Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes für Kontaktstücke von Vakuumschützrohren, der im wesentlichen aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 50 bis 70 Gew.-% Cu und 30 bis 50 Gew.-% Cr besteht. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kontaktwerkstoff.
Nachdem sich das Vakuumschaltprinzip im Bereich der Mittelspannung, d.h. im Bereich von ca. 7,2 bis 40 kV weltweit als führendes Schaltprinzip durchgesetzt hat, gewinnt es auch für den Schützeinsatz zunehmend an Bedeutung. Nach den Hochspannungsschützen für den Spannungsbereich von ca. 1 bis 10 kV wurden inzwischen auch Vakuumschütze für Niederspannung entwickelt und eingesetzt.
Die Anforderungen an Vakuumschütze und Vakuummittelspannungs-Leistungsschalter unterscheiden sich grundsätzlich. So werden beim Schütz elektrische Schaltspiele unter Nennstrom von mindestens 1 Million gefordert. Da hierbei auch Einsatzfälle wie Wendeschaltungen beherrscht werden müssen, dürfen beim Ausschalten keine Fehler wie insbesondere elektrische Wiederzündungen auftreten, die zu unmittelbaren Phasenkurzschlüssen führen können. Vom Leistungsschalter werden dagegen deutlich geringere Schaltzahlen erwartet, wie beispielsweise 20.000 Schaltspiele bei Nennstrom. Wendeschaltungen sind bei Leistungsschaltern nicht üblich.
Beim Schütz müssen zwar auch um Faktoren höhere Ströme als der Nennstrom noch sicher aus- und verschweißfrei eingeschaltet werden können; es wird jedoch kein Kurzschlußstrom-Ausschaltvermögen wie beim Leistungsschalter verlangt, da Schütze vorgeschaltete Sicherungen besitzen.
Entsprechend den abweichenden Anforderungen an die Schalteigenschaften von Schützen im Vergleich zu Leistungsschaltern unterscheiden sich auch die Anforderungen an das Kontaktmaterial. Beim Vakuumleistungsschalter haben sich als am besten geeignete Werkstoffe Kontaktmaterialien auf der Basis von CuCr durchgesetzt. Für Vakuumschütze sind dagegen nach wie vor Werkstoffe wie WCu, MoCu oder WCAg -gegebenenfalls mit weiteren Zusätzen - üblich, obwohl sie unter anderem mit steigender Schaltzahl im Schaltvermögen und in der dielektrischen Festigkeit nachlassen. Bei Versuchen, auch für Schütze CuCr-Werkstoffe einzusetzen und ihre Vorteile wie gleichbleibend hohes Schaltvermögen, gute Getterfähigkeit oder große dielektrische Festigkeit zu nutzen, zeigte sich, daß herkömmlich gefertigte CuCr-Werkstoffe - wie sie beispielsweise in der DE-OS 29 14 186, der DE-OS 34 06 535, der DE-OS 25 21 504 oder der EP-A-0 178 796 beschrieben sind - die Erwartungen nicht erfüllen. Probleme werden bei solchen Sinter- bzw. Sinter-Tränk-Werkstoffen durch das Abbrandverhalten bei hohen Schaltzahlen verursacht: Der beim Abbrand entstehende Materialverlust überschreitet die tolerierbaren Grenzwerte, wodurch die gewünschten Nennstromschaltzahlen nicht mehr erreicht werden. Außerdem ergeben sich stark zerklüftete Strukturen auf den Schaltflächen, was mit der Tendenz zu dielektrischem Fehlverhalten in Form von Wiederzündungen nach Stromnull verbunden ist.
In der EP-B-0 172 411 wird erstmals ein Vakuumschütz mit Kontaktstücken aus CuCr-Kontaktmaterial und ein Verfahren zur Herstellung der Kontaktstücke angegeben. Das Kontaktmaterial wird dabei durch Umschmelzen im Lichtbogen erzeugt und besitzt eine sehr feine, homogene Verteilung von Chrom in der Kupfermatrix und eine hervorragende Bindung zwischen beiden Komponenten. Aufgrund dieser Besonderheiten erhöht sich die Abbrandfestigkeit derartiger CuCr-Kontaktwerkstoffe deutlich, so daß sie den Anforderungen im Vakuumschütz-Betrieb genügen; zugleich wird das Abbrandbild der Kontaktstücke gleichmäßig, womit die Ursache für Wiederzündungen nach Stromnull beseitigt ist.
