Verfahren zum Herstellen eines Kontaktwerkstoffes für Kontaktstücke für Vakuumschaltgeräte sowie Kontaktwerkstoff und Kontaktstücke hierfür

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktwerkstoffes aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom für Kontaktstücke für Vakuumschaltgeräte durch Pressen der Pulvermischung, Sintern und Tränken des Presslings und nachfolgendes Umformen zu einem Kontaktwerkstoff-Halbzeug, dass eine mindestens 99 % der theoretischen Dichte entsprechende Dichte aufweist, sowie Kontaktstücke aus diesem Kontaktwerkstoff-Halbzeug.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktwerkstoffes aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom in Form eines Halbzeuges, aus dem einzelne Kontaktstücke für den Einsatz in Vakuumschaltgeräten konfektioniert werden. Die Erfindung betrifft des weiteren Kontaktwerkstoffe als Halbzeug zum Herstellen von Kontaktstücken für Vakuumschaltgeräte sowie Kontaktstücke für Vakuumschaltgeräte.

[0002] Kontaktstücke zur Verwendung in Vakuumschaltgeräten, wie Vakuumschützen, Vakuumlasttrennschaltern und Vakuumleistungsschaltern für Niederspannung und Mittelspannung sollen sich durch niedrige Restporosität, einen niedrigen Gasgehalt sowie hohe Gefügefestigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnen. Darüber hinaus sollen Kontaktwerkstoffe und Kontaktstücke wirtschaftlich herstellbar sein.

[0003] Das Vakuumschaltprinzip hat sich im Hochspannungsbereich bei Spannungen zwischen 3 und 36 kV seit geraumer Zeit weltweit durchgesetzt, Die überwiegende Anwendung bezieht sich auf Leistungsschalter. In geringerem Maße werden Schütze bis maximal 12 kV eingesetzt. Die hohe dielektrische Festigkeit des Vakuumschalters und das völlig emissionsfreie Schalten machen das Vakuumschaltprinzip mit Weiterentwicklung des Herstellprozesses und der damit einhergehenden Reduzierung der Kosten auch für Niederspannungsschaltgeräte attraktiv. Für diese Anwendung des Vakuumschaltprinzips kommen vordergründig Schütze, Leistungsschalter und Lasttrennschalter mit Nennbetrieb bzw. Nennströmen und 100 bis 1000 A bzw. 630 bis 6300 A bei Spannungen bis 1000 (1500) V in Betracht.

[0004] Die Anforderungen an die vorgenannten Schaltgeräte sind sehr unterschiedlich. Bei Vakuumleistungsschaltern für Mittelspannung steht das Kurzschlussausschaltvermögen bis ca. 50 kA im Vordergrund. Die Schaltzahlen bei Nennstrom liegen bei 30.000. Bei einem Schütz hingegen dominieren die Schaltzahlen mit mindestens 500.000. Darüber hinaus darf bei einem Schütz kein Ausschaltfehler auftreten und es muss in der Lage sein, den 10 bis 12-fachen Nennbetriebsstrom sicher ausschalten und mit trennbaren Verschweißungen einschalten zu können, wobei die Kräfte des Antriebs vergleichsweise niedrig sind. Obwohl ein Vakuumschütz keinen Kurzschlussstrom ausschalten soll, muss es insbesondere für kleine Nennbetriebsströme in der Lage sein, den Durchlassstrom der vorgeschalteten Sicherung solange zu führen, bis die Sicherung den Stromkreis unterbrochen hat. Hierbei muss die Verschweißung an den Kontaktstücken aufbrechbar sein.

[0005] Der Vakuumleistungsschalter für Niederspannung hingegen muss das 2 bis 3-fache Kurzschlussausschaltvermögen besitzen, wie der Leistungsschalter für Mittelspannung. Zudem werden Leistungsschalter für Niederspannung auch als Motorschalter eingesetzt, wobei kein Ausschaltfehler auftreten soll.

[0006] Der Lasttrennschalter hingegen muss Ströme bis zum 20-fachen Nennstrom einschalten können. Die hierbei auftretenden Verschweißungen der Kontaktstücke müssen durch den Antrieb aufbrechbar sein.

[0007] Kontaktwerkstoffe bzw. Kontaktstücke für Vakuumschalter auf Basis Chrom und Kupfer sind in unterschiedlicher Ausführung als Schmelzwerkstoff oder nach pulvermetallurgischen Verfahren oder Sintertränkverfahren hergestellt bekannt.

[0008] Aus der DE OS 1640039 ist ein CuCr-Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter bekannt, der aus einer gesinterten Metall-Matrix aus Chrom, die mit einer Tränksubstanz aus Kupfer getränkt ist, besteht. Die DE 2357333 A1 und DE 2521504 A1 beschreiben als Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter eine gesinterte Metall-Matrix, bei der der Hauptkomponente aus beispielsweise Chrom als Versprödungszusatz Aluminium oder Zinn zugegeben ist, und diese Metall-Matrix mit einer Tränksubstanz aus Kupfer, Silber oder Legierungen dieser Metalle getränkt ist. Die Sintertemperaturen liegen hier bei oberhalb 1 200 ° C, während die Schmelztemperatur der Tränksubstanz unterhalb der jeweiligen Sintertemperatur liegt. Nach den vorgenannten Verfahren werden bevorzugt Kontaktwerkstoffe in der Größe und Form der einzelnen Kontaktstücke hergestellt.

[0009] Auch in der DE 2240493 A1 wird ein Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter beschrieben, der eine gesinterte Metall-Matrix aus einer metallischen Hauptkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb 1 600 ° C und einer metallischen Nebenkomponente mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes einer Tränksubstanz aufweist, wobei die gesinterte Metall-Matrix mit beispielsweise Kupfer als Tränksubstanz imprägniert wird.

