Die Erfindung bezieht sich auf die neue Verwendung eines Schmelzwerkstoffes aus Kupfer und Chrom als Kontaktwerkstoff für den Einsatz in Schaltröhren von Vakuumschützen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf den Kontaktwerkstoff selbst und auf Verfahren zu dessen Herstellung, auf Kontaktstücke aus diesem Werkstoff und Verfahren zu deren Fertigung sowie auf spezielle Kontaktanordnungen in Schaltröhren für Vakuumschütze.
Werkstoffe aus Kupfer und Chrom sind vom Stand der Technik bekannt. Sofern sie als Kontaktwerkstoffe eingesetzt werden, dienen sie durchweg der Verwendung für Vakuum-Leistungsschalter. Bei solchen Leistungsschaltern, beispielsweise Mittelspannungs-Leistungsschaltern, kommt es darauf an, gleichermaßen hohe Spannungen im kV-Bereich und hohe Ströme im kA-Bereich zu schalten. Da die Schalthäufigkeit bei Leistungsschaltern vergleichsweise gering ist, wird deren Lebensdauer auf Schaltzahlen von einigen 104 ausgelegt.
In die Klasse der Vakuumschaltgeräte gehören neben den Leistungsschaltern auch die Vakuumschütze. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Lebensdauer aus, wobei üblicherweise Schaltzahlen >- 106 bei Nennstrom angestrebt werden.
An das Material für Kontaktstücke von Vakuumschützen werden aufgrund der notwendigen langen Lebensdauer besonders hohe Anforderungen speziell hinsichtlich des Abbrandverhaltens gestellt. Es müssen während der gesamten Lebensdauer einerseits Kurzschlußschaltströme bis etwa 5 kA sicher beherrscht werden; andererseits muß zugleich ein günstiges Schweißverhalten, d.h. eine niedrige Schweißkraft, gefordert werden, so daß das Öffnen der Kontaktstücke auch nach Kurzschlußeinschaltströmen gewährleistet ist. Das Häufigkeitsmaximum der Abreißstromwerte soll dabei deutlich unter 5 A liegen.
Es ist bekannt, als Kontaktmaterial für Vakuumschütze einen Verbundwerkstoff auf der Basis von Wolfram und Kupfer einzusetzen. Dabei wird das Wolfram (W) als hochschmelzende und damit besonders abbrandfeste Komponente genutzt, während das Kupfer (Cu) als elektrisch und thermisch gutleitendes Material eine Uber- hitzung der Schaltfläche verhindert. Da solche WCu-Werkstoffe durch Sintern eines Gerüstes aus der hochschmelzenden Komponente und anschließendes Tränken die- ses Gerüstes mit der niedrigschmelzenden Komponente erzeugt werden, kann gleichermaßen auch der Effekt der Gerüstkühlung durch das niedriger siedende Material gegen die Überhitzung genutzt werden. Zur Senkung der Schweißkraft und des Abreißstromes werden dabei üblicherweise weitere metallische Komponenten, beispielsweise Tellur oder Antimon, hinzugefügt.
Werkstoffe auf der Basis Wolfram und Kupfer werden für Va- kuumschütze im Hochspannungsbereich mit Schaltströmen bis ca. 3 kA erfolgreich eingesetzt. Durch gestiegene techni- sche Anforderungen bezüglich Schaltströme und Schaltzah- len, insbesondere im Bereich der Niederspannungstechnik bis 1 kV, sind Verbesserungen des Kontaktwerkstoffes notwendig, die WCu-Werkstoffe nur bedingt erfüllen. Der Grund liegt im speziellen Abbrandmechanismus dieses Systems: Bei Lichtbogenbelastung wird zwar in den Kathodenfußpunkten aufgrund der extrem hohen Temperaturen Kupfer und Wolfram zugleich aufgeschmolzen und verdampft, in den Randbereichen der Fußpunkte mit ihrer geringeren Temperaturbelastung wird jedoch bevorzugt Kupfer aus dem Gerüst abgedampft. Nach Ablauf zahlreicher Nennstromschaltungen oder nach einer Reihe von Hochstromschaltungen kann es dadurch zu lokalen Kupfer-Verarmungen im Gefüge und damit zur Bildung von wolframreichen Stellen in der Schaltfläche kommen. Eine typische Struktur einer durch häufiges Schalten belasteten Wolfram-Kupfer-Kontaktfläche enthält daher aufgerissene und schuppenförmge Bereiche.
