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(11) | EP 0 144 846 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
Sinterformkörper für Vakuumschalterkontaktstücke und Verfahren zu ihrer Herstellung Sintered moulded part for contact pieces of vacuum interrupters and method for their fabrication Pièce moulée et frittée pour pièces de contact pour interrupteurs à vide et méthode de sa fabrication |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[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 Tränkerwerkstoff 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-A-1 2521 504). Der Nachteil dieses Verfahrens be- steht 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 gemäss den Ansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0005] Das erfindungsgemässe 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, ist 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 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Tränkwerkstoffs, sowie
-einem Zusatzwerkstoff, der mit dem Tränkwerkstoff bei der Sintertemperatur ein Eutektikum bildet und mit dem Matrixwerkstoff eine metallurgische 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 Masse-%, 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 oder oberhalb 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.
[0006] Die erfindungsgemässen Sinterformkörper für Vakuumschalterkontakte bestehen aus einem gesinterten hochschmelzenden Matrixwerkstoff und einem niedriger schmelzenden Tränkwerkstoff, der die Kristallite des Matrixwerkstoffs umgibt, und sind 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.
[0007] Die die Kristallite des Matrixwerkstoffs umgebende Schicht besteht vorzugsweise oder überwiegend ausschliesslich aus dem Eutektikum.
[0008] 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.
[0010] Zunächst wird ein Gemenge aus 50 Masse-% technisch reinem Chrompulver (Chromgehalt 98%, Teilchengrösse 0,1 bis 0,16 mm), 47,5 Masse-% reduziertem Kupferpulver (Kupfergehalt 99,8%, Teilchengrösse 0,06 mm) und 2,5 Masse-% Bor (amorphes Bor, 95%) hergestellt, das dann unter einem Druck von 250 MPa zu Formkörpern verpresst wird, deren Dichte 75% 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 Formkörper 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 < 102 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 % 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.
(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 Masse-%, bezogen auf die Gesamtmasse des Tränkwerkstoffs, sowie
-einem Zusatzwerkstoff, der mit dem Tränkwerkstoff bei der Sintertemperatur ein Eutektikum bildet und mit dem Matrixwerkstoff eine metallurgische 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 Masse-%, 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 oder oberhalb 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.
a) mise en oeuvre d'une poudre à presser faite d'un mélange de:_
- la quantité totale de la matière en poudre à haut point de fusion qui constitue la matrice,
- une partie de la matière d'imprégnation, dans une proportion de 30 à 70% en masse, calculée sur la masse totale de la matière d'imprégnation, ainsi que d'une substance additionnelle qui, à la température de frittage, forme avec la matière d'imprégnation un eutectique, et qui réalise avec la matière de la matrice, une réaction métallurgique, de sorte qu'il se forme une couche superficielle cohérente qui enrobe la matière de la matrice, et qui se sépare par dispersion de la matière d'imprégnation, la proportion de cet additif étant de 1 5% en masse, calculé sur la masse totale du contact,
b) apport du reste de la quantité de la matière d'imprégnation sous forme de dépôt sur la pièce moulée pressée auparavant,
c) frittage, à une température qui est inférieure à la température de fusion de la matière d'imprégnation, toutefois, au moins à la température de l'eutectique qui se forme à partir de la matière d'imprégnation et de la matière d'addition, et maintien de cette température pendant au moins 1 heure,
d) exécution de l'imprégnation à, ou au-dessus de la température de fusion de la matière d'imprégnation pendant au moins 30 minutes, ainsi que
e) traitement thermique de la pièce moulée à une température de 100 à 250 k inférieure à la température de frittage, pendant une durée de traitement supérieure à 1 heure.
(a) use of a powder for pressing comprising a powder mix of
-the total amount of the powdery high-melting-point matrix material,
-a portion of the impregnation material in an amount of from 30 to 70 wt.%, based on the total amount of the impregnation material, and
-an addition material which at the sintering temperature forms a eutectic with the impregnation material and reacts metallurgically with the matrix material to form a coherent surface layer which surrounds the matrix material, and which upon thermal treatment is precipitated in dispersed form from the impregnation material, in an amount of from 1 to 5 wt.%, based on the mass of the total contact;
(b) applying the residual amount of the impregnation material as a coating onto the previously pressed moulded part;
(c) sintering at a temperature which is below the fusion temperature of the impregnation material but at least at the temperature of the eutectic which is formed from the impregnation material and the addition material, and maintaining said temperature for at least 1 h;
(d) performing the impregnation at or above the melting temperature of the impregnation material for a period of at least 30 min and
(e) thermally treating the moulded part at a temperature which is below the sintering temperature by 100 to 250 K, during a treatment period of > 1 h.