DE2005681B2 - Kontaktstuck für hohe elektrische Belastung - Google Patents

Description

Sinterfonntcile auf Passung gefertigt, die Sinterformteile örtlich fixiert nebeneinander angeordnet und danach die Sinterformteile in einem Arbeitsgang mit dem Tränkmetall durchdringend verbunden. Dieses Herstellungsverfahren ist einfach und auch für die Serienfertigung geeignet. Die mit der Einsparung an teuerem Werkstoff erhaltene Wirtschaftlichkeit des erfmdungsgemäßen Kontaktstückes wird daher durch das einfache Herstellungsverfahren weiter erhöht.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren und AusfÜhrungsbeispiele näher erläutert. In den Figuren sind einige AusfÜhrungsbeispiele von Kontaktstücken dargestellt. Dabei sind gleichartige Bauteile mit gleichem Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Schaltstückspitze (Armierung) im Schnitt, die aus dem Teilstück J mit abbrandfestem Material und dem Teilstück 2 mit elektrisch gut leitendem, lötbarem Material besteht. Die durchgängigen Poren sowohl des Sinterformteils des Teilstückes 1 als auch des Sinterformteiles des Teilstückes 2 sind mit Kupfer als Tränkmetall ausgefüllt. Beim fertigen Kontaktstück besteht das Teilstück 1 aus WCu 30 (Gewichtsprozent), das Teilstück 2 aus FeCu 40. An den Übergangsflächen zwischen den Teilstücken 1 und 2 geht das Tränkmetall Kupfer ohne Grenzschicht in die Nachbarbereiche über. Dabei ist unter Grenzschicht ein Konzentrationssprung in dem Tränk metallanteil, der sich zwischen dem Sinterformteil des Teilstückes 1 und dem Sinterformteil des Teilstückes 2 befindet, zu verstehen.

Fig. 2 zeigt den Schnitt eines anderen Aufbaues einer Abbrennspitze, die ebenfalls aus Teilstücken 1 und 2 besteht. Das Teilstück 1 ist das Auflageteil und das Teiistück 2 das Grundkörperteil der Abbrennspitze. Gegenüber einer Vollspitze aus WCu wird sowohl bei der Abbrennspitze nach Fig. 1 als auch bei der nach Fig. 2 teueres abbrandfestes Material eingespart. Diese Ersparnis kann bis zu 60% betragen. Außerdem bietet die gute Bearbeitbarkeit des Teilstückes 2 erhebliche Vorteile, da sich auf dem Zapfen 3 des Teilstückes 2 in einfacher Weise ein Gewinde 4 aufbringen läßt. Während bei einer Vollspitze aus WCu wegen der hohen Härte des Wolfiams ein großer Verschleiß des Drehstahles, z. B. aus Hartmetall auftritt, ist der Werkstoff FeCu 40, aus dem Teilstück 2 besteht, mit einem Schneideisen bearbeitbar. Obwohl die Härte im FeCu 40-Werkstoff mit etwa 200 kp/mm² relativ hoch liegt, kann dieser Werkstoff gut zerspant werden, und für die spangebenden Beaibeitungswerkzeuge ist eine hohe Standzeit gesichert.

Eine weitere Form einer Abbrennspitze ist in Fig. 3 im Schnitt dargestellt. Hier ist das Auflageteil 1 mit dem abbrandfesten Kontaktwerkstoff eine Hülse und das Grundkörperteil 2 aus dem lötbaren, gut bearbeitbaren Werkstoff eine Büchse An Hand dieser Abbrenr spitze sei ein ins einzelne gehendes Beispiel für die Materialzusammensetzung und das Herstellungsverfahren der Teilstücke gegeben.