Obige Oberflächenstrukturen begrenzen aus dielektrischen und thermischen Gründen natürlicherweise die Schalteigenschaften und damit die Lebensdauer des Kontaktwerkstoffes. Bisher wurde durch Wahl geeigneter Konzentrationsverhältnisse und spezifischer Pulverteilchengrößen der Kontaktwerkstoff auf die speziell geforderten Eigenschaften optimiert. Es besteht aber insbesondere im Bereich der Niederspannung das Bedürfnis, nach anderen Kontaktmaterialien mit verbessertem Abbrandverhalten zu suchen.
Aufgabe der Erfindungist es daher, einen Kontaktwerkstoff zu finden, der möglichst die gleich guten Schalteigenschaften wie Wolfram-Kupfer (WCu) im Anfangszustand besitzt, der aber darüber hinaus durch ein günstigeres Abbrandverhalten eine ungefährdet große Lebensdauer bei durchgehend gleichbleibender hoher Kurzschlußstromfestigkeit aufweist.
Die Aufgabe ist durch die Verwendung eines Schmelzwerkstoffes aus Chrom und Kupfer gelöst. Es wurde gefunden, daß nach dem Verfahren gemäß der deutschen Patentanmeldung P 33 03 170.3 hergestellte Kupfer-Chrom-Schmelzlegierungen in hervorragender Weise als Kontaktwerkstoff in Schaltröhren von Vakuumschützen im Niederspannungs-und Hochspannungsbereich geeignet sind.
Der Erfindung ging eine Analyse der metallurgischen und insbesondere der thermodynamischen Verhältnisse voraus: Das gesuchte Material sollte ein Verbundwerkstoff sein, um die günstigen Eigenschaften dieser Kontaktwerkstoffklasse zu nutzen. Es wurde erkannt, daß die beschriebene ungünstige Abbrandstruktur von Wolfram-Kupfer vor allem auf die stark differierenden Dampfdrücke der beiden bisher verwendeten Metalle zurückzuführen ist. Der Erfindung lag nun die Erkenntnis zugrunde, daß nach einer Metallkombination gesucht werden mußte, deren Komponenten trotz unterschiedlicher anderer Eigenschaften nach Möglichkeit ähnliche Dampfdrücke aufweisen. Eine solche Kombination ist speziell durch einen Werkstoff auf der Basis Chrom und Kupfer gegeben.
Wie bereits eingangs erwähnt ist ein Werkstoff auf der Basis von Chrom und Kupfer als Kontaktwerkstoff an sich bekannt. Dieser wurde aber bisher vorteilhafterweise als Kontaktstück bei strom- und spannungsmäßig hochbelasteten Vakuum-Mittelspannungs-Leistungsschaltern benutzt. Für diesen Einsatzbereich wird das günstige ebene Abbrandbild und die daraus resultierende gute dielektrische Festigkeit genutzt. Da hierbei. keine hohen Schaltzahlen gefordert sind, kann dort die bei hohen Ausschaltströmen erhebliche Abbrandrate von Chrom-Kupfer leicht toleriert werden.
Insbesondere aufgrund der vermuteten Abbrandrate im Va- kuumleistungsschalter wurden bisher Chrom-Kupfer-Werkstoffe von der Fachwelt als untauglich für Vakuumschütze angesehen. Beispielsweise ist eine solche Differenzierung des Einsatzbereiches der bekannten Kontaktwerkstoffe aus der Monographie von A. Keil et alii "Elektrische Kontakte und ihre Werkstoffe", (Springer Verlag 1984), Kap. 4.3 "Schaltgeräte", insbes. Tabelle 4.7, S. 359, entnehmbar.
Mit der Erfindung wurde nun überraschenderweise erkannt, daß ein Werkstoff auf der Basis Chrom-Kupfer auch für Vakuumschütze verwendbar ist. Damit wird das bei der Fachwelt herrschende Vorurteil überwunden!
