DE3505303A1 - Kontakt fuer einen vakuum-leistungsschalter - Google Patents
Kontakt fuer einen vakuum-leistungsschalterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kontakt für einen Vakuum-Leistungsschalter
mit ausgezeichneten Eigenschaften hinsichtlich der Durchschlagspannung. Vakuum-Leistungsschalter werden
zunehmend eingesetzt wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie Wartungsfreiheit und fehlender Umweltbelastung
und wegen der ausgezeichneten Leistungsschalteigenschaften. Die Eigenschaften von Vakuum-Leistungsschaltern hängen in
hohem Maße von den für den Kontakt verwendeten Materialien ab, der sich abgedichtet in einem Vakuumbehälter befindet,
da der wesentliche !Teil des Vakuum-Leistungsschalters im Vakuum arbeitet.
Die Materialien für den Kontakt eines derartigen Leistungsschalters sollten die folgenden qualitativen Erfordernisse rf
erfüllen: i
1. Die Unterbrechungsfähigkeit sollte gut sein;
2. die Durchschlagsspannung sollte hoch sein;
3. der Kontaktwiderstand sollte gering sein; 4-. die Schmelzkraft sollte gering sein;
5. die Abnutzung sollte gering sein;
6. der Abreißstrom sollte gering sein;
7. die Bearbeitbarkeit sollte günstig sein;
8. die mechanische Festigkeit sollte hoch sein.
Die bisher eingesetzten Kontaktmaterialien ermöglichen es nicht oder nur schwer, alle diese Erfordernisse zu erfüllen,
und im allgemeinen werden Materialien eingesetzt, die lediglich bestimmte wesentliche Eigenschaften für spezielle
Anwendungen aufweisen, während auf die Erfüllung der
anderen Erfordernisse mehr oder weniger verzichtet wird. 35
Bislang werden Materialien, wie beispielsweise Kupfer-Wolfram
Legierungen (nachstehend als Cu-W bezeichnet) eingesetzt.
Eine Kombination von Metallen mit hoher Durchschlagspannung im Vakuum (wie Cr und W) mit Cu, das eine hohe elektrische
Leitfähigkeit aufweist, wird üblicherweise für eine hohe Durchschlagspannung und große Strombereiche eingesetzt.
Der Trend zu höheren Durchschlagspannungen und größeren Strömen schraubt die Anforderungen an die Kontaktmaterialien höher,
so daß diese bekannten Materialien nicht mehr den höheren Anforderungen genügen. Gleichzeitig besteht die Tendenz
zur Miniaturisierung von Vakuum-Leistungsschaltern, so daß ein erheblicher Bedarf nach neuen Materialien für die genannten
Kontakte mit höheren Anforderungen besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktmaterial für Vakuum-Leistungsschalter anzugeben, das ein bessez-es
Dur-chschlags spannung-Verhalt en als bekannte Materialien
aufweist.
Ia Rahmen der Erfindung ist versucht worden, verbesserte Kontalctmaterialien
herzustellen, indem man verschiedene Metalle, Legierungen und intermetallische Verbindungen mit Cu hinzugibt;
dabei wurden verschiedene Experimente durchgeführt, wobei diese Materialien in Vakuum-Leistungsschaltern eingesetzt
wurden. Im Rahmen der Erfindung hat es sich gezeigt, daß Kontaktmaterialien mit Cu, Mo und W ausgezeichnete
Diirchschlagsspannungseigenschaften aufweisen. Ausgehend von
diesem Grundgedanken zeichnen sich die erfindungsgemäßen Eontaktmaterialien durch Mo und W als feuerfeste Komponenten
und etwa 5 bis 80 Vol.# Cu als elektrisch leitfähige
Komponente aus.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
BAD
Pig. 1 einen Querschnitt eines Vakuum-Leistungsschalters,
Pig. 2 einen vergrößerten Querschnitt des Elektrodenteils
des Leistungsschalters nach Pig. 1, 5
Pig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchschlagsspannung-Verhalten eines erfindungsgemäßen
Kontaktmaterials und dem Gewichtsverhältnis
von Mo zu ¥ in einer Legierung, die 75 Vol.# Mo und w und 25 Vol.# Cu enthält,
Pig. 4- eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
der Härte einer Cu-W-Mo-Legierung mit 25 Vol.# Cu gemäß der Erfindung und dem Gewichtsverhältnis von
Mo zu W in den verbleibenden 75 Vol.# der Legierung,
Pig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen
Legierung und dem Gewichtsverhältnis von Mo und W, 20
Pig. 6 einen metallographischen Schliff einer Abbildung durch reflektierende Elektronen eines erfindungsgemäßen
Kontaktmaterials, wobei die Legierung 50 Vol.#
Cu und 50 Vol.# Mo und ¥ enthält, wobei das Gewichtsverhältnis
von Mo zu ¥ 5:95 beträgt, und
Pig. 7 einen metallographischen Schliff einer Abbildung durch reflektierte Elektronen eines erfindungsgemäßen
Kontaktmaterials mit 50 Vol.# Cu und 50 Vol.#
Mo und ¥, wobei das Gewichtsverhältnis von Mo zu ¥ 58:42 beträgt.