Das Verfahren des Lichtbogenumschmelzens ist nur bei Umschmelzelektroden großen Durchmessers wirtschaftlich einsetzbar. Für Schütze werden aber Kontaktstücke mit vergleichsweise kleinem Durchmesser benötigt. Im Ergebnis ist dadurch die Materialausnutzung des umgeschmolzenen Materials vergleichsweise gering, was die Wirtschaftlichkeit verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein weiteres Verfahren, mit dem ebenfalls Kontaktmaterial auf der Basis von CuCr zur Verwendung in Vakuumschützen hergestellt werden kann, sowie den damit geschaffenen Kontaktwerkstoff anzugeben.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Verfahren der eingangs genannten Art mit folgenden Verfahrensschritten gearbeitet wird:
Vom Stand der Technik sind zwar bereits Teilmerkmale der Erfindung vorbekannt: So wird beispielsweise in der DE-A-24 36 927 ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen mit geringer Restporosität aus einem dispersionsgehärteten Silber-Metalloxid-Verbundpulver beschrieben, bei dem die Verbundpulver zunächst zu einer Vorform preßverdichtet, anschließend die Vorform zu einer Zwischenform warm nachgepreßt und schließlich die Zwischenform kalt gepreßt wird. Dabei kann gegebenenfalls zusätzlich auch ein Zwischensintern erfolgen.
Letzteres Verfahren ist speziell auf Silber-Metalloxid-Werkstoffe abgestellt. Für das Aufbringen von Kontaktkörpern auf gleicher Werkstoffbasis durch Ultraschallschweißen wird in der EP-A- 0 027 893 mittels eines Prägestempels eine Kaltverformung des Materials erreicht, wobei durch die gleichzeitige Ultraschalleinwirkung ein Verschweißen mit dem Träger bewirkt werden soll. Für einen Kontaktwerkstoff für Kontaktstücke von Vakuumschützröhren ist dieses Verfahren jedoch nicht relevant.
Für Kontaktwerkstoffe auf der Basis von Kuper-Chrom wird dagegen in der DE-A-36 04 861 ein Verfahren beschrieben, das speziell einen heißisostatischen Preßvorgang (HIP) beinhaltet. Dagegen wird in der EP-A-0 178 796 die pulvermetallurgische Herstellung von Kontaktstücken für Vakuumschalter der Konstitution CuCrBi beschrieben, wobei Ausgangspulver aus Kupfer, Wismut und Chrom kaltgepreßt und gesintert und anschließend zu Kontaktstücken geprägt wird. Ein Prägen kann zwar eine Umformung des Werkstoffes bewirken. Aufgrund des nichtspezifizierten Umformgrades ist jedoch ein Verschweißen der zuvor zu einer geschlossenen Porosität gesinterten Preßlinge nicht zu erwarten.
Eine geschlossene Porosität wird beim erfindungsgemäß hergestellten CuCr-Werkstoff im allgemeinen ab 92 % Raumerfüllung erreicht. Sinterkörper mit einem geringeren Raumerfüllungsgrad würden aufgrund offener Porositäten einen Gas- bzw. Luftaustausch in das Werkstückinnere erlauben. Derart eingebrachte Gas- bzw. Luftgehalte werden beim nachfolgenden Kaltverformen überwiegend eingeschlossen und wirken sich negativ auf die Schalteigenschaften des Kontaktstückes aus.
Mit der Erfindung ist ein vakuumschütztauglicher CuCr-Werkstoff geschaffen, der aufgrund seiner Herstellungsart den Vorteil hat, besonders kostengünstig zu sein. Die Voraussetzung für die Eignung als Kontaktmatrix, nämlich die innige und störungsfreie Verbindung der Komponenten Kupfer und Chrom, wird hierbei jedoch nicht durch einen Schmelzvorgang, sondern durch Kaltverschweißen der Gefügebestandteile erhalten. Dazu wird vorteilhafterweise von einer gesinterten CuCr-Pulvermischung ausgegangen, die anschließend in eine Form kaltgestaucht wird, wobei wesentlich ist, daß beim Stauchen ein Umformgrad von mindestens 40 % erzielt wird. Während dieses Umformprozesses erfahren die Bestandteile Kupfer und Chrom eine starke Deformation: Die Grenzflächen zwischen den einzelnen Bestandteilen werden aufgerissen und kaltverschweißt. Die daraus resultierende Verbindung der beiden Komponenten ist so fest, daß überraschenderweise die Anforderungen für den Einsatz eines derartigen Materials für die Kontaktstücke im Vakuumschütz gut erfüllt werden.