Wider Erwarten konnte die Abbrandfestigkeit dieses Materials speziell unter Schützbedingungen nachgewiesen werden, womit ein solcher Werkstoff die geforderten Schaltzahlen von ≥ 106 bei Nennstrom unter Beibehaltung der Kurzschlußstromausschaltfähigkeit leicht erfüllt. Beispielsweise ergaben Messungen mit 600 A Nennstrom bei ungefähr 106 Schaltungen einen Höhenabbrand von ∠ mm pro Kontaktstück. Bei verdoppeltem Nennstrom wurde bei einer Schaltzahl von 3.105 ebenfalls ein Abbrand von L 1 mm pro Kontaktstück festgestellt.
Eine Erklärung des obigen unerwartet günstigen Abbrandverhaltens dürfte in der gegenüber den Leistungsschaltern anderen Lichtbogenausbildungen bei Vakuumschützen zu suchen sein. Dabei bildet insbesondere das ähnliche Abdampfverhalten aufgrund der weitgehend gleichen Dampfdruckkurven beider Komponenten die..wesentliche Grundlage.
Durch Versuche konnte bestätigt werden, daß im Rahmen der Erfindung ein Schmelzwerkstoff für obige Verwendung mit einer Zusammensetzung in Massenanteilen von etwa 25 bis 60 % geeignet ist. Es ergab sich, daß ein solcher Kontaktwerkstoff bereits nach der schmelzmetallurgischen Herstellung, vorzugsweise durch Lichtbogenschmelzen, hinreichende Eigenschaften aufweist. Schon dieses Material weist eine zeilenförmige Ausrichtung von Cr-Dendriten auf. Damit diese zeilenförmige Ausrichtung der Cr-Dendrite senkrecht zur Schaltfläche der Kontaktstücke verläuft, wird der Schmelzwerkstoff vorzugsweise umgeformt, so daß sich ein Richtgefüge senkrecht zur Schaltfläche ergibt. Das Umformen erfolgt vorzugsweise durch Vollvorwärtfließpressen mit einem Umformgrad > 60 %.
Es hat sich gezeigt, daß die Anforderungen an den Werkstoff, wie insbesondere niedrige Schweißkraft und niedrige Abreißströme, im allgemeinen vom Grundwerkstoff Chrom-Kupfer erfüllt werden können. In speziellen Fällen können aber die geforderten Eigenschaften auch über spezifische Zusätze von Tellur, Antimon, Wismut und/oder Zinn verbessert werden. Zum Einbringen solcher Zusätze sind verschiedene Verfahren, beispielsweise Einschmelzen, Eindiffundieren oder Einlagern in Vertiefungen, möglich.
Daneben hat sich gezeigt, daß Schaltröhren eines Vakuumschützes auch eine unpaarige Kontaktanordnung mit Kontaktstücken aus Schmelzwerkstoffen unterschiedlicher Zusätze aufweisen können, ohne die vorteilhaften Eigenschaften im Schaltbetrieb zu verlieren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der teilweise auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen wird.
Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung die FIG 1 bis 4 verschiedene Möglichkeiten zur Einbringung spezifischer Zusätze in Kontaktstücke.
Beispiel 1:
Aus einer Pulvermischung der Zusammensetzung in Massenanteilen von 60 % Kupfer (Cu) und 40 % Chrom (Cr) soll ein Schmelzblock nach dem Lichtbogenschmelzverfahren hergestellt werden: Beispielsweise soll der Rohling die Abmessungen von 80 mm Durchmesser und 400 mm Länge haben. Dazu wird die Pulvermischung entsprechender Zusammensetzung isostatisch bei einem Druck von 3000 bar gepreßt und anschließend im Vakuum bei Temperaturen knapp unterhalb' oder im Falle der Ausbildung einer flüssigen Phase etwa 50 *C oberhalb des Kupferschmelzpunktes gesintert. Der gesinterte Rohling wird als Abschmelzelektrode in einem Lichtbogenschmelzofen eingesetzt und unter Helium als Schutzgas umgeschmolzen. Um die geforderte hohe Energiedichte zu erreichen, muß der Lichtbogenstrom bei den gegebenen Abmessungen wenigstens 1000 A betragen. Das abgeschmolzene Elektrodenmaterial erstarrt in einer wassergekühlten Kupferkokille.