[0010] Des weiteren ist aus der US 3960554 ein Verfahren zum Herstellen von Chrom-Kupfer-Kontaktstücken für Vakuumschalter bekannt, mit einem Chromgehalt von 40 bis 60 Gew.-%, bei dem in einem ersten Schritt die gewünschte Menge an Chrompulver für das fertige Kontaktstück mit einer sehr geringen Menge von Kupferpulver gemischt und hieraus ein Pressling hergestellt wird, der anschließend gesintert wird, um eine poröse Chrom-Matrix herzustellen, die anschließend mit der großen Menge Kupfer unter weiterem Sintern infiltriert wird, bis die Chrom-Matrix mit Kupfer in dem gewünschten Verhältnis von 60 bis 40 Gew.-% Cu zu 40 bis 60 Gew.-% Cr angefüllt ist. Bei diesem Verfahren wird anfänglich mit weniger als 10 Gew.-% Kupferpulver zum Herstellen der Sintermatrix gearbeitet und der größere Anteil an Kupferpulver von mindestens 30 bis 50 Gew.-%, ausschließlich durch nachträgliches Infiltrieren in die Chrom-Sintermatrix eingebracht.

[0011] Den Sintertränkverfahren zum Herstellen von einzelnen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffen haftet der Nachteil an, dass durch Einbringen der gesamten Kupfermenge bzw. nahezu der gesamten Kupfermenge in flüssiger Phase, nämlich durch Infiltrieren in die Chrom-Sintermatrix Rohlinge mit deutlichem Aufmaß entstehen, die entsprechend zerspanend nachbearbeitet werden müssen, um die Endform des gewünschten Kontaktstückes zu erhalten.

[0012] Ein weiteres Verfahren zum Herstellen von einzelnen Kontaktstücken ist das pulvermetallurgische Verfahren, bei dem eine Pulvermischung der hochschmelzenden Komponente, wie Chrom, und der niedrigschmelzenden Komponente, wie Kupfer, zu einem Rohling verpresst und anschließend der Rohling gesintert wird und der Sinterkörper noch kalt oder warm zwecks Verdichtung nachgepresst wird, wie beispielsweise in der DE 2914186 A, der DE 3406535 A1 und der EP 0184854 A2 beschrieben ist. Die Konzentration der Komponenten ist bei diesen Verfahren in weiten Grenzen wählbar und die Kontur der Rohlinge entspricht beinahe der Endform der Kontaktstücke. Ausgedehnte Hohlraumsysteme im Material, wie sie bei schlechten Tränkwerkstoffen entstehen können, treten nicht auf, jedoch besitzen derartige Sinter-Werkstoffe eine Restporosität und Dichte, die üblicherweise mindestens noch 2 % von der theoretischen Dichtevon 100 % entfernt ist und die sich nachteilig bei ihrem Einsatz als Kontaktmaterial von Kontaktstücken für Vakuumschaltröhren auswirkt. Damit ist die Leistungsfähigkeit der reinen Sinterwerkstoffe begrenzt.

[0013] Zur Verringerung der Porosität von pulvermetallurgisch hergestellten Kontaktstücken auf Basis Kupfer und Chrom für Vakuumschaltröhren wurde daher gemäß PCT/DE 8900343 bereits ein 2-stufiges Verfahren zur Verdichtung des Pulverpresslings vorgeschlagen, bei dem Pulverpresslinge im Hochvakuum gesintert werden und anschließend die Sinterkörper einem heißisostatischem Pressen bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Kupfer in einer Schutzgasatmosphäre bei Drücken zwischen 200 und 2000 bar unterworfen werden. Bei diesem sehr aufwendigen Prozess ist es möglich, die Porosität des Fertigproduktes noch weiter abzusenken und etwa 99 % der theoretischen Dichte zu erreichen.

[0014] Gemäß EP 0172411 B1 wird ein Schmelzwerkstoff aus Kupfer und Chrom für Kontaktstücke von Vakuumschaltern vorgeschlagen, bei dem aus einer Pulvermischung von Chrom und Kupfer durch isostatisches Pressen bei hohem Druck von 3000 bar ein Pressling hergestellt wird, der anschließend im Vakuum bei Temperaturen nahe oder oberhalb des Kupferschmelzpunktes gesintert wird. Der so hergestellte gesinterte Rohling wird als Abschmelzelektrode in einem Lichtbogenschmelzofen eingesetzt und unter Helium als Schutzgas umgeschmolzen. Das abgeschmolzene Elektrodenmaterial erstarrt in einer wassergekühlten Kupferkokille und der so durch Lichtbogenschmelzen erzeugte Schmelzblock wird anschließend durch Vollvorwärtsfließpressen zu einem Halbzeug für Kontaktstücke geformt, wobei Umformgrade von mehr als 60 % , z.B. 78 % angewendet werden. Dieses Halbzeug weist ein Richtgefüge auf, bei dem die durch das Abkühlen in der Kupferkokille nach dem Umschmelzen entstandenen sehr feinen Chrom-Dendrite in zeilenförmiger Ausrichtung mit Vorzugsrichtung vorliegen. Aus dem umgeformten Rohling werden Scheiben als Kontaktstücke abgeschnitten, wobei sich eine Schaltfläche der Kontaktstücke senkrecht zum vorliegenden Richtgefüge ergibt. Die mit diesem Verfahren hergestellten Kupfer-Chrom-Werkstücke sind durch das angewendete vielstufige Verfahren und die erforderlichen Energiemengen des Lichtbogenschmelzens extrem aufwendig und teuer.

