Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes, sowie Kontaktstück für Nieder-, Mittel,- Hochspannungs- und Generatorschaltgeräte

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes, sowie Kontaktstücks für Nieder-, Mittel-, Hochspannungs- und Generatorschaltgeräte, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11. Um hierbei ein Herstellverfahren für Kontaktstücke der gattungsgemäßen Art noch wirtschaftlicher zu gestalten, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass im Kokillenguss-Herstellungsprozess das Kontaktstück endkonturnah gegossen wird, indem zunächst der Werkstoff in einem Tiegel geschmolzen und anschließend in eine metallische Kokille gegossen wird, in welche zuvor Stege eingebracht werden, wobei die Stege Schlitze hinterlassen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kontaktstückes, sowie Kontaktstück für Nieder-, Mittel-, Hochspannungs- und Generatorschaltgeräte, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 11.

[0002] Vielfach sind Nieder-, Mittelspannungs-, Hochspannungs- und Generatorschaltgeräte, mit Vakuumschaltkammern ausgerüstet. Dabei sind Vakuumschaltkammern bekannt, die mit einem Radialmagnetfeldkontaktsystem (RMF) ausgerüstet sind. Das radiale Magnetfeld wird über Spulensichelelemente generiert. Die Sichelelemente entstehen durch Schlitze, die in eine Kontaktstückplatte eingebracht sind.

[0003] Des Weiteren besteht die Möglichkeit, einen geschlitzten Kontakttopf einzusetzen, der das radiale Magnetfeld auf einer Kreisringfläche generiert. In einer Kontaktstückplatte können allerdings ebenfalls Schlitze erforderlich und eingebracht sein. Des Weiteren werden in der Regel auch beim Einsatz von AMF - Kontaktsystemen (AMF = Axialmagnetfeld) Schlitze in einer Kontaktplatte erforderlich.

[0004] Ein wesentlicher Vorteil von RMF -Kontaktsystemen ist der geringe Strombahnwiderstand der Gesamtanordnung unter Anwendung einer hinreichend großen Kontaktdruckkraft. Das ergibt ein einfaches System.

[0005] In der Regel werden RMF - Kontaktstücke mit einer Zylinderscheibenform eingesetzt, deren Außenkanten zur Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften verrundet sind.

[0006] Zur Aufprägung der äußeren Kontur und zum Einbringen der Schlitze werden Zerspanverfahren eingesetzt. Die Außengeometrie wird durch eine Drehzerspanung aufgebracht und die Schlitze in das Kontaktstück durch Sägen bzw. Fräsen eingebracht.

[0007] Das aktuelle Verfahren zum Einbringen der Schlitze ist ein zerspantechnisches Verfahren, eine Generierung der Schlitze erfolgt pro Kontaktstück. Dieses gilt auch für das Formen einer äußeren Kontaktgeometrie. Die spantechnische Generierung der Kontaktstückgeometrie ist naturgemäß mit entsprechenden Kosten verbunden.

[0008] Aus der DE 38 40 192 A1 ist eine Schaltkontaktanordnung für elektrische Vakuumschalter bekannt, dessen geschlitzte Kontaktstücke aus mehreren, aufeinandergelegten Scheiben aufgebaut sind. Dabei werden die einzelnen Scheiben durch Stanzen geschlitzt. Dabei soll für ein einwandfreies Stanzen die Materialstärke der Scheiben nicht größer als deren Schlitzbreite gewählt werden.

[0009] Ein Verfahren dieser Art ist jedoch erheblich aufwändig.

[0010] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Herstellverfahren für Kontaktstücke der gattungsgemäßen Art noch wirtschaftlicher zu gestalten.

[0011] Bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art wird dies erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

[0012] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.

[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken bzw. einer Kontaktplatte für Vakuumschaltkammern erfolgt so, dass die Kontaktstücke nach einem Kokillenguss - Herstellungsprozess endkonturnah zu einem Kontaktstück gegossen oder vergossen werden, indem zunächst der Werkstoff in einem Tiegel geschmolzen und anschließend in eine metallische Kokille gegossen wird, in welche zuvor Stege eingebracht werden, wobei die Stege Schlitze hinterlassen.

[0014] Bei diesem optimierten Verfahren, ist abschließend sowohl die Außengeometrie als auch die Schlitzgeometrie direkt bei einem Herstellungsschritt des Kontaktstückes mit in einen Rohling eingebracht.

[0015] Dabei können normal zur Oberfläche ausgerichtete Schlitze eingebracht werden als auch Schlitze, die unter einem Winkel zur Oberfläche orientiert sein sollen. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass Schlitze bis zum Außenumfang einer Ronde reichen als auch innerhalb dieser enden können.

