DE3406535A1

DE3406535A1 - Pulvermetallurgisches verfahren zum herstellen von elektrischen kontaktstuecken aus einem kupfer-chrom-verbundwerkstoff fuer vakuumschalter

Info

Publication number: DE3406535A1
Application number: DE19843406535
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Dr. Frey; Norbert Dipl.-Ing. Klink (Fh); Karl Dipl.-Phys. Dr. 7530 Pforzheim Saeger
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3406535C2; JPS616218A; JPH0651892B2

Description

Beschreibung:
Gegenstand der Erfindung ist ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen von elektrischon Kontaktstükken aus einem Kupfer- Chrom- Verbundwerkstoff für Vakuumschalter.
Aus der DE-OS 23 46 179 ist es bereits bekannt, Kontaktstücke für Vakuumschalter dadurch herzustellen, daß man Chrompulver mit Pulverkorngrößen zwischen 10 um und 250 um sowie Kupferpulver miteinander mischt, aus der Pulvermischung durch Pressen Kontaktstück-Vorformlinge herstellt, die Vorformlinge in flüssiger oder fester Phase sintert und anschließend zum Erreichen einer relativen Dichte von wenigstens 98 % (Porosität kleiner als 2 %) durch Pressen nachverdichtet. Der Chromanteil in diesen Kontaktstücken liegt zwischen 40 und 65 Vol.-%, der Kupferanteil entsprechend zwischen 60 und 35 Vol.-%.
Aus der DE-OS 29 14 186 ist es ferner bekannt, Kontaktstücke für Vakuumschalter dadurch herzustellen, daß man Chrompulver mit Pulverkorngrößen zwischen 74 um und 150 um sowie Kupferpulver mit Korngrößen zwischen 35 um und 50 um miteinander mischt, aus der Pulvermischung Kontaktstück-Vorformlinge presst und diese Vorformlinge im Vakuum bei fester Phase sintert und dabei die Sintertemperatur so hoch sowie die Sinterdauer so lang wählt, daß eine relative Dichte von wenigstens 97 % entsprechend einer Porosität von nicht mehr als 3 % erreicht wird.
Der Anteil des Chroms liegt in diesen Kontaktstücken zwischen 10 und 40 Gew.-%, der Anteil des Kupfers entsprechend zwischen 90 und 60 Gew.-%.
Aus der DE-PS 28 22 956 ist es bekannt, Kontaktstücke für Vakuumschalter dadurch herziis I.' 1 1 , d,3 man Ctirompulver mit einer Pulverkorngröße unter 100 µm sowie Kupferpulver mit einer Pulverkorngröße größer als 5 um miteinander mischt, aus der Pulvermischung durch thermische Granulierung zunächst Chrom-Kupfer-Pellets herstellt, anschließend aus den Pellets durch Pressen Kontaktstück-Vorformlinge erzet und diese in Wasserstoffatmosphäre bei fester Phase sintert bis zum Erreichen einer relativen Dichte von wenigstens 90 , entsprechend einer Porosität von nicht mehr als 10 %.
Der Anteil des Chroms liegt bei diesen Kontaktstücken zwischen 20 und 80 Gew.-%, der Kupfergehalt entsprechend zwischen 80 und 20 Gew.-%.
Eine ganze Anzahl weiterer Veröffentlichungen befasst sich mit der Herstellung von Kontaktstücken für Vakuumschalter aus Kupfer und Chrom nach anderen Verfahren, nämlich durch Sintern von Kupfer-Chrom-Pulvermischungen bei flüssiger Phase, oder durch Tränken eines gesinterten Chromgerüstes mit einer Kupferschmelze, oder durch Einrühren von Chrompulver in eine Kupferschmelze. Diese Verfahren sollen hier nicht näher berücksichtigt werden, denn es hat sich gezeigt, daß die Herstellung der Kontaktstücke durch Sintern von KupTer-Chrom-Pulvermischungen bei fester Phase besonders t geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung befasst sich deshalb nur mit einem Verfahren, welches mit Sinterung bei fester Phase arbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen von elektrischen Kontaktstücken für Yakuumschala+r durch Sintern von Kupfer-Chrom-Pulvermischungen bei fester Phase herzustellen, welches zu Kontaktstücken mit optimalen Eigenschaften hinsichtlich Ausschaltvermögen, Abbrand, Spannungsfestigkeit und Sicherheit gegen Verschweißen führt. Diese Aufgabe wird gelegt diirch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 anggfwbenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Chrompulver werden üblicherweise durch einen Mahlprozess hergestellt. Die solcherart hergestellten Chrompulver besitzen üblicherweise eine Korngrößenverteilung, die einer Gauss'schen Verteilung ähnlich ist.