[0015] Ein wirtschaftlicheres Verfahren zum Herstellen von Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffen für Kontaktstücke von Vakuumschaltern mit geringer Restporosität wird in der PCT/DE 8900344 vorgeschlagen, wonach in einem ersten Schritt aus Pulvern der Komponenten eine Pulvermischung und hieraus ein Pressling hergestellt wird, der anschließend gesintert wird und zur Verbesserung der Endverdichtung einem Stauchprozess oder Kaltfließprozess mit einem Mindestumformgrad von 40 % unterworfen wird, wobei eine Raumerfüllung von mindestens 99 % der theoretischen Dichte erzielt werden soll. Eine Bindung der Komponenten Kupfer und Chrom wird hierbei durch Kaltverschweißen der Gefügebestandteile erhalten, wobei Chrompulver mit relativ kleinen Korngrößenverteilungen unter 63 µm bevorzugt sind. Diese Chromteilchen sind im Sinterkörper nur teilweise durch Sinterbrücken verbunden, so dass sie zwar durch die Umformung in einer Vorzugsrichtung gestreckt werden, jedoch keine ausreichend durchgehende Matrix bilden und die Bindungsqualität zwischen Kupfer und Chrom und damit die Schalteigenschaften verbesserungsbedürftig sind.

[0016] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zum Herstellen von Kontaktwerkstoffen für Vakuumschaltgeräte zu schaffen, mit dem Kontaktwerkstoffe, die höchsten Ansprüchen genügen, geschaffen werden, insbesondere deren Abbrandverhalten und Lebensdauer verbessert wird und die eine sehr geringe Restporosität aufweisen und eine Dichte von mindestens 99 % der theoretischen Dichte erreichen.

[0017] Erfindungsgemäß wird zur Lösung der gestellten Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktwerkstoffes in Form eines Halbzeuges aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom mit den folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:

• Chrompulver in einer dem Chromgehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes entsprechenden Menge oder eine Mischung aus Chrompulver in einer dem Chromgehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes entsprechenden Menge und Kupferpulver in einer in Bezug auf den Kupfergehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes um 5 bis 15 Gew.-% geringeren Menge wird unter Anwendung von Drücken zwischen 200 und 1000 Mpa zu einem porösen Pressling verpresst, der eine 75 bis 90 % der theoretischen Dichte entsprechende Dichte aufweist,
• der poröse Pressling wird mit einer mindestens der an dem Kupfergehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes fehlenden Menge an Kupfer bedeckt,
• danach wird der mit Kupfer bedeckte Pressling im Hochvakuum auf eine Temperatur bis zum oder über den Schmelzpunkt des Kupfers hinaus aufgeheizt, wobei der Pressling zu einem Chrom-Matrix-Sinterkörper oder Kupfer-Chrom-Matrix-Sinterkörper sintert und gleichzeitig die entstehenden Chrom-Matrix-Sinterkörper oder Kupfer-Chrom-Matrix-Sinterkörper von dem sich verflüssigenden, den Pressling bedeckenden Kupfer getränkt werden,
• und ein kupfergetränkter Chrom-Sinterkörper oder kupfergetränkter Kupfer-Chrom-Sinterkörper mit einem gegenüber dem Pressling erhöhten Kupfergehalt und einer 96 bis 98 % der theoretischen Dichte entsprechenden Dichte erhalten wird,
• und der erhaltene kupfergetränkte Chrom-Sinterkörper oder kupfergetränkte Kupfer-Chrom-Sinterkörper anschließend zu einem den Kontaktwerkstoff bildenden Halbzeug durch Fließpressen in einer Streckrichtung verformt wird, wobei die Chrom-Körner in den Sinterkörpern in der Streckrichtung zu Chromstengeln ausgezogen werden und ein langgestrecktes Richtgefüge bilden und wobei der Umformungsgrad der Sinterkörper mindestens 30 % beträgt,
• und ein Kontaktwerkstoff-Halbzeug mit einem Richtgefüge und mit einer mindestens 99 %, insbesondere 99,5 bis 99,9 % der theoretischen Dichte entsprechenden Dichte erhalten wird.

[0018] Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.

[0019] Erfindungsgemäß wird ein hochleistungsfähiger Kontaktwerkstoff aus Kupfer und Chrom in einem mehrstufigen Prozess erzeugt, nämlich Herstellen eines porösen Chrom-Pulver-Presslings oder Kupfer-Chrom-Pulverpresslings, der eine Mindermenge an Kupfer in dem Pressling gegenüber der gewünschten Endzusammensetzung des Endproduktes aufweist;
anschließendes Herstellen einer Chrom-Matrix oder Kupfer-Chrom-Matrix durch Sintern im Hochvakuum und gleichzeitiges Tränken der Matrix mit zusätzlichem Kupfer, wodurch ein dichter Sinterkörper erhalten wird, und ein sich hieran anschließendes weiteres mechanisches Verdichten des mit Kupfer getränkten Sinterkörpers unter gleichzeitigem Umformen und Strecken desselben in einer Richtung, wodurch ein Kontaktwerkstoff in Form eines Halbzeuges erhalten wird, das durch die Verformung ein Richtgefüge aus Chrom und Kupfer in Form von in länglichen Kupferbahnen eingebetteten Chromstengeln aufweist und eine gegenüber dem getränkten Sinterkörper nochmals erhöhte Dichte aufweist, die fast der theoretischen Dichte entspricht.