Das Sinterformteil der Außenhülse 1 wird aus einer WCu-Pulvermischung gefertigt. Der Kupferanteil in dieser Pulvermischung beträgt etwa 2 bis 10, vorzugsweise 5 bis 10 Gewichtsprozent. Zur besseren Benetzbarkeit des fertigen Sinterformteiles mit dem Trägermetall kann der Pulvermischung Nickel mit 0,01 bis 5 Gewichtsprozent, vorzugsweise mit 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent, beigemischt sein. Das Pulver wird mit einem Preßwerkzeug in die Form gepreßt. Dabei kommen Preßdrücke zwischen 0,5 und 6, vorzugsweise zwischen 1 und 4 t/cm² zur Anwendung. Anzumerken ist hierbei, daß der nötige Preßdruck von der Geometrie des Sinterformteiles abhängt. Das gepreßte Formteil wird bei 1200 bis 1500° C, vorzugsweise bei 1250 bis 1300⁰C, gesintert. Für einen Außenring mit etwa 1 cm Innendurchmesser und etwa 3 cm Außendurchmesser, der aus W 89,95 Cu 10 Ni 0,05 besteht, ist ein Preßdruck von 2,5 t/cm² nötig, und das gepreßte Sinterformteil wird bei 1250⁰C gesintert, ίο Das Sinterformteil der Innenhülse 2 ist aus Eisenpulver gefertigt. Dem Eisenpulver kann Kupfer und Nickel beigemischt sein. Das Pressen und Sintern solcher Formteile ist an sich bekannt. Es darf in diesem Zusammenhang auf das Buch von Kieffer und Hotop,»Sintereisen und Sinterstahl«, Springer-Verlag 1948, insbesondere auf die S. 128 bis 131, 148ff. und 185ff., verwiesen werden. Als günstig hat sich erwiesen, aus Eisenerz reduziertes Eisenpulver, das nach dem Höganäs-Verfahren hergestellt ist, mit einer Teilchenao größe kleiner als 150 [xm zu verwenden. Dieses Pulver, dem 5 bis 8 Gewichtsprozent Kupferpulver beigemischt ist, wird mit einem Preßdruck von 2,8 t/cm gepreßt und bei 1200⁰C 1 Stunde in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert. Die Schrumpfung bei der Sintea5 rung beträgt 0,65%. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß für die Herstellung des Sinterformteiles vorteilhaft handelsübliche, schrumpfkompensierte Pulverzusammensetzungen verwendet werden können. Ein solches Pulver ist beispielsweise aus Eisen, maximal 8 Gewichtsprozent Kupfer und maximal 2 Gewichtsprozent Nickel zusammengesetzt.

Die Sinterformteile für die Teilstücke 1 und 2 müssen auf Passung gearbeitet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Innenhülse 2 in die Außenhülse 1 gesteckt. Die Toleranz der Passung kann mit der Geometrie ikr Preßwerkzeuge, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Durchmesser der Preßwerkzeuge und den Sinterbedingungen eingestellt werden. Als Toleranz für die Passung ist eine Spaltbreite von 40 bis 200 μΐη zwischen aneinandergrenzenden Sinterformteilen einzuhalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Spaltbreite die Differenz des Außenradius der Innenhülse 2 und des Innenradius der Außenhülse 1. Der Fig. 3 ist nicht zu entnehmen, daß eines der Sinterformteile mit einer Nase und das zweite Sinterformteil mit einer entsprechenden Einsenkung versehen ist, mit denen die Sinterformteile relativ zueinander örtlich fixiert sind. Außerdem kann mit einer Profilierung beispielsweise der Außenfläche der Innenhulse 2 oder der Innenfläche der Außenhülse 1 eine Verzahnung der beiden Teilstücke erreicht werden, um Spannungen infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten auszugleichen und die Festigkeit zu erhöhen. .. ...

Nach dem Zusammenstecken der Sinterformteile fur die Außenhülse 1 und die Innenhulse 2 werden die Formteile mit Kupfer nach bekannten Verfahren getränkt. Die endgültige Zusammensetzung der Icilstücke 1 und 2 und damit des Kontaktstuckes hangt von der Porosität der Sinterformteile ab.

Für das Auflagcteil aus Material mit hochwertigen