Bei den bekannten Herstellungsverfahren für Kupfer-Chrom-Kontaktstücke trennt man von dem Chrompulver, welches aus dem Mahlprozess hervorgegangen ist, die groben Pulverkörner oberhalb einer vorgegebenen Korngröße (DE-PS 28 22 956), in manchen Fällen auch die feinkörnigen Anteile unterhalb einer vorgegebenen Korngröße (DE-OS 29 14 186 und DE-OS 23 46 179) durch Sieben ab. Es ist sogar auch schon vorgeschlagen worden, eine mittlere Korngrößenfraktion auszusieben. In allen Fällen kann man jedoch die ursprüngliche Normalverteilung der Korngrößen im Pulver noch wiedererkennen, da von dieser Normalverteilung gleichsam nur gewisse Bereiche abgetrennt sind.
Erfindungsgemäß wird hingegen ein Chrompulver für die Herste-Ilung der Kontaktstück-Vorformlinge verwendet, welches die ursprüngliche Normalverteilung nicht mehr aufweist und nicht mehr erkennen lässt. Vielmehr wird eine einigermaßen ausgeglichene Korngrößenverteilung angestrebt, und dies erreicht man dadurch, daß man ein Chrompulver, welches in üblicher Weise durch einen Mahlprozess hergestellt wurde, durch Siebvorgänge in unterschiedliche Korngrößenfraktionen aufteilt und diese Fraktionen anschließend so mlLein,lrlder mischt, daß in der neuen Mischung eine einigermaßen gleichförmige Korngrößenverteilung vorliegt, d.h. daß die kleinen Korngrößen und die großen Korngrößen in der Mischung stärker vertreten sind als im Ausgangspulver mit der Gauss'schen Korngrößenverteilung. Wollte man eine ideal gleichmäßige Korngrößenverteilung erreichen, müsste man das ursprüngliche Chrompulver durch viele Siebvorgänge in sehr viele, entsprechend schmale Korngrößenfraktionen unterteilen und diese dann in bestimmten Verhältnissen wieder miteinander mischen. In der Praxis genügt es jedoch vollkommen, das durch Mahlen erhaltene Chrompulver in verhältnismäßig breite Korngrößenfraktionen zu unterteilen - und zwar wird erfindungsgemäß eine Unterteilung in jeweils 30 um breite Korngrößenfraktionen vorgeschlagen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene und sich vom Stand der Technik abhebende, verhältnismäßig gleichmäßige Korngrößenverteilung wirkt sich einerseits positiv auf eine geringe Verschweißneigung und andererseits positiv auf das Ausschaltvermögen und die Spannungsfestigkeit der Kontaktstücke aus und die einigermaßen gleichmäßige Korngrößenverteilung des Chroms bewirkt, daß sich die Eigenschaften der Kontaktstücke auch nach längerer Betriebsdauer, welche durch die Lichtbogeneinwirkung unvermeidbar das Gefüge bzw. die Oberfläche der Kontaktstücke beeinflußt, nicht gravierend verändern.
Als besonders geeignet hat sich die Pulverkorngrößenverteilung erwiesen, welche im Patentanspruch 2 wieder gegeben ist. Die Pulvermischung, aus welcher die Kontaktstück-Vorformlinge hergestellt werden, enthalten vorzugsweise zwischen 35 und 40 Gew.-t, Chrom, der Rest entfällt auf Kupfer.
Die Auswahl der Körnung ist beim Kupferpulver weit weniger kritisch als beim Chrompulver. Zweckmäßigerweise verwendet man ein feinkörniges Kupferpulver, dessen mittlere Korngröße kleiner als 5 um ist.