[0020] Wesentlich für das Erreichen einer hohen Verdichtung des kupfergetränkten Sinterkörpers und des Richtgefüges ist der Einsatz von hochreinem elektrolytisch gewonnenem Chrompulver mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,8 %, mit sehr niedrigen Gasgehalten, insbesondere Sauerstoff und Stickstoff jeweils kleiner 200 ppm und sehr niedrigen Fe- und Al-Gehalten, ebenfalls jeweils kleiner 200 ppm. Derartiges hochreines Chrom lässt sich überraschend in der als Sinterkörper vorliegenden Form noch gut verformen, wodurch das erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff-Halbzeug mit Richtgefüge erhalten wird.

[0021] Das Umformen des kupfergetränkten Chrom-Sinterkörpers bzw. Kupfer-Chrom-Sinterkörpers kann durch Strangpressen oder Schmieden oder Walzen jeweils in einer Richtung erfolgen.

[0022] Zur Erreichung eines festen Gefüges auch durch die nachfolgende Umformung des getränkten Sinterkörpers wird bevorzugt ein Chrompulver mit einer Körnung größer 50 µm bis zu etwa 160 µm eingesetzt, besonders bevorzugt ein Körnungsgemisch.

[0023] Für den Sinter- und Tränkvorgang des porösen Presslings aus Chrompulver oder Kupfer-Chrom-Pulver wird die noch fehlende Menge an Kupfer für die gewünschte Endzusammensetzung des Kontaktwerkstoffes ggf. auch geringfügig mehr, beispielsweise in Form von kompakten Kupfer auf und/oder unter den Pressling gepackt und mit diesem zusammen dem Sintererungsprozess unterworfen. Der Sinterprozess wird bevorzugt im Hochvakuum bei Drücken kleiner 10^-4 mbar unter kontinuierlicher Aufheizung des Presslings auf eine Temperatur bis mindestens zum Aufschmelzen des Kupfers durchgeführt, wobei einerseits durch Sinterung etwas Legierung Kupferchrom gebildet wird und darüber hinaus die sich bildende Kupfer-Chrom-Matrix bzw. Chrommatrix mit dem zusätzlichen massiven Kupfer getränkt wird. Der Pressling wird durch den Sinter- und Tränkprozess auf eine Dichte über 99 % der theoretischen Dichte verdichtet, wobei sich gleichzeitig auch die ursprüngliche Zusammensetzung des Presslings von Chrom bzw. Kupfer und Chrom in die gewünschte Zusammensetzung der Menge an Kupfer und Chrom durch Erhöhung des Kupfergehaltes verändert und die gewünschte Endzusammensetzung erreicht wird. Der so hergestellte kupfergetränkte Chrom-Sinterkörper bzw. kupfergetränkte Kupfer-Chrom-Sinterkörper weist eine hohe Dichte, ein sehr festes Gefüge und eine hohe Duktilität auf. Letzteres wird auch durch den Einsatz eines hochreinen Chroms erreicht, nämlich eines elektrolytisch gewonnenen Chrompulvers.

[0024] Der Kontaktwerkstoff weist eine ausgezeichntete Bindung zwischen den Komponenten Kupfer und Chrom durch die flüssige Phase beim Tränken auf. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäß hergestellten Kontaktwerkstoff um einen pulvermetallurgischen Werkstoff, der ein gerichtetes Gefüge infolge der Umformung des Sinterkörpers aufweist.

[0025] Erfindungsgemäß wird ein pulvermetallurgischer Kontaktwerkstoff in Form eines Halbzeuges für Kontaktstücke für Vakuumschaltgeräte aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom vorgeschlagen, der durch Herstellen eines Presslings aus einer Pulvermischung, Sintern und zusätzliches Tränken des Presslings mit Kupfer in einem Zuge und nachfolgendes Umformen des mit Kupfer getränkten Sinterkörpers erhalten ist und der durch die Umformung in einer Streckrichtung ein Richtgefüge mit langgestreckten Chromstengeln, die eingebettet sind in langgestreckte Kupferbahnen, aufweist und der eine Dichte von mindestens 99 %, insbesondere mehr als 99,4 % der theoretischen Dichte aufweist und dessen elektrische Leitfähigkeit und Zugefestigkeit parallel zur Streckrichtung mindestens 10 % höher ist als senkrecht zur Streckrichtung. Ein bevorzugter hochleistungsfähiger pulvermetallurgischer Kontaktwerkstoff gemäß der Erfindung weist einen Gehalt von 55 bis 62 Gew.-% Kupfer, einen Umformungsgrad von mindestens 70 % und eine elektrische Leitfähigkeit parallel zur Streckrichtung auf, die bei 45 % der elektrischen Leitfähigkeit des reinen Kupfers liegt und hat eine Zugfestigkeit in Streckrichtung von mindestens 550 N je mm².

[0026] Kontaktstücke gemäß der Erfindung für Vakuumschaltgerät aus einem pulvermetallurgischen Kontaktwerkstoff aus Kupferpulver und Chrompulver im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom, hergestellt durch Konfektionieren eines Halbzeuges sind gekennzeichnet durch einen kupfergetränkten Sinterkörper mit einer Chrom-Matrix oder Kupfer-Chrom-Matrix, der in einer Streckrichtung kalt oder warm zu mindestens 30 % verformt ist und eine mindestens 99 %ige, insbesondere mehr als 99,4 % der theoretischen Dichte entsprechende Dichte aufweist, dessen Kontaktoberfläche quer zur Streckrichtung ausgebildet ist und dessen Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit parallel zur Streckrichtung jeweils um mindestens 10 % höher als quer zur Streckrichtung ist.

[0027] Erfindungsgemäße Kontaktstücke für Vakuumschaltgeräte werden durch Konfektionieren des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff-Halbzeuges hergestellt, wobei die Kontaktoberfläche der Kontaktstücke senkrecht zur Streckrichtung des Kontaktwerkstoff-Halbzeuges ausgebildet sind. Die getränkten Sinterkörper werden üblicherweise als Barren erhalten, so dass durch Strecken in einer Richtung und Umformen ein Halbzeug in Form von Stangen erhalten wird.