Die Pig. Λ zeigt den Aufbau eines Vakuum-Leistungsschalters,
der mit einem erfindungsgemäßen Kontakt versehen werden
kann. Innerhalb eines vakuumdichten Behälters mit Endplatten 2 und 3, die die beiden Enden des Behälters verschließen,
sind Elektroden 4 und 5 einander gegenüberliegend an den
Buden von Elektrodenstäben 6 bzw. 7 angeordnet.
Der Elektrodenstab 7 ist mit der Endplatte 3 über einen
Balg 8 verbunden, so daß eine Bewegung in Axialrichtung der Stange 7 ohne Beeinträchtigung des Vakuums möglich ist. Um
eine Verunreinigung aufgrund von durch Lichtbogen erzeugten Dampf zu vermeiden, sind die Innenfläche des Vakuumbehälters
1 und des Balgs 8 durch Schirme 9 bzw. 10 abgedeckt. Die Pig. 2 zeigt den Aufbau der Elektroden 4· und 5·
Die Elektrode 5 ist auf ihrer Rückseite mit dem Elektrodenstab 7 mit Hilfe eines Lötmittels 51 verlötet. Die Elektroden
4- und 5 bestehen aus einem erfindungsgemäßen Kontaktmaterial
auf der Basis von Cu-Mo-W.
Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen und Versuche werden nachstehend erläutert:
S1Ig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Durchschlagspannungs-Verhalten
und dem Gewichtsverhältnis von Mo zu W in einem Kontakt, der 75 Vol.35 Mo und W und 25 Vol.Ji Cu enthält. Das
Durchschlagspannungs-Verhalten ist die Ausfallrate eines erfindungsgemäßen
Kontakts dividiert durch die Ausfallrate einer üblichen Kontaktlegierung mit 25 Vol.# Cu und 75 Vol.%
w.„ Die Ausfallrate wurde ermittelt durch Anlegen einer Spannung
über die Kontakte eines Vakuum-Leistungsschalters, der mehrere tausendmal bis zu mehreren zehntausendmal geschaltet
wurde. Die Ausfallrate ist gleich der Gesamt-Ausfallzahl dividiert
durch die Gesamtzahl der Schaltvorgänge mit dem Jeweiligen Leistungsschalter. Aus Fig. 3 ergibt sich ein erheblich
verbessertes Durchschlagspannungs-Verhalten.
Die Maxima in dem Durchschlagspannungs-Verhalten entsprechen Kontaktzusammensetzungen mit einem Gewichtsverhältnis
von Mo zu W von 50:50 und 5:95 ohne die elektrisch leitfähige
Komponente Cu; im allgemeinen haben diese Legierungen ein
BAD QFUGINAL
L- J
besseres Durchschlagspannungs-Verhalten als Cu-W- und Cu-Mo-Binärlegierungen.
