DE19841582A1 - Verwendung einer Kupfer-Chrom-Legierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Chrom-Legierung, bestehend aus 10 bis 50% Chrom, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als Kontaktwerkstoff in Vakuum-Leistungsschaltern. DOLLAR A Gegenüber einem bisher pulvermetallurgisch hergestellten Kontaktwerkstoff bietet die Herstellung nach dem Sprühkompaktier-Verfahren besondere Vorteile.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Chrom-Legierung als Kontaktwerkstoff in Vakuum-Lei­ stungsschaltern.

Zum Überlastungsschutz in der elektrischen Mittelspannungs­ technik (1 bis 36 kV) finden sogenannte Vakuum-Leistungsschal­ ter Verwendung (vgl. beispielsweise den Abschnitt 8.4.1.2- Vakuumleistungsschalter - und das Bild 8.17 auf den S. 211 bis 213 des Buches "Werkstoffe für elektrische Kontakte und ihre Anwendungen" von K.-H. Schröder et al., expert-Verlag, 1992). Bei diesen Schaltern werden im Überlastungsfall zwei Kontakte im Vakuum auseinandergezogen. Dabei entsteht ein Lichtbogen, bei dem nahezu ausschließlich Metalldampf als Ladungsträger zur Verfügung steht (Metalldampfbogen). Die Zeitdauer, für die der Lichtbogen existiert, hängt u. a. davon ab, in welchem Phasenabschnitt des Wechselstromverlaufs die Trennung der Kontakte erfolgt. Das Kontaktmaterial hat dabei zwei Hauptfunktionen: Zum einen soll auch nach einer Vielzahl von Schaltvorgängen gewährleistet sein, daß spätestens beim nächsten Stromnulldurchgang dieser Lichtbogen abreißt, so daß er maximal für eine halbe Periodendauer existieren kann (Aus­ schaltvermögen). Andererseits darf der Lichtbogen nicht zu früh vor dem Stromnulldurchgang abreißen, da sonst Überspan­ nungen im Netz induziert werden.

Im einzelnen ergeben sich folgende Anforderungen an den Kon­ taktwerkstoff:

1. Hohes Ausschaltvermögen.

Damit auch nach einer hohen Anzahl von Schaltvorgängen gewährleistet ist, daß der Lichtbogen spätestens beim nächsten Stromnulldurchgang nach Öffnen des Schalters abreißt und nicht erneut entsteht, muß die Oberfläche des Kontaktbauteils möglichst eben sein. Reines Kupfer würde aufgrund von Ausdampfungen durch den Lichtbogen Krater in der Oberfläche aufweisen, so daß das elektrische Feld zwischen den Kontakten inhomogen wird. An Oberflächen­ erhebungen können so lokale Feldstärkeerhöhungen auftre­ ten, die das Abreißen des Lichtbogens erschweren.

2. Niedriger "Chopping-Level".

Der Abriß des Lichtbogens erfolgt nicht genau beim Null­ durchgang, sondern bereits bei einer werkstoffspezifi­ schen Reststromstärke ("Chopping-Level"). Je höher diese Abrißstromstärke ist, desto höher ist die Gefahr von Überspannungen in induktiven Stromkreisen. Angestrebt werden möglichst kleine Abrißstromstärken.

3. Geringe Kontakterwärmung.

Aufgrund der extremen Temperaturbelastung durch den Lichtbogen ist eine ausreichende Verdampfungsenthalpie des verdampfenden Kontaktmaterials vorzusehen. Je höher diese Verdampfungsenthalpie ist, desto größer ist die Kühlwirkung für das Kontaktmaterial.

Diese Anforderungen werden hinreichend durch Werkstoffe aus CuCr-Legierungen erfüllt, in denen homogen verteilte Cr-halti­ ge Phasen dispers in einer Cu-Matrix eingebettet sind. Diese Cr-Ausscheidungen wirken aufgrund ihres hohen Schmelzpunktes formstabilisierend auf den Kontaktkörper, da sie bei Verdamp­ fung der Cu-Phase durch den Lichtbogen als "Skelett" zurück­ bleiben (hohes Ausschaltvermögen). Gleichzeitig senken die Cr- Ausscheidungen die Lichtbogenabrißstromstärke ("Chopping- Level") von Werten zwischen 10 und 15 A bei reinem Cu auf Werte deutlich unter 10 A. Der hohe Cu-Anteil im Matrixwerk­ stoff gewährleistet eine ausreichende elektrische Leitfähig­ keit. Die hohe Verdampfungsenthalpie von Cu wirkt ausreichend kühlend auf den gesamten Kontaktkörper.

Da sich Legierungen mit hohen Cr-Gehalten bei Erstarrungs­ prozessen aus der Schmelze extrem seigerungsanfällig verhal­ ten, sind die oben beschriebenen Werkstoffe zur Verwendung in Vakuum-Leistungsschaltern nicht mit üblichen Kokillen-Gieß­ verfahren herzustellen. Eine homogene und feine Verteilung von Cr-Phasen wäre so nicht zu erzielen.