[0028] Es wurde gefunden, dass bei Einsatz von hochreinem elektrolytisch gewonnenem Chrompulver - Elektrolytchrom - beste Ergebnisse erzielt werden. Reines Elektrolytchrom hat an der Pulverkörneroberfläche zwar auch dünne Chromoxidhäutchen, die jedoch während des Herstellungsprozesses des CuCr-Kontaktwerkstoffes nicht auf den Chromteilchen erhalten bleiben, sondern während des Sintertränkvorganges vom flüssigen Kupfer unterwandert und von den Chromteilchen abgelöst werden. So kann sich dann das Kupfer während des Sintertränkvorganges mit dem Chrom legieren und zu einer festen Verbindung zwischen den beiden Phasen führen. Durch den Umformvorgang wird das sehr reine und dadurch relativ duktile Elektrolytchrom zu langgestreckten Chrom-Stengeln verformt, infolge dessen ist der Anteil an Grenzfläche zwischen Kupfer und Chrom an der Kontaktoberfläche, d.h. senkrecht zur Schaltfläche der Kontakte um ein Vielfaches höher ist als parallel zur Schaltfläche.

[0029] Der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff und die daraus hergestellten Kontaktstücke sind geeignet, den Ansprüchen von Vakuumschaltgeräten zu genügen, insbesondere zeichnen sie sich aus durch:

• hohe Abbrandfestigkeit,
• hohe elektrische Lebensdauer,
• hohe dielektrische Festigkeit durch homogenes geschlossenes Schaltgefüge und gleichmäßigen Abbrand,
• eine gleichbleibende elektrische Leitfähigkeit über die gesamte Lebensdauer,
• eine extrem dünne, geschlossene, sich an der Kontaktoberfläche ausbildende Schaltgefügeschicht,
• hohe Dichte mit vernachlässigbaren Gaseinschlüssen,
• wirtschaftliche Herstellung,
• hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit.

[0030] Während der elektrischen Lebensdauer eines Vakuumschaltgerätes bildet sich auf der gesamten Kontaktoberfläche der Kontaktstücke eine Schaltgefügeschicht aus. Da der Strom auf beiden Kontaktoberflächen erst diese Schaltgefügeschicht passieren muss, hat diese wesentlichen Einfluss auf die Stromübertragung und die Lebensdauer des Vakuumschaltgerätes. Der Übergangswiderstand dieser Schaltgefügeschicht ist wesentlich höher als derjenige des Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoffes. Bei jedem Schalten bildet sich eine Schmelze aus Kupfer-Chrom und nach dem Erstarren liegt je nach Abkühlgeschwindigkeit die Schaltgefügeschicht mit mehr oder weniger feiner Struktur aus kupfer- und chromreichen Mischkristallen vor. Diese Gefügestruktur der Schaltgefügeschicht beeinflusst die thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie die Härte. Mit dem erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff wird die Ausbildung einer besonders günstigen Schaltgefügeschicht erreicht, mit einer hohen Gefügefestigkeit.

[0031] Der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff bildet auf der Oberfläche der Kontaktstücke während der elektrischen Lebensdauer eine dünne und ebene Schaltgefügeschicht aus, die vollständig mit dem Kontaktwerkstoff desselben verbunden ist und auf ihm haftet. Auf diese Weise wird schädliche Rissbildung vermieden, sowohl innerhalb des Kontaktstückes als auch im Bereich des Schaltgefüges auf der Oberfläche. Die elektrische und die thermische Leitfähigkeit sind aufgrund der dünnen und vollständig haftenden Schicht der Oberfläche, die sich infolge des Schaltens als Schaltgefügeschicht ausbildet, hoch. Diese dünne Schicht führt sowohl zu schneller Abkühlung und folglich geringer Schweißkraft als auch geringer thermischer Erwärmung durch elektrischen Stromfluss. Der Abbrand des erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoffes ist durch die Ausbildung dieser dünnen Sperrschicht auf der Oberfläche der Kontaktstücke infolge des Schaltens gering, das hat eine lange Lebensdauer zur Folge.

[0032] Der Kontaktwerkstoff weist bei Zugbeanspruchung senkrecht zur Schaltfläche eine hohe Festigkeit auf, wodurch die Trennung beim Öffnen der Kontaktstücke nach Erstschaltungen bevorzugt in der Schweißstelle erfolgt bzw. nur geringfügige Materialausbrüche im Kontaktwerkstoff auftreten.

[0033] Der erfindungsgemäße Kontaktwerkstoff kann überwiegend in Vakuumschaltgeräten bzw. Vakuumschaltröhren für Nieder- und Mittelspannung zur Anwendung kommen.

[0034] Die wesentliche Qualitätsverbesserung des kupfergetränkten Chrom bzw. Kupfer-Chrom-Sinterkörpers wird durch die gerichtete Umformung erreicht, wobei bevorzugt Umformungsgrade von mehr als 50 % sind, wobei die Umformung derart vorgenommen wird, dass die Sintermatrix in einer Richtung gestreckt wird, wodurch die Chrompulverkörner langgestreckt zu Stengeln werden und das Kupfer zu langgestreckten Kupferbahnen verformt wird. Auf diese Weise wird einerseits die Festigkeit in der Streckrichtung wesentlich erhöht, zum anderen auch die Leitfähigkeit, insbesondere die elektrische Leitfähigkeit in der Streckrichtung wesentlich verbessert. Es wird ein pulvermetallurgischer Kontaktwerkstoff mit Richtgefüge erhalten.