Wenn das Gewichtsverhältnis von W zu Mo kleiner als 95^5 ist, so kann ein Durchschlagspannungs-Verhalten
erwartet werden, das besser ist oder gleich dem beim Stand der Technik. Da jedoch das Durchschlagspannungs-Verhalten
um den Faktor 1,5 bis 2 gegenüber dem Stand der Technik bevorzugt ist, sollte das Gewichtsverhältnis von Mo zu W
vorzugsweise etwa 1:99 bis etwa 10:90 oder von etwa 25:75 bis etwa 80:20 betragen.
Wenn das Gewichtsverhältnis von Mo zu W 50:50 beträgt, liegt das relative Durchschlagspannungs-Verhalten bei etwa 5· Dies
bedeutet, daß die Ausfallrate dieser Legierung etwa 1/5 der üblichen Legierung mit 25$ Cu und 75% W beträgt.
Fig. A- zeigt die relative Härte einer erfindungsgemäßen Legierung
mit 25 Vol.% Cu (wie bei Fig. 3)? wobei an der Abszisse
die Gewichtsprozente von Mo und W in den verbliebenen 75 Vol.% der Legierung und an der Ordinate die Härte relativ
zu der einer üblichen Legierung mit 25% Cu und 75% W aufgetragen
sind.
Es zeigt sich, daß ein hoher Gewichtsanteil von W zu einer größeren Härte und daß ein hoher Gewichtsanteil von Mo zu
einer niedrigeren Härte führt. Die Beziehung zwischen dem Volumenverhältnis von Mo zu W und der Härte wird durch eine
Gerade wiedergegeben, während die Beziehung zwischen dem Gewichtsverhältnis von Mo zu W (an der Abszisse) und der an
der Ordinate aufgetragenen Härte durch eine glatte, leicht gebogene Kurve gemäß Fig. A- wiedergegeben wird.
Obwohl früher angenommen worden ist, daß die Härte mit dem Durchschlagsspannungs-Verhalten korreliert ist, zeigt sich
keinerlei Korrelation zwischen der Harte gemäß Fig. A- und
dem Durchschlagsspannungs-Verhalten gemäß Fig. 3·
L J
Γ - 8 -
Die 5"ig. 5 zeigt die relative elektrische Leitfähigkeit eines
erfindungsgemäßen Kontakts, der 25 Vol.# Cu enthält; an der
Abszisse sind die Gewichtsprozente von W und Mo in den verbleibenden 75 Vol.# der Legierung aufgetragen, während an
der Ordinate die elektrische Leitfähigkeit relativ zu der einer bekannten Legierung aus 25$ Cu und 75$ W aufgetragen
ist. Es zeigt sich, daß sich mit Erhöhung der Mo-Menge die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Dieses Phänomen ergibt sich
aufgrund der Differenz im spezifischen Widerstand zwischen W und Mo und hängt zum größten Teil von dem 25prozentigen Volumenanteil
von Cu in der Legierung ab.
Ss zeigt sich jedoch keine direkte Korrelation zwischen der
elektrischen Leitfähigkeit und dem Durchschlagsspannungs-Verhalten, ebenso wie keine direkte Korrelation zwischen
letzterem und der Härte besteht.
Dies liegt daran, daß Mo und W kaum eine feste Lösung mit Cu eingehen und daher die Härte der Legierung vollständig durch
das Mo/W-Verhältnis des Rests bestimmt wird; ferner wird vermutlich
die elektrische Leitfähigkeit durch den Gewichtsanteil von Mo bestimmt, wenn das Volumen von Cu in der Legierung
festliegt.
Hinsichtlich des Durchschlagsspannungs-Verhaltens wurde im Rahmen der Erfindung zunächst angenommen, daß bei konstantem
Volumenanteil von Cu in einer Legierung das Durchschlagsspannungs-Verhalten einer ternären Legierung, die gleichzeitig
Mo und W enthält, auf einer Linie liegen würde, die zwisehen
den Punkten verläuft, die das Durchschlagspannungs-ϊerhalten
einer Cu-W- und einer Cu-Mo-Binärlegierung angeben. Das Ergebnis gemäß Fig. 3 war demnach nicht vorhersehbar.