Nach dem heutigen Stand der Technik wird dieses Problem da­ durch gelöst, daß diese Kontaktbauteile pulvermetallurgisch aus Metallpulvergemischen durch Pressen mit Sintervorgang sowie spanender Endbearbeitung gefertigt werden. Diese so gefertigten Bauteile weisen jedoch eine inhomogene Verteilung der Cr-Partikel auf, deren Größe und Streuung mit Durchmessern von ca 80 bis ca 120 µm sehr groß ist. Dies beeinflußt das Ausschaltvermögen nachteilig. Schon die Prozesse des Pulver­ handlings, der Pulveraufbewahrung, der -dosierung und -förde­ rung sowie insbesondere des Pulvermischens, sind verfahrens­ technisch als sehr aufwendig einzustufen. Hinzu kommt, daß jedes Kontaktbauteil einzeln durch den pulvermetallurgischen Sintervorgang urgeformt werden muß. Wünschenswert ist ein mehr an die klassische Halbzeugfertigung angelehnter Herstellungs­ prozeß, bei dem das Kontaktbauteil aus einem Stangen- oder Rohrhalbzeug in großen Stückzahlen effektiv gefertigt werden kann.

Es stellt sich daher für die vorliegende Erfindung die Auf­ gabe, einen Werkstoff für oben genannte Kontaktbauteile vor­ zuschlagen, der eine homogenere und feinere Partikelverteilung aufweist und durch den der fertigungstechnische Aufwand der pulvermetallurgischen Herstellung umgangen wird, so daß die effektivere und kostengünstigere Halbzeugfertigung von Rohren oder Stangen möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Chrom-Legierung gelöst, die aus 10 bis 50% Chrom, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen besteht (die Prozentangabe bezieht sich auf das Gewicht).

Der Urformprozeß für den Kontaktwerkstoff erfolgt damit durch Sprühkompaktieren (vgl. den sogenannten "OSPREY"-Prozeß bei­ spielsweise nach den GB-PSen 1.379.261/1.599.392 oder EPS 0.225.732).

Als Vorform bieten sich Bolzen an, die durch Strangpressen zu Rohren oder Stangen warmumgeformt werden. Nach ggf. einer Kaltumformung (z. B. Richten) und Wärmebehandlung werden die Kontaktbauteile spanend gefertigt.

Trotz dieses gegenüber dem bisherigen Verfahren sehr verein­ fachten Fertigungsganges weisen die Kontaktbauteile aus sprüh­ kompaktiertem Vormaterial im Vergleich zu pulvermetallurgisch gefertigten Kontakten ebenbürtige, z. T. sogar überragende Eigenschaften auf. Erprobungen brachten ein verbessertes Ausschaltvermögen zutage, das auf die feineren und homogener verteilten Cr-Ausscheidungen und der damit verbundenen, ver­ besserten Formstabilität der Kontaktfläche zurückzuführen ist. Auch "Chopping-Level", elektrische Leitfähigkeit und Kontakt­ erwärmung genügen den Anforderungen und stehen den Eigenschaf­ ten der herkömmlichen, pulvermetallurgisch hergestellten Kontaktkörpern um nichts nach.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich nach den Ansprüchen 2 bis 6.

Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Das Sprühkompaktieren einer CuCr-Schmelze mit einem Cr-Anteil von 25 Gewichts-% erfolgte auf einen Bolzendurchmesser von 210 mm, Länge: 240 mm. Der Bolzen wurde nach Überdrehen und Sägen (∅ 200 mm × 200 mm) bei 750°C durch Strangpressen zu einem Rohr der Abmessung ∅ 60 mm × ∅ 35 mm × 2000 mm gepreßt. Die anschließende Drehbearbeitung zu Kontaktringen (∅ 59 mm × ∅ 36 mm × 3 mm) erfolgte direkt aus dem Preßrohr. Der Kontakt­ ring zeigte eine elektrische Leitfähigkeit von 25 MS/m und eine Härte von HB 105. Die Cr-Ausscheidungen lagen homogen verteilt mit Durchmessern von 10 etwa µm vor. Eine Wärmebe­ handlung war nicht erforderlich.

Claims (6)

1. Verwendung einer sprühkompaktierten Kupfer-Chrom-Legie­ rung, bestehend aus 10 bis 50% Chrom, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als Kontaktwerkstoff in Vakuum-Leistungsschaltern.

2. Verwendung einer Kupfer-Chrom-Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 25 bis 50% Chrom, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Kupfer-Chrom-Legierung nach Anspruch 1 oder 2 mit maximalen Gasgehalten von 4 ppm für H₂, 80 ppm für N₂ und 2000 ppm für O₂ für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Kupfer-Chrom-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die eine Brinellhärte HB < 100 aufweist, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Kupfer-Chrom-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, die eine elektrische Leitfähigkeit von 22 bis 35 MS/m aufweist, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung einer Kupfer-Chrom-Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der Durch­ messer der chromhaltigen Ausscheidungen < 50 µm, vorzugs­ weise etwa 10 µm, beträgt, für den Zweck nach Anspruch 1.