[0016] Ziel dieser Überlegung ist die Herstellung eines Kontaktwerkstoffes ebenfalls aus KupferChrom als Haupverbundwerkstoff, jedoch nach einem schmelzmetallurgischen Verfahren. Durch diese Maßnahme kann auch eine Pulverherstellung CuCr vermieden werden, die "Elemente" werden im gewünschten Mischungsverhältnis bei sehr hohen Temperaturen (1900 - 2200°C) in einem keramischen Tiegel-geschmolzen. Dabei lösen sich die Elemente (Basis CuCr) vollständig ineinander. Anschließend wird die Schmelze unter einer Vakuumatmosphäre oder im Schutzgas in eine Kokille gegossen, so dass sich sehr hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreichen lassen. Wird eine Form gewählt, die nahe an der Endkontur des Kontaktstückes liegt (flüssig → fest → Raumtemperatur) und auch einen oder mehrere Stege aufweist, lassen sich Schlitze beim Verguss im Kontaktstück erzeugen. Nach diesem Verfahren lassen sich die Kosten zur mechanischen Generierung der Kontaktstückgeometrie zum Teil bzw. auch ganz vermieden. Eine weitere Kosteneinsparung wird durch die Verringerung des erforderlichen Materialeinsatzes gegenüber einer Vollscheibe erreicht, das Materialvolumen der Schlitze entfällt, wie auch ggf. das üblicherweise notwendige Übermaß für einen Rohling.

[0017] Es ist ausgestaltet, dass die Kokille beim Guss waagerecht, also liegend gehalten wird.

[0018] Eine Alternative ist dass die Kokille beim Guss vertikal, also stehend gehalten wird.

[0019] Dabei kommt es darauf an, wie das Kontakststück anschließend aus der Gussform ausgelöst werden soll.

[0020] Vorteilhaft ist, wenn der Guss unter einem Schutzgas Ar oder H₂ bzw. unter einer Vakuumatmosphäre in einem Ofen erfolgt, und der resultierende Verbundwerkstoff aus einer Werkstoffkombination Kupfer und Chrom besteht.

[0021] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Kontaktstück aus mindestens 2 Schichten bestehend nacheinander gegossen wird, indem mindestens eine abbrandfeste CuCr-Schicht als erste Schicht und mindestens eine weitere, zumindest aus reinen Kupferwerkstoff bestehende Schicht in dieselbe Kokille gegossen wird.

[0022] Vorteilhaft ist, dass die Kokille geteilt ist, und zum Auslösen des fertigen Kontaktstückes geöffnet wird.

[0023] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass zumindest bei einer Schicht eine Kombination mit weiteren Werkstoffen vorgesehen ist, die Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän, Platin, Zirkon, Yttrium oder Palladium beinhalten, neben z.B. Kupfer und / oder Silber.

[0024] Beim Vormischen der Komponenten in der flüssigen Phase ist es vorteilhaft, wenn die Chromkonzentration in der Verbundwerkstoffschicht zwischen > 0 bis 100 Gew.-% liegt, wobei beim Schmelzen des CuCr-Werkstoffes neben dem Kupferwerkstoff auch Chrom teilweise oder auch vollständig im Kupfer gelöst ist, so dass beim Guss in die Kokille eine sehr feinteilige Chromausscheidung aus der Kupfermatrix erfolgt.

[0025] Das führt insbesondere zusammen mit der erreichbaren hohen Abkühlgeschwindigkeit zu einer sehr feinen auch dendritischen, also verästelten Chromausscheidung bzw. feinteiligen Chromteilchenausscheidung.

[0026] Weiterhin ist ausgestaltet, dass nach dem Guss das Kontaktstück einer endabmessungsbezogenen Kalibrierpressung unterzogen wird. Hierdurch werden aufwändige Zerspanungsarbeiten überflüssig.

[0027] Dadurch, dass das Kontaktstück unter Wasserstoff reduziert bzw. durch Glühen unter einer HV-Atmosphäre nochmals entgast wird, entsteht eine homogene metallurgische Struktur und ausserdem wird ein erneutes Entgasen aus dem Konstaktstück im Fall eines hochbeanspruchenden Kurzschlusschaltvorganges verhindert, was die Vakuumkammer kontaminieren, d.h. das Vakuum darin verschlechtern würde, und somit die Vakuumkammer unbrauchbar machen könnte.

[0028] Ausserden ist ein Schaltgerät angegeben, dessen Kontaktstücke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Verfahrensansprüche hergestellt ist, und ohne weitere notwendige endabmessungserreichende Nachbearbeitung in eine Vakuumschaltkammer einbaubar ist.