Die Gründe hierfür sind bislang noch nicht bekannt. Mögliche Erklärungen werden jedoch nachstehend angegeben: Obwohl Cu
und W oder Cu und Mo nach dem Hansen'sehen Zustandsdiagramm
BAD ORIGINAL J
für Binärlegiernngen keine feste Lösung bilden, müssen sie dennoch eine vollständig feste Lösung ausbilden. Obwohl es
unbekannt ist, ob Mo und W eine feste Lösung in der erhaltenen Ternärlegierung aus Cu, Mo und W bilden, kann nicht angenommen
werden, daß keine feste Lösung gebildet wurde.
Diese feste Lösung aus W und Mo trägt offenbar zu einer Verbesserung
des Durchschlagspannungs-Verhaltens der erfindungsgemäßen Legierung bei.
Obwohl bei den vorstehenden Ausführungsformen 25 Vol.# Cu
vorgesehen sind, hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, daß dann, wenn Cu in einer Legierung in einem Bereich von
etwa 5 bis etwa 80 Vol.# enthalten ist und die verbleibenden
95 bis 20 Vol.# der feuerfesten Komponente aus Mo und W bestehen,
man ein ausgezeichnetes Durchschlagspannungs-Verhalten erhält.
Fig. 6 zeigt eine Abbildung durch reflektierte Elektroden von einer Legierung für einen Kontakt nach einer anderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform mit 50 Vol.# Cu, wobei das
Gewichtsverhältnis von Mo zu W in der verbleibenden, feuerfesten Komponente 5^95 beträgt; der sehr helle Teil besteht
aus W, der mittelhelle Teil besteht aus Mo und der matte Teil aus Cu. Fig. 7 zeigt eine Abbildung durch reflektrierte
Elektronen einer Legierung für einen Kontakt gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform mit 50 Vol.^S Cu und
einem Gewichtsprozent-Verhältnis von Mo zu W im Rest von
58:42.
30
30
Aus den Fig. 6 und 7 wird angenommen, daß sich eine vollständige feste Lösung nicht ausgebildet hat, da W und Mo in den
Darstellungen unterschiedliche Helligkeit aufweisen. Hieraus kann jedoch noch nicht geschlossen werden, daß keine feste
Lösung gebildet wurde. Selbst wenn daher die Korrelation zwischen dem Durchschlagspannungs-Verhalten und dem Grad der
gebildeten festen Lösung von W-Mo noch unklar ist, kann das Vorliegen einer derartigen Korrelation angenommen werden.
Die in den Fig. 6 und 7 dargestellten Legierungen wurden mit
Hilfe des sogenannten Infiltrationsverfahrens hergestellt, wobei Cu bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes
von Cu in nichtoxidierender Atmosphäre in ein Skelett infiltriert wird.
Um die Beziehung zwischen dem Herstellungsverfahren der Legierung und dem Durchschlagspannungs-Verhalten zu untersuchen,
wurden im Rahmen der Erfindung ferner Legierungen mit Hilfe des Ifiltrationsverfahrens, des Sinterverfahrens mit
Pulver in fester Phase und mit Hilfe des Sinterverfahrens mit Pulver in flüssiger Phase hergestellt. Es zeigten sich
Iceine signifikanten Unterschiede hinsichtlich des Durchschlagspannungs-Terhaltens
unter den hergestellten Legierungen.
L ■ J
BAD OFNGINAL
Claims (6)
1. Kontakt für einen Vakuum-Leistungsschalter, gekennzeichnet durch
Molybdän und Wolfram als feuerfeste Bestandteile und etwa 5 bis 80 Vol.# Kupfer als elektrisch leitfähige
Komponente.
2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram etwa
1:99 bis etwa 95:5 beträgt.
3. Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram etwa
1:99 bis etwa 10:90 beträgt.
4-, Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram etwa 25:75 bis etwa 80:20 beträgt.
5. Kontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zun Wolfram 5·* 95
beträgt.
1
6. Eontakt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gewichtsverhältnis des Molybdäns zum Wolfram 50:50
beträgt.
10
15
< 20
25
30
35
BAD OR'GiKAL
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: TAUCHNER, P., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. HEUNEMANN, D., DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT. RAUH, P., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANWAELTE, 8000 MUENCHEN |
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8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |