Tränkwerkstoffs
erhöht und die angegebene Zeit auf dieser Temperatur gehalten, wodurch die Füllung
der Poren bis auf einen Restporengehalt von 1 1 bei gleichzeitiger weiterer Entgasung
des Sinterkörpers stattfindet. Nach der anschließenden Senkung der Temperatur und
aufgrund der Wärmebehandlung scheiden sich der Zusatzwerkstoff aus der eutektischen
Legierung und der möglicherweise vorliegende geringe Anteil von gelöstem Matrixwerkstoff
infolge der mit sinkender Temperatur abnehmenden Löslichkeit im Tränkwerkstoff feindispers
verteilt aus. Diese Ausscheidungen bewirken eine Versprödung der Phasengrenze Matrixwerkstoff
- Tränkwerkstoff und hemmen damit die Verschweißneigung.
1. Verfahren zur Herstellung von Sinterformkörpern für Vakuumschalterkontaktstücke,
bei dem der Sinterwerkstoff zunächst aus einem die Matrix bildenden Metallpulver hohen
Schmelzpunkts durch Mischen, Verpressen zu einem Formkörper und Sintern sowie anschließendes
Tränken der Matrix mit einem Tränkwerkstoff niedrigeren Schmelzpunkts hergestellt
wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
(a) Einsatz eines zu verpressenden Pulvers aus einem Pulvergemisch aus
-der Gesamtmenge des pulverförmigen hochschmelzenden Matrixwerkstoffs,
- einem Teil des Tränkwerkstoffs in einer Menge von 30 bis 70 Gew.-%, bezogen auf
die Gesamtmasse des Tränkwerkstoffs, sowie
- einem Zusatzwerkstoff, der mit dem Tränkwerkstoff bei der Sintertemperatur ein Eutektikum
bildet und mit dem Matrixwerkstoff eine Reaktion eingeht, wobei eine kohärente Oberflächenschicht
gebildet wird, die den Matrixwerkstoff umgibt, und der bei Wärmebehandlung dispers
aus dem Tränkwerkstoff ausgeschieden wird, in einer Menge von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen
auf die Masse des Gesamtkontakts;
(b) Aufbringen der Restmenge des Tränkwerkstoffs als Auflage auf den zuvor gepreßten
Formkörper;
(c) Sinterung bei einer Temperatur, die unter der Aufschmelztemperatur des Tränkwerkstoffs,
jedoch mindestens bei der Temperatur des Eutektikums, das sich aus dem Tränkwerkstoff
und dem Zusatzwerkstoff bildet, und mindestens 1 h Halten dieser Temperatur;
(d) Vornahme der Tränkung bei einer Temperatur über der Schmelztemperatur des Tränkwerkstoffs
während mindestens 30 min sowie
(e) Wärmebehandlung des Formkörpers bei einer Temperatur, die 100.bis 250 K unterhalb
der Sintertemperatur liegt, während einer Behandlungsdauer > 1 h.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzwerkstoff Bor
eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sinterung, Tränkung
und Wärmebehandlung in einem einzigen, nicht unterbrochenen Zyklus durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpulver
einer Teilchengröße von 0,1 bis 0,16 mm verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage
aus Tränkwerkstoff bei der Formgebung aufgepreßt wird.
6. Sinterformkörper für Vakuumschalterkontakte auf der Basis eines gesinterten hochschmelzenden
Matrixwerkstoffs und eines niedriger schmelzenden Tränkwerkstoffs, der die Kristallite
des Matrixwerkstoffs umgibt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite des Matrixwerkstoffs von einer Schicht
umgeben sind, die mindestens teilweise aus einem binären Eutektikum besteht, dessen
eine Komponente aus dem Tränkwerkstoff und dessen andere Komponente aus einem Zusatzwerkstoff
bestehen.
7. Sinterformkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kristallite
des Matrixwerkstoffs umgebende Schicht überwiegend aus dem Eutektikum besteht.
8. Sinterformkörper nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallite
des Matrixwerkstoffs umgebende Schicht ausschließlich aus dem Eutektikum besteht.
9. Sinterformkörper für Vakuumschalterkontakte auf der Basis eines gesinterten hochschmelzenden
Matrixwerkstoffs und eines niedriger schmelzenden Tränkwerkstoffs, der die Kristallite
bzw Partikel des Matrixwerkstoffs umgibt,
erhältlich durch folgende Verfahrensschritte:
(a) Einsatz eines zu verpressenden Pulvers aus einem Pulvergemisch aus
- der Gesamtmenge des pulverförmigen hochschmelzenden Matrixwerkstoffs,
- einem Teil des Tränkwerkstoffs in einer Menge von 30 bis 70 Gew.-%, bezogen auf
die Gesamtmasse des Tränkwerkstoffs, sowie
- einem Zusatzwerkstoff, der mit dem Tränkwerkstoff bei der Sintertemperatur ein Eutektikum
bildet und mit dem Matrixwerkstoff eine Reaktion eingeht, wobei eine kohärente Oberflächenschicht
gebildet wird, die den Matrixwerkstoff umgibt, und der bei Wärmebehandlung dispers
aus dem Tränkwerkstoff ausgeschieden wird, in einer Menge von 1 bis 5 Gew.-%, bezogen
auf die Masse des Gesamtkontakts;
(b) Aufbringen der Restmenge des Tränkwerkstoffs als Auflage auf den zuvor gepreßten
Formkörper;
(c) Sinterung bei einer Temperatur, die unter der Aufschmelztemperatur des Tränkwerkstoffs,
jedoch mindestens bei der Temperatur des Eutektikums, das sich aus dem Tränkwerkstoff
und dem Zusatzwerkstoff bildet, und mindestens 1 h Halten dieser Temperatur;
(d) Vornahme der Tränkung bei einer Temperatur über der Schmelztemperatur des Tränkwerkstoffs
während mindestens 30 min sowie
(e) Wärmebehandlung des Formkörpers bei einer Temperatur, die 100 bis 250 K unterhalb
der Sintertemperatur liegt, während einer Behandlungsdauer > 1 h.
10. Sinterformkörper nach einem der Ansprüche 6 bis 9, erhältlich nach dem Verfahren
nach einem der Ansprüche 2 bis 5.