Statt der Zusammensetzung in Massenanteilen von 60 % Kupfer und 40 % Chrom können.auch andere Zusammensetzungen im Bereich zwischen 25 und 60 % Chrom gewählt werden.
Aus dem so durch Lichtbogenschmelzen erzeugten Schmelzblock wird anschließend durch Vollvorwärtsfließpressen ein Halbzeug für Kontaktstücke hergestellt. Dabei werden Umformgrade von mehr als 60 % angewandt, z.B. von 78 %. In diesem Fell ergibt sich nach Abdrehen des Schmelzblocks aus einem Rohlingdurchmesser von 75 mm ein Stangendurchmesser von 35 mm als Halbzeug Dieses Halbzeug weist ein Richtgefüge auf, bei dem jetzt insbesondere die im Werkstoff vorhandenen Chrom-Dendrite in zeilenförmiger Ausrichtung mit Vorzugsrichtung vorliegen. Werden nun von dieser Stange, nach einem eventuellen Abdrehen der Oberflächen mit Verunreinigungen, Scheiben von bespielsweise 5 mm Stärke als Kontaktstücke abgeschnitten, so ergibt sich zwangsläufig eine Schaltfläche senkrecht zum vorliegenden Richtgefüge.
Beispiel 2
Nach schmelzmetallurgischer Herstellung, wie bei Beispiel 1, wird der Schmelzblock mit 80mm Durchmesser in Scheiben von 5 mm geschnitten. Aus diesen Scheiben können dann drei Kontaktstücke von 35 mm Durchmesser herausgestanzt werden.
Die nach Beispiel 1 bzw. 2 gefertigten Kontaktstücke können in die Schaltröhren von Vakuumschützen eingebaut werden. Es können aber zuvor-, wie anhand der Beispiele 3 bis 5 in Verbindung mit den Figuren beschrieben wird, auch spezielle Zusatzkomponenten in die Kontaktstücke eingebracht werden.
Beispiel 3:
Es sollen Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 58,5 % Kupfer (Cu), 38,5 % Chrom (Cr) und 3 % Tellur (Te) hergestellt werden: Zu diesem Zweck werden zunächst entsprechend Beispiel 1 durch Lichtbogenschmelzen und anschließendes Umformen Kontaktstücke aus Kupfer und Chrom gefertigt, wozu eine Zusammensetzung in Massenanteilen von 60 % Kupfer und 40 % Chrom gewählt wird. In die nach Umformung und Abschneiden vorliegenden Kontaktscheiben soll Tellur einlegiert werden.
Letzteres wird anhand FIG 1 im einzelnen verdeutlicht: Eine CuCr-Scheibe 1 wird in einen entsprechend ausgebildeten Graphit-Tiegel 2 unter Zwischenlage eines Graphit-Papiers 3 eingebracht. Auf die Oberfläche der CuCr-Scheibe 1 wird Tellurpulver 4 im Überschuß aufgebracht. Anschließend wird der Tiegel 2 auf 1150 'C erhitzt und etwa 1 Stunde bei Schutzgas gehalten. Es ergibt sich ein Kontaktstück 5 der geforderten Zusammensetzung, wobei das angebotene Tellur quantitativ einlegiert ist.
Der Tellurgehalt kann entsprechend den Anforderungen an Schweißkraft und Abreißstrom von 0,1 bis 10 % betragen.
In gleicher Weise wie für Tellur (Te) beschrieben, können auch Antimon (Sb), Wismut (Bi) oder Zinn (Sn) oder Kombinationen dieser Metalle in die Kontaktstücke eingebracht werden. ,
Beispiel 4:
Es sollen Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 48,5 % Kupfer (Cu), 48,5 % Chrom (Cr) und 3 % Antimon (Sb) hergestellt werden. Zunächst werden wieder Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von 50 % Kupfer und 50 % Chrom durch Lichtbogenschmelzen und anschließendem Umformen gefertigt. Nach Abtrennen der Scheiben wird das Antimon durch Diffusion eingebracht: Dazu wird in das Kontaktstück eine Vertiefung eingearbeitet, in die das Antimon eingelegt wird.