Die Materialausnützung ist beim erfindungsgemäßen Verfahren sehr hoch. Das Volumen des Sinterkörpers kann vorteilhafterweise dem der Stauchform angepaßt werden, und diese wird in ihren Abmessungen möglichst nahe der Endgeometrie der Kontaktstücke ausgelegt, so daß nur noch ein sparsames Überdrehen der Oberflächen erforderlich ist. Damit kann mit dem beschriebenen Verfahren sehr kostengünstig gearbeitet werden.
Um die benötigte Werkstoffverfestigung durch Kaltschweißen zu erhalten, kann anstelle eines Stauchprozesses auch ein Kaltfließ- oder Walzschritt gewählt werden, wobei ebenfalls ein Mindestumformgrad von ≧ 40 % eingehalten werden muß.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen, wobei weiter unten auf ein lichtmikroskopisches Gefügebild Bezug genommen wird.
Cu-Pulver mit Teilchengrößenverteilungen < 63 µm und Cr-Pulver mit Korngrößenverteilungen < 40 µm werden im Verhältnis 60:40 trocken gemischt und mit einem Druck von beispielsweise 800 MPa zu Zylindern verpreßt, deren Durchmesser etwa gleich ihrer Höhe ist. Die Preßlinge werden unter Hochvakuum mit einem Druck p ≦ 10⁻⁴ mbar bei etwa 1050°C für etwa drei Stunden gesintert, wonach sich ein Raumerfüllungsgrad von ca. 94 % ergibt. Anschließend wird der Sinterkörper an Luft in eine Form gestaucht, deren Durchmesser etwa das Fünffache ihrer Höhe beträgt. Nach Überdrehen der Oberflächen ergeben sich durch Abtrennen einzelne Kontaktstücke in Scheibenform.
Eine Variante zu obigem Beispiel besteht darin, über die Geometrie der Stauchform unmittelbar spezielle Konturen der Kontaktstücke wie z.B. Abrundungen, Schrägen und/oder Vertiefungen zu erzeugen, ohne daß eine spätere Materialabtragung notwendig wäre.
Cu-Pulver mit Teilchengrößenverteilungen < 63 µm und Cr-Pulver mit Korngrößenverteilungen < 63 µm werden im Verhältnis 55:45 trocken gemischt und isostatisch bei einem Druck von ca. 3000 bar zu Zylindern von 80 mm Durchmesser kalt verpreßt. Die Preßkörper werden unter hochreinem Wasserstoff, der einen Taupunkt kleiner als -60°C hat, auf 1000°C aufgeheizt und bei etwa 1030°C etwa sechs Stunden lang unter Hochvakuum mit einem Druck p ≦ 10⁻⁴ mbar gesintert, wonach sich ein Raumerfüllungsgrad von ca. 95 % ergibt. Die Sinterkörper werden anschließend durch Vollvorwärtsfließpressen zu Stangen von 35 mm Durchmesser umgeformt, wobei der Umformgrad etwa 65 % beträgt. Nach Überdrehen der Mantelflächen werden durch Ablängen der Stange in Scheiben von 5 mm Höhe eine Mehrzahl von Kontaktstücken erhalten.
Aus dem zugehörigen Gefügebild wird deutlich, daß in eine Kupfermatrix 1 Chrompartikel 2 eingebettet sind. Insbesondere durch die Umformung des Sinterkörpers mittels Stauchen werden die ursprünglich regellos ausgebildeten und durch Sinterbrücken teilweise verbundenen Chromteilchen vorwiegend zeilenförmig gestreckt und dabei mit dem sie umgebenden Kupfer kaltverschweißt. Dieser Kaltverschweißung werden die guten Gebrauchseigenschaften des Kontaktwerkstoffes bei Vakuumschützen zugemessen.