Hat man Kupferpulver und Chrompulver in den vorgesehenen Anteilen miteinander gründlich vermischt, dann stellt man daraus durch Pressen die Kontaktstück-Vorformlinge her. Zweckmäßigerweise werden die Pulver kalt verpresst, um dem Chrom keine Gelegenheit zu geben, zu oxidieren. Die Höhe des Pressdruckes richtet sich nach der Dichte, welche die Vorformlinge erreichen sollen. Einerseits soll die Dichte der Vorformlinge so hoch sein, daß im nachfolgenden Sinterprozess die angestrebte relative Dichte zwischen 93 % und 97 % ohne zu lange Sinterzeiten erreicht wird. Andererseits muß die Dichte der Vorformlinge so niedrig bleiben, daß die Vorformlinge während des Sintervorganges noch entgasen und das Kupfer - soweit es oxidiert war - noch reduziert werden kann.
Es sollte angestrebt werden, daß die Vorformlinge eine relative Dichte zwischen 75 % und 85 % aufweisen, bezogen auf die theoretisch erreichbare maximale Dichte des Kupfer-Chrom-Werkstoffs (die maximale Dichte ist erreicht, wenn das Kontaktstück kein Porenvolumen mehr aufweist).
Durch den nachfolgenden Sintervorgang sollen die Vorformlinge eine relative Dichte zwischen 93 % und 97 % erreichen. Mit dieser Vorschrift vollzieht die Erfindung eine gewisse Abkehr von dem, was in der Fachwelt bisher für nötig erachtet worden war: Bisher war man nämlich der Meinung, daß die Eigenschaften von Kupfer-Chrom-Kontaktstücken umso vorteilhafter seien,je höher deren relative Dichte sei. Deshalb hat man sich auch bislang stets um eine möglichst hohe Dichte der Kontaktstücke bemüht (vergl. DE-OS 29 14 186: mindestens 97 %; DE-OS 23 46 179: mindestens 98 %), und da man durch einen Sintervorgang allein besonders hohe Dichten schwer erreichen kann, hat man bislang die gesinterten Vorformlinge regelmäßig durch Heißpressen nachverdichtet, um die angestrebte hohe Dichte zu erreichen. Die Erfinder haben doch festqestellt, daß man optimale Eigenschaften von Kupfer-Chrom-Kontaktstücken bereits bei niedrigerer Dichte erreichen kann, wenn man die erfindungsgemäße Vorschrift für die Wahl der Kornverteilung des Chrompulvers befolgt und durch geeignetes thermisches Nachbehandeln der Kontaktstücke dafür Sorge trägt, daß die sich im Kupfer ausscheidenden Chrompartikel kleiner als 1 um bleiben.
Die relativen Dichten zwischen 93 % und 97 %, welche erfindungsgemäß erreicht werden sollen, können durch Sintern der kalt gepressten Vorformlinge erreicht werden und erfordern kein Nachverdichten durch Heißpressen. Gleichwohl könnte jedoch an den Sintervorgang ein Nachverdichten durch Heißpressen angeschlossen werden, wenn die Sinterbedingungen so gewählt wurden, daß die für das Kontaktstück angestrebte relative Dichte durch den Sintervorgang noch nicht erreicht wurde.
Das Sintern soll bei fester Phase durchgeführt werden, d.h.,unterhalb der Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Komponente (Kupfer). Vorzugsweise soll das Sintern bei Temperaturen zwischen 1030"C und 1070"C erfolgen. Die Sinterdauer hängt von der gewählten Sintertemperatur ab: Je höher man die Sintertemperatur wählt, mit desto geringerer Sinterdauer kommt man aus. Die Chrom-Pulverkörner, welche aus dem Mahlprozess h'rvorgehen, haben eine sehr unregelmäßige, vielfach gezackte Gestalt.Man hat beobachtet, daß durch den Sintervorgang die Zacken des Chromkorns fortschreitend ausgeglichen werden. Die Erfinder empfehlen, die Parameter des Sintervorganges (Sintertemperatur und Sinterdauer) so zu wählen, daß das Chromkorn durch den Sintervorgang in seiner Gestalt möglichst wenig verändert wird. Nach den Erfahrungen der Erfinder ist dies von erheblicher Bedeutung für die positiven Eigenschaften des Kontaktstükkes. Während des Sintervorganges sollen die Vorformlinge reduziert werden. Deshalb sollte der Sintervorgang wenigstens zeitweise unter Wasserstoff ablaufen.