[0029] Die Basis für abbrandfeste Kontaktstücke stellt in der Regel ein pulvermetallurgisch hergestellter Verbundwerkstoff aus den Pulverkomponenten Kupfer und Chrom dar, die nach einem Sinter- oder Sintertränkverfahren hergestellt werden. Des Weiteren kann das Kontaktstück durchgängig aus dem Werkstoff CuCr 25 bestehen aber auch zweischichtig ausgeführt sein. Vorzugsweise wird als zweite Schicht reines Kupfer für eine hohe Leitfähigkeit in dieser Schicht gewählt.

[0030] Die Herstellung eines einbaufertigen Kontaktstückes lässt sich in einem Ausführungsbeispiel dadurch erreichen, dass ein schmelzmetallurgischer Herstellungsprozess in der folgenden Weise gewählt wird:

In einem ersten Schritt Schmelzen:

[0031] In einen Schmelztiegel werden die Werkstoffe (oder "Elemente") im gewählten Verhältnis eingewogen. Die Werkstoffe können pulverförmig oder auch aus Kostengründen als Pellets in einen Tiegel (z.B. MgO / ZrO) eingelegt werden. Danach erfolgt das Schmelzen des Werkstoffes bzw. der Werkstoffe und im Fall des CuCr-Werkstoffes bis zum Ineinanderlösen der Elemente, eine vollständige Löslichkeit erhält man bei Temperaturen zwischen 1900 - 2200°C.

Einguss in eine Kokille:

[0032] Aus dem Tiegel wird das flüssige Metall in eine Kokille abgegossen. Dieses Verfahren wird in vielen Applikationen eingesetzt, auch zum Erreichen einer hohen Abkühlgeschwindigkeit. Vorteil einer sehr hohen Abkühlgeschwindigkeit ist, dass sich besonders beim CuCr in der Kupfermatrix das Chrom aufgrund der vorhandenen Mischungslücke (Phasendiagramm) sehr feinteilig ausscheidet. Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass die Schmelze in eine ebenfalls gekühlte Kokille gegossen wird, die die Außenkontur des Bauteiles und auch die Schlitzgeometrie in Form von Stegen in der Form aufweist. Durch die eingebrachten Stege lässt sich die Abkühlgeschwindigkeit (über den Querschnitt der Scheiben hinweg) weiter steigern. Es lässt sich durch diese Maßnahme neben der gewünschten Formgebung ein sehr feinkristalliner Werkstoff herstellen mit ebenfalls sehr feinen Chromteilchen (Dendriten) in der Kupfermatrix.

[0033] Nach einer Entnahme des Gussbauteils liegt ein Rohling vor, dessen Abmessungen nah an den Maßen der Konstruktionszeichnung liegt, jedoch muss das Werkzeug mit dem erforderlichen Schrumpfungszuschlag versehen sein. Die Auslegung des Werkzeuges und die Anzahl der Versuche lässt sich durch den Einsatz einer entsprechenden Berechnungssoftware zum Kokillenguss verkürzen, die einen großen Teil eines möglichen und ggf. auftretenden Verzuges z.B. beim nachfolgenden Erstarren der Schmelze im Vorfeld vorhersagen (z.B. Dichteunterschiede, die beim Gießen verbleiben, Segregation, Lunkerbildung, Poren, ...).

[0034] Der Herstellungsprozess kann wie gewohnt unter Vakuum oder Wasserstoff erfolgen. Jedoch kann / sollte bei der Herstellung eines einbaufertigen Kontaktstückes zumindest zwischenzeitlich eine reduzierende Atmosphäre vorliegen (Glühung). Nach diesem reduzierenden Prozessschritt kann ggf. zur Reduktion des H₂ Gasgehaltes im Werkstoff anschließend eine Vakuumglühung vorteilhaft sein.

Kalibrierpressen:

[0035] Sollte nach dem Kokillengussherstellungsverfahren ein Verzug des einbaufertigen Kontaktstückes vorliegen bzw. das vorgegebene Endmaß nicht erreichen lassen, so lässt sich das Kontaktstück in einem weiteren Pressverfahren kalibrieren und damit auf Endmaß bringen.

[0036] Dies lässt sich fertigungstechnisch im Ergebnis einfacher bewerkstelligen als eine Zerspanungsbearbeitung auf Endmaß.

[0037] Die Erfindung ist in einem Ausgestaltungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

[0038] Es zeigt:

Figur 1:

Kokille mit eingebrachter Kontaktstückkontur.

Figur 2:

Kokille mit eingebrachten Stegen.

Figur 3:

Kokille die stehend verwendet wird.

Figur 4:

zweiteilige Kokille.

[0039] Das beschriebene Verfahren wird mit einer nachfolgend dargestellten und beschriebenen Kokille vorgenommen.