Letzteres wird anhand FIG 2 im einzelnen verdeutlicht: Ein Kupfer-Chrom-Kontaktstück 20 ist mit einer Vertiefung 21 in etwa als Napf ausgebildet. Es steht auf einer Al2O3-Platte 22. In die Vertiefung des Kontaktstückes 20 wird Antimonpulver 23 gebracht. Nach Erhitzen auf etwa 1000 *C unter Schutzgas und Halten für etwa 2 Stunden bildet sich eine Diffusionszone 24 mit der oben angegebenen Konzentration in der Kupfer-Chrom-Scheibe aus. Die Tiefenausbildung sowie Antimonkonzentration der Diffusionszone 24 läßt sich über die Temperaturhaltezeit sowie über das Antimonangebot steuern.
Anhand der FIG 3 ist eine alternative Möglichkeit verdeutlicht: Hier befindet sich eine Kupfer-Chromscheibe 30 in einem A1203-Tiegel 31, der mit einer Platte 32 aus Kohlenstoff abgedeckt ist. Zwischen der Grundplatte des A1203-Tiegels 31 und der Kupfer-Chrom-Scheibe 30 ist Antimonpulver 33 im Überschuß vorhanden. Nach Erhitzung auf etwa 1000 'C bildet sich nach ca 2 Stunden von unten ausgehend eine Diffusionszone 34 aus. Die Tiefe der Diffusionszone wird entsprechend dem zu erwartenden Abbrandvorgegeben.
In gleicher Weise können statt Antimon (Sb) auch Zinn (Sn) bzw. Kombinationen aus Antimon, Tellur und/oder Zinn in die Kontaktstücke eingebracht werden.
Beispiel 5:
Es sollen Kontaktstücke mit lokal eingebrachten Zusätzen gefertigt werden: Zu diesem Zweck werden nach dem bei Beispiel 1 oder 2 beschriebenen Verfahren zunächst wieder scheibenförmige Kontaktstücke der Zusammensetzung in Massenanteilen von beispielsweise 50 % Kupfer und 50 % Chrom hergestellt. In die Oberflächen dieser Kontaktscheiben werden an geeigneter Stelle Vertiefungen, beispielsweise als Zentralbohrung, in Form mehrerer Bohrungen oder auch als Ringnut, eingearbeitet. In die Vertiefungen werden anschließend Metalle oder Legierungen mit einem Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des Kupfer-Chrom-Eutektikums als Granulat oder geeigneter Form eingebracht. Als vorteilhaft haben sich die Metalle Tellur, Antimon oder die Legierungen Antimontellurid, Wismuttellurid und Zinntellurid erwiesen. Die Zusatzkomponenten werden'in den Vertiefungen aufgeschmolzen.
Letzteres wird anhand von FIG 4 verdeutlicht: Eine CuCr-Scheibe 40 mit zentraler Bohrung 41 befindet sich in einem Graphit-Tiegel 42 mit Deckel 43. In die Bohrung 41 werden die Zusatzkomponenten eingebracht. Nach dem Aufschmelzen bildet sich daraus eine dünne Schicht 46 auf der Deckfläche des Kontaktstückes 40, die als Schaltfläche dient.
Für die Anwendung in Vakuumschützen ergibt sich nun auch insbesondere die Möglichkeit, unpaarige Anordnungen aufzubauen. Es hat sich gezeigt, daß eine Kontaktanordnung zum senkrechten Einbau in eine Schaltröhre vorrteilhaft derart ausgelegt sein kann, daß das eine Kontaktstück aus Kupfer und Chrom einer der gemäß Beispiel 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzungen besteht, während das zugehörige gegenüberliegende Kontaktstück aus Kupfer und Chrom mit spezifischen Zusätzen besteht. Letzteres Kontaktstück kann entsprechend den Beispielen 3 bis 5 ausgebildet sein.
Bei der Schaltröhre kann insbesondere das obenstehende Kontaktstück aus reinem Schmelzwerkstoff mit oder ohne Verformung bestehen.