Vorzugsweise hält man die Vorformlinge nur während der Aufheizphase unter Wasserstoff, während man den eigentlichen Sintervorgang bei Temperaturen zwischen 10300C und 1070"C im Vakuum ablaufen lässt, wodurch ein Entgasen der Vorformlinge ermöglicht wird.
Chrom ist nur in geringen Mengen in Kupfer löslich; bei den angegebenen Sintertemperaturen liegt die maximale Löslichkeit etwa bei 0,8 Gew.-%. Mit ahnehmender Temperatur fällt die Löslichkeit des Chroms im Kupfer ab. Daraus folgt, daß beim Abkühlen der Vorformlinge das im Verlauf des vorangegangenen Sintervorgangs im Kupfer gelöste Chrom teilweise ausgeschieden wird. Durch geeignete thermische Nachbehandlung soll nun dafür gesorgt werden, daß die im Kupfer ausgeschiedenen Chrompartikel kleiner als 1 um sind. Eine derart feine Ausscheidung des Chroms ist durch eine sehr rasche Abkühlung der Kontaktstücke erreichbar. Um das zu rzl n, könnte man bei Ablauf der vorgesehenen Sinterdauer in den Sinterofen ein kaltes Schutzgas, insbesondere Wasserstoff einblasen. Im Hinblick auf die hohe Wärmekapazität des Sinterofens ist es jedoch günstiger, die Kontaktstücke im Sinterofen - wie bei Sinterprozessen allgemein üblich - allmählich abkühlen zu lassen und sie stattdessen nach der Entnahme aus dem Sinterofen einer Nachbehandlung durch Lösungsglühen in Schutzgas, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 960"C und 10300C unter Wasserstoff und anschließendes Abschrecken zu unterziehen. Das Abschrecken kann dadurch erfolgen, daß man die mit Abschluß des Lösungsglühvorgangs aus einem Durchlaufofen kommenden Kontaktstücke auf eine gekühlte Metallplatte aufschiebt und dabei mit kaltem Schutzgas anbläst.
Eine hochwirksame Kühlung der Metallplatte kann z.B.
durch flüssigen Stickstoff erfolgen.
Nachfolgend werden noch besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben: Es wird ein Chrompulver hergestellt durch ein Mischen von ausgewählten Korngrößenfraktionen in den nachstehend angegebenen Anteilen: von 0 um bis zu 30 um: 10 Gew.-% von 30 um bis zu 60 um: 15 Gew.-% von 60 um bis zu 90 um: 15 Gew.-% von 90 um bis zu 120 um: 15 Gew.-% von 120 um bis zu 150 um: 15 Gew.-% von 150 um bis zu 180 um: 15 Gew.-% von 180 um bis zu 200 um: 15 Gew.-% 100 Gew.-% Diese Chrompulvermischung besitzt eine mittlere Pulverkorngröße von ungefähr 110 um. 35 Gewichtsteile dieser Chrompulvermischung und 65 Gewichtsteile eines feinkörnigen Kupferpulvers mit einer mittleren Korngröße von nicht mehr als 5 um werden ca. 1 Stunde lang intensiv miteinander vermischt und ohne Zusätze kalt zu Vorformlingen verpresst, die eine relative Dichte von ungefähr 80% (entsprechend einem Porenvolumen von 20%) aufweisen. Der dazu benötigte Pressdruck beträgt zwischen 5500 bar und 6500 bar (550 bis 650 MN/m2).
Die so erzeugten Vorformlinge worden in vinpn Sinterofen überführt, in diesem unter Wassrf,to1f (3uf eine zwischen 1030"C und 10700C liegende Sintertemperatur aufgeheizt und anschließend bei dieser Temperatur für die Dauer von 2 Stunden gehalten und dnschließend durch Abschalten der Heizung des Sinterofens allmählich abgekühlt. Die gesinterten Kontaktstücke weisen eine relative Dichte von ungefähr 95 % auf. Sie werden nach der Entnahme aus dem Sinterofen in einem Durchlaufofen einer Nachbehandlung durch Lösungsglühen unter Wasserstoff bei einer Temperatur von 1000"C unterzogen, und zwar für die Dauer von 1 Stunde. Anschließend werden die Kontaktstücke abgeschreckt, indem sie-aus dem Durchlaufofen kommend - unter Einwirkung einer kalten Wasserstoffdusche auf eine gekühlte Metallplatte aufgeschoben werden.