[0040] Die Figur 1 zeigt die Kokille 1 mit der eingebrachten Kontur 2, die das Kontaktstück nach dem Gießvorgang als Außenkontur aufweisen soll. Darüber hinaus ist eine Erhebung 3 und es sind Stege 4 in der Kokille angeordnet, die nach einem Gießvorgang eine Bohrung und die gewünschten Schlitze in das gegossene Kontaktstück einbringen. Zum Erreichen einer hohen Abkühlgeschwingigkeit kann die Kokille 1 von außen gekühlt ausgeführt werden. Durch die eingebrachte Erhebung 3 und die Stege 4 wird die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze weiter erhöht.

[0041] Die Figur 2 zeigt die Kokille 1 mit den eingebrachten Stegen 2 im Querschnitt. Nach dem Gießvorgang weißt das Kontaktstück die Außenkontur als auch die Stege auf. Die Stege können so ausgeführt sein, dass sie durch das Kontaktstück hindurchragen.

[0042] Die Figur 3 zeigt eine Kokille 2, die senkrecht (oder unter einem Winkel) stehend angeordnet ist. Mit der eingebrachten Kontur 1 erhält das Kontaktstück nach dem Gießvorgang (Einguss der Schmelze durch eine Öffnung 5) seine Außenkontur. Darüber hinaus kann eine Erhebung 4 neben Stegen 3 angeordnet sein. Nach einem Gießvorgang erhält man eine Bohrung und die gewünschten Schlitze im Kontaktstück.

[0043] Ist die Kokille 2 nach Figur 3 zweiteilig ausgeführt, so lässt sich die Abkühlgeschwingigkeit weiter steigern. Gezeigt ist eine mittig geteilte Kokille, die ebenfalls von außen gekühlt ausgeführt sein kann. Durch die gute Wärmeleitung (kurze Steglängen bis zur Kokilleninnenwand) und die eingebrachte Erhebung 4 und die Stege 3 wird die Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze weiter erhöht.

[0044] Die Figur 4 zeigt die zweiteilige Kokille 2 im Querschnitt. Durch eine zwei oder mehrteilig ausgeführte Form lässt sich eine optimierte Wärmeleitung von der eingebrachten Schmelze auf die Innenkontur 3, 4 der Kokille 2 erreichen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Kontaktstücken bzw. einer Kontaktplatte für Vakuumschaltkammern, die nach einem Kokillenguss - Herstellungsprozess endkonturnah zu einem Kontaktstück vergossen werden, indem zunächst der Werkstoff in einem Tiegel geschmolzen und anschließend in eine metallische Kokille ggf. auch von außen gekühlte Kokille gegossen wird, in welche zuvor Stege eingebracht werden, wobei die Stege Schlitze im Kontaktstück hinterlassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kokille beim Guss waagerecht, also liegend gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kokille beim Guss vertikal, also stehend oder einem Winkel < 90° gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Guss unter einem Schutzgas Ar oder H₂ bzw. unter einer Vakuumatmosphäre in einem Ofen erfolgt, und der resultierende Verbundwerkstoff aus einer Werkstoffkombination Kupfer und Chrom besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktstück mindestens aus 2 Schichten bestehend nacheinander, gegossen wird, indem mindestens eine abbrandfeste CuCr-Schicht als erste Schicht und mindestens eine weitere, zumindest aus reinen Kupferwerkstoff bestehende Schicht in dieselbe Kokille gegossen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kokille geteilt ist, und zum Auslösen des fertigen Kontaktstückes geöffnet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest bei einer Schicht eine Kombination mit weiteren Werkstoffen wie Wolfram, Wolframcarbid, Molybdän, Platin, Zirkon, Yttrium oder Palladium vorgesehen sind, neben z.B. Kupfer und / oder Silber.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Chromkonzentration in der Verbundwerkstoffschicht zwischen > 0 bis 100 Gew.-% liegt, wobei beim Schmelzen des CuCr - Werkstoffes neben dem Kupferwerkstoff auch Chrom vollständig oder zum Teil im Kupfer gelöst ist, so dass beim Guss in die Kokille eine sehr feinteilige Chromausscheidung in der Kupfermatrix erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach dem Guss das Kontaktstück einer endabmessungsbezogenen Kalibrierpressung unterzogen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktstück unter Wasserstoff reduziert bzw. durch Glühen unter einer HV-Atmosphäre nochmals entgast wird.

11. Kontaktstück für eine Vakuumschaltkammer,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie nach einem oder mehreren der vorhergehenden Verfahrensansprüchen hergestellt ist, und ohne weitere notwendige endabmessungserreichende Nachbearbeitung in eine Vakuumschaltkammer einbaubar ist.

Zeichnung