[0035] Erfindungsgemäß wird eine Umformung der Sinterkörper in dem Maße durchgeführt, dass längliche Chromstengel oder Chromfasern bis auf das 10-fache gegenüber dem Anfangsdurchmesser der Chromkörner verringert wird.

[0036] Die Kontaktoberfläche der Kontaktstücke wird durch Konfektionierung von Kontaktstücken quer zur Streckrichtung des Kontaktwerkstoffe-Halbzeuges ausgebildet. Die Kontaktoberfläche des Kontaktstückes weist entsprechend den feinen Chromstengeln des gestreckten Chromsintergerüsts feine Punkte aus Chrom verteilt im Kupfer auf, was eine Voraussetzung für einen guten Kontakt ist und die spätere Ausbildung einer sehr dünnen Schaltgefügeschicht im Bereich von 100 µm ermöglicht.

[0037] Die Haftung der dünnen Schaltgefügeschicht zum Grundgefüge des Kontaktwerkstoffes ist vergleichsweise gut. Die dünne Schaltgefügeschicht führt zu einer sehr guten Wärmeableitung in den Kontaktwerkstoff. Verantwortlich für diese dünne Schaltgefügeschicht ist in erster Linie die ausgeprägte Richtgefügestruktur des Kontaktwerkstoffes. Durch diese Richtgefügestruktur wird in senkrechter Richtung zur Kontakt- und Schaltoberfläche mit 27 Sm/m eine um 30 % höherer Leitfähigkeit erzielt als parallel zur Kontakt- und Schaltoberfläche.

[0038] Der elektrische Strom fließt ohne Behinderung (Poren oder Risse) und somit homogener Stromdichte auf direktem Weg von der Schaltgefügeschicht in den Kontaktwerkstoff, wo er fast ungestört entlang der Kupferbahnen fließen kann.

[0039] Der Abbrand an dieser Kontakt-Oberfläche ist aufgrund der als Sperrschicht wirkenden Schaltgefügeschicht gering, was zur deutlichen Erhöhung der Lebensdauer führt.

[0040] Die elektrische Leitfähigkeit kann um 30 % und mehr in Streckrichtung betragen als senkrecht hierzu, ebenso kann die Zugfestigkeit in der Streckrichtung gegenüber der Querrichtung um 30 % und mehr in Abhängigkeit vom Umformungsgrad und Kupfergehalt gesteigert werden.

[0041] Die Ausbildung der Oberfläche des Kontaktwerkstoffes des Kontaktstückes mit feinen Chrompunkten, eingelagert in Kupfer, ermöglicht einen gleichmäßigen Abbrand und damit die hohe Lebensdauer des Kontaktstückes. Diese, bei jedem Schaltvorgang anschmelzende Oberfläche des Kontaktstückes, leitet die Wärme schlecht ab, erfindungsgemäß wird jedoch durch das gerichtete Gefüge des Kontaktwerkstoffes eine gute Wärmeableitung bewirkt.

[0042] Das durch Umformung hergestellte Kontaktwerkstoff-Halbzeug aus dem kupfergetränkten Sinterkörper kann durch Strangpressen kalt oder warm, durch Schmieden kalt oder warm oder durch Walzen kalt oder warm in der gewünschten Weise mit einer Vorzugsrichtung zum Ausbilden eines entsprechenden Gefüges verformt werden. Aus diesem verformten Kontaktwerkstoff-Halbzeug können durch spanende Bearbeitung die Kontaktstücke in der gewünschten Form gewonnen werden. Bevorzugt werden aus dem Kontaktwerkstoff-Halbzeug, beispielsweise Stangen, quer zur Verstreckrichtung Scheiben gewünschter Dicke abgetrennt, die entweder spanend oder durch Prägen, kalt oder warm, in die gewünschte Endrom der Kontaktstücke für die Vakuumschaltgeräte gebracht werden.

[0043] Der Tränkvorgang, gleichzeitig mit dem Sintervorgang des Chrom-Sinterkörpers oder Kupfer-Chrom-Sinterkörpers mit einer geringen Restmenge an Kupfer, dient der Beseitigung von vorhandener Restporosität und einer guten Bindung infolge der flüssigen Phase des der Tränkung dienenden Kupfers.

[0044] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von metallographischen Darstellungen erläutert.

[0045] Es zeigen:

Figur 1

Schnittfläche eines kupfergetränkten Sinterkörpers parallel zur späteren Streckrichtung X

Figur 2

Schnittfläche des durch Umformen des Sinterkörpers gemäß Fig. 1 hergestellten Kontaktwerkstoff-Halbzeuges parallel zur Streckrichtung X

Figur 3

Kupfer-Chrom-Sinterkörper mit ausgebildeter Schaltgefügeschicht

Figur 4

Kontaktwerkstoff gemäß Fig. 2 mit ausgebildeter Schaltgefügeschicht

[0046] In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen kupfergetränkten Kupfer-Chrom-Sinterkörper in Barrenform parallel zur Achse X in 50-facher Vergrößerung, mit einer Zusammensetzung enthaltend 40 Gew.-% Chrom und 60 Gew.-% Kupfer, der noch nicht umgeformt ist, dargestellt.

[0047] Die Sintermatrix der noch im wesentlichen körnigen oder körnig zusammengebackten Chrompulverkörner in den aufgeschmolzenen Kupferbereichen ist erkennbar.