II.
In einer Abwandlung des beschriebenen Verfahrens wird die Dauer des Sintervorgangs abgekürzt auf einen 7rEitraum von 30 Minuten. Die gesinterten Kontaktstücke weisen dann eine relative Dichte von nur ungefähr 90 % auf.
Sie werden deshalb durch kurzzeitiges heiß-isostatisches Pressen bei einer Temperatur von 10000C sowie unter einem Druck von 200 bar (= 20 MN/m2) nachverdichtet und erreichen dadurch eine relative Dichte von ebenfalls 95 %. Im übrigen läuft das Verfahren ab wie im ersten Beispiel angegeben. Die durch das abgewandelte Verfahren erzeugten Kontaktstücke unterscheiden sich von denen des zuerst angegebenen Verfahrens dadurch, daß infolge des verkürzten Sintervorgangs das Chromkorn in den Kontaktstücken noch eine stärker gezackte Gestalt beibehalten hat.

Claims

Pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen von elektrischen Kontaktstücken aus einem Kupfer-Chrom-Verbundwerkstoff für Vakuumschalter Patentansprüche: 1. Pulvermetallurgisches Verfahren zum Herstellen von elektrischen Kontaktstücken aus einem Kupfer-Chrom-Verbundwerkstoff für Vakuumschalter, gekennzeichnet durch die Abfolge der nachstehenden Verfahrensschritte: a) Herstellen einer Mischung aus 20 bis 70 Gew.-% Kupferpulver und 30 bis 80 Gew.-% Chrompulver, wobei das Chrompulver Pulverkorngrößen zwischen 0 und höchstens 210 um sowie eine Pulverkorngrößenverteilung aufweist, die durch annähernd gleiche, auf die Breite der jeweiligen Fraktion normierte Anteile in den Korngrößenfraktionen von 0 bis 30 um, von 30 bis 60 um, von 60 bis 90 um, von 90 bis 120 um, von 120 bis 150 um, von 150 bis 180 um und von 180 I)lf 210 um sowie durch eine zwischen 100 um und 120 um liegende mittlere Pulverkorngröße gekennzeichnet ist; b) Pressen von Kontaktstück-Vorformlingen aus der Pulvermischung; c) Sintern der Vorformlinge in fester Phase, d.h. bei einer unterhalb der Schmelztemperatur von Kupfer liegenden Temperatur bis zum Erreichen einer relativen Dichte zwischen 93 % und 97 % bezogen auf die theoretisch erreichbare maximale Dichte; d) Thermisches Nachbehandeln der Kontaktstücke derart, daß die sich im Kupfer ausscheidenden Chrompartikel kleiner als 1 um (Durchmesser) bleiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Chrompulver die folonde Pulverkorngrößenverteilung aufweist.
von 0 um bis zu 30 um: 10 Gew.-% von 30 um bis zu 60 um: 15 Gew.-% von 60 um bis zu 90 um: 15 Gew.-% von 90 um bis zu 120 um: 15 Gew.-% von 120 um bis zu 150 um: 15 Gew.-% von 150 um bis zu 180 um: 15 Gew.-% von 180 um bis zu 210 µm: 15 Gpw.-% 100 Gew.-% 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, durch gekennzeichnet, daß die mittlere Pulverkorngröl3e des verwendeten Kupferpulvers kleiner als 5 um ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlin(Je durch Kaltpressen erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer-Chrom-Pulvermischung mit einem solchen Druck verpreßt wird, daß die Vorformlinge eine relative Dichte zwischen 75 % und 85 %, vorzugsweise von 80 %, bezogen auf die theoretisch erreichbare maximale Dichte, erreichen.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge t Temperaturen zwischen 1030° C und 1070" C gesintert werden.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge im Vakuum gesintert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorformlinge während der Erwärmungsphase zeitweise in reduzierender Atmosphäre ohalten werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstücke durch Lösunysglühen in Schutzgas und anscließendes Abschrecken nachbehandelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsglühen hei Temperaturen zwischen 9600C und 1030"C unter Wasserstoff erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung zwischen 35 Gew.-% und 50 Gew.-% Chrom, Rest Kupfer enthält.