[0048] In der Figur 2 ist eine Darstellung des kupfergetränkten Kupfer-Chrom-Sinterkörpers gemäß Figur 1 nach einer Kalt-Umformung durch Fließpressen mit einem Umformungsgrad von zwischen 75 und 80 % dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Schnitt parallel zur Streckrichtung X, d. h. Fließ-Press-Richtung in 50-facher Vergrößerung. Es wird deutlich, dass durch die Umformung ein langgestrecktes Gefüge der Sintermatrix erhalten wird, insbesondere erfolgt eine Streckung der Chromkörner zu langen Chromstengeln, die zwischen langgestreckten Kupferbahnen eingebettet sind, wodurch die später als Kontaktfläche der Kontaktstücke dienende Fläche F quer zur Streckrichtung X einen Aufbau erhält, der die Ausbildung einer sich positiv auf Schaltverhalten und Lebensdauer auswirkenden Schaltgefügeschicht ermöglicht.

[0049] Dieser Kontakt-Werkstoff verfügt über ein ausgeprägtes Richtgefüge, siehe Figur 2, mit Stengelkristallen aus Chrom in einer Matrix aus Kupfer. Die Stengelkristalle sind parallel zur Fließpressrichtung X und damit senkrecht zur Schaltfläche F angeordnet. Sie haben eine Länge von bis zu 2 mm und einen Durchmesser von bis zu 60 µ m.

[0050] Das Schalten im Neuzustand der Kontaktstücke unter extrem hoher Beanspruchung wirkt sich entscheidend auf die Bildung von Fehlern auf der Oberfläche F der Kontaktstücke und somit auf das weitere Schaltverhalten der Kontakte aus. Lichtbogen oder extrem hohe Stromdichten bei geringer Kontaktierungsfläche, gefolgt von starker Erwärmung bis hin zum Aufschmelzen, können zum partiellen Verschweißen der Kontaktoberflächen der Kontaktstücke führen. Beim Verschweißen kommt es zur Ausbildung einer Schaltgefügeschicht an der Kontaktoberfläche. Diese Schaltgefügeschicht ist, je nach Energie und Abkühlungsgeschwindigkeit, ein mehr oder weniger homogenes Gemisch aus Kupfer und Chrom bis hin zur Legierung. Ausreichend große mechanische Scher- und Zugkräfte führen beim Ausschalten ohne Strom zum Aufbruch der Verschweißung und makroskopisch sind dann Schweißpunkte erkennbar. Bei aus einem Kupfer-Chrom-Sinterkörper mit Cu Cr 60/40 hergestellten Kontaktstück mit annähernd kugelförmigen isotrop verteilten Chromkörnern aus elektrolytischem Chrom zeigen die metallographischen Untersuchungen, siehe Figur 3, dass sich eine Schaltgefügeschicht S von etwa 0,4 mm Dicke ausbildet, die jedoch an vielen Stellen noch senkrecht zur Oberfläche gerissen ist bis hin zum ursprünglichen Kontaktwerkstoff. Dadurch wird die Haftung zwischen Schaltgefügeschciht und dem Kontaktwerkstoff unterbrochen und abplatzende Partikel können beim Schalten zu Ausschaltfehlern führen. Bei verformten Kupfer-Chrom-Werkstoffen mit stengelförmigen Chromteilchen gemäß der Erfindung, Figur 2, die senkrecht zur Kontaktoberfläche F verlaufen, wird hingegen eine ebene sehr dünne Schaltgefügeschicht S, siehe Figur 4, von nur 0,1 mm Dicke ausgebildet. Diese Schaltgefügeschicht ist duktil und haftet vollständig auf dem Kontaktwerkstoff ohne Ausbildung von Rissen und Poren. Sie zeigt ein anderes Bruchbild, da die Zugfestigkeit eines Chrom-Kupfer-Kontaktstückes gemäß Figur 2, längs der Chromstengel wesentlich höher, bis zu 30 % und mehr, als senkrecht dazu ist. Die Kontakte brechen folglich, wenn die Rückstellkraft des Gerätes größer ist als die Kraft der Verschweißung notwendig ist , unmittelbar an der Kontaktoberfläche parallel zur Verschweißung auf und die Kontaktoberfläche bleibt makroskopisch eben. Deswegen ist Lichtbogenbildung in Folge von makroskopischen Unebenheiten bei nachfolgender Schaltung bei den erfindungsgemäßen Kontaktstücken nicht zu erwarten.

[0051] Die Ausbildung von Rissen oder Poren wird dank der Chromstengel, die nur kleine punktförmige Flächen an der Kontaktoberfläche bilden, vermieden. Die thermische und elektrische Leitfähigkeit wird durch die dünne Schicht des sich bildenden Schaltgefüges nur gering verschlechtert. Eine schnellere thermische Abkühlung führt zur Ausbildung einer feineren Gefügestruktur in dieser Schaltgefügeschicht und bewirkt eine geringere Schweißkraft. Der elektrische Strom fließt ohne Behinderung, Poren oder Risse und somit homogener Stromdichte auf direktem Weg von der Schaltgefügeschicht in den Grundwerkstoff, d. h. in das Kontaktstück. Im Kontaktwerkstoff kann er fast ungestört entlang der Kupferbahnen fließen, dies wird auch durch die erhöhte elektrische Leitfähigkeit in Streckrichtung belegt. Der Abbrand an der Kontaktoberfläche ist aufgrund der als Sperrschicht wirkenden sich in Benutzung des Kontaktstückes ausbildenden Schaltgefügeschicht gering, was zur deutlichen Erhöhung der Lebensdauer führt. Infolge der langgestreckten Chromstengel verstärkt sich der Werkstoffverbund des Kontaktwerkstoffes. Einerseits ist ausreichend Chrom an der Oberfläche vorhanden, um einem Schweißen entgegenzuwirken, andererseits kann jedoch durch ausreichend Kupfer der elektrische Strom auf direktem Wege hoher Leitfähigkeit durch den Kontaktwerkstoff fließen.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Kontaktwerkstoffes aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom in Form eines Halbzeuges, aus dem einzelne Kontaktstücke für den Einsatz in Vakuumschaltgeräten konfektioniert werden,
mit folgenden Verfahrensschritten:

- Chrompulver in einer dem Chromgehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes entsprechenden Menge oder eine Mischung aus Chrompulver in einer dem Chromgehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes entsprechenden Menge und Kupferpulver in einer in Bezug auf den Kupfergehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes um 5 bis 15 Gew.-% geringeren Menge wird unter Anwendung von Drücken zwischen 200 und 1000 Mpa zu einem porösen Pressling verpresst, der eine 75 bis 90 % der theoretischen Dichte entsprechende Dichte aufweist,

- der poröse Pressling wird mit einer mindestens der an dem Kupfergehalt des herzustellenden Kontaktwerkstoffes fehlenden Menge an Kupfer bedeckt,

- danach wird der mit Kupfer bedeckte Pressling im Hochvakuum auf eine Temperatur bis zum oder über den Schmelzpunkt des Kupfers hinaus aufgeheizt, wobei der Pressling zu einem Chrom-Matrix-Sinterkörper oder Kupfer-Chrom-Matrix-Sinterkörper sintert und gleichzeitig die entstehenden Chrom-Matrix-Sinterkörper oder Kupfer-Chrom-Matrix-Sinterkörper von dem sich verflüssigenden, den Pressling bedeckenden Kupfer getränkt werden,

- und ein kupfergetränkter Chrom-Sinterkörper oder kupfergetränkter Kupfer-Chrom-Sinterkörper mit einem gegenüber dem Pressling erhöhten Kupfergehalt und einer 96 bis 98 % der theoretischen Dichte entsprechenden Dichte erhalten wird,

- und der erhaltene kupfergetränkte Chrom-Sinterkörper oder kupfergetränkte Kupfer-Chrom-Sinterkörper anschließend zu einem den Kontaktwerkstoff bildenden Halbzeug durch Fließpressen in einer Streckrichtung verformt wird, wobei die Chrom-Körner in den Sinterkörpern in der Streckrichtung zu Chromstengeln ausgezogen werden und ein langgestrecktes Richtgefüge bilden und wobei der Umformungsgrad der Sinterkörper mindestens 30 % beträgt,

- und ein Kontaktwerkstoff-Halbzeug mit einem Richtgefüge und mit einer mindestens 99 %, insbesondere 99,5 bis 99,9 % der theoretischen Dichte entsprechenden Dichte erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kupfergetränkte Chrom-Sinterkörper bzw. der Kupfer-Chrom-Sinterkörper kalt oder warm mit einem mindestens 50 % betragenden Umformungsgrad verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des kupfergetränkten Chrom-Sinterkörpers bzw. Kupfer-Chrom-Sinterkörpers durch Strangpressen oder Schmieden oder Walzen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Chrompulver ein elektrolytisch gewonnenes hochreines Chrompulver mit einem Reinheitsgrad von 99,8 % oder mehr eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Chrompulver mit einer Körnung bzw. mit einem Körnungsgemisch größer 50 µm bis zu kleiner 160 µm eingesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Presslinge, die nur Chrompulver enthalten, mit einer Menge an Kupfer abgedeckt werden, die zum Herstellen eines Kontaktwerkstoffes mit mindestens 50 Gew-% Chrom ausreicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kontaktwerkstoff-Halbzeug Kontaktstücke quer zur Streckrichtung des Halbzeuges abgeteilt werden, so dass die Kontaktoberfläche sich senkrecht zur Streckrichtung erstreckt.

8. Pulvermetallurgischer Kontaktwerkstoff für Kontaktstücke von Vakuumschaltgeräten aus Kupfer und Chrom im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.- % Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff eine Dichte von mindestens 99 % der theoretischen Dichte aufweist und ein durch Kalt- oder Warmverformung in einer Streckrichtung erhaltenes Richtgefüge aufweist, wobei die Chrompulverteilchen zu Chromstengeln langgestreckt sind und in einer Matrix aus Kupfer, das zu langgestreckten Kupferbahnen verformt ist, eingebettet sind, wobei die elektrische Leitfähigkeit parallel zur Streckrichtung mindestens 10 % höher ist als senkrecht zur Streckrichtung und die Zugfestigkeit parallel zur Streckrichtung mindestens 10 % höher als senkrecht zur Streckrichtung ist.

9. Pulvermetallurgischer Kontaktwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Gehalt von 55 bis 62 Gew.-% Kupfer und einem Umformungsgrad von mindestens 70 % die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktwerkstoffes parallel zur Streckrichtung bei 45 % der elektrischen Leitfähigkeit des reinen Kupfers liegt und die Zugfestigkeit in Streckrichtung mindestens 550 N/mm² beträgt.

10. Kontaktstück für Vakkumschaltgeräte aus einem pulvermetallurgischen Kontaktwerkstoff hergestellt aus Kupferpulver und Chrompulver im Verhältnis von 40 bis 75 Gew.-% Kupfer und 25 bis 60 Gew.-% Chrom, hergestellt durch Konfektionieren eines Kontaktwerkstoff-Halbzeuges, gekennzeichnet durch einen kupfergetränkten Sinterkörper mit einer Chrom-Matrix oder Kupfer-Chrom-Matrix, der in einer Streckrichtung kalt oder warm zu mindestens 30 % verformt ist und eine mindestens 99 %, insbesondere mehr als 99,4 % der theoretischen Dichte entsprechende Dichte aufweist, und dessen Kontaktoberfläche quer zur Streckrichtung ausgebildet ist und dessen Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit parallel zur Streckrichtung jeweils mindestens 10 % höher als quer zur Streckrichtung ist.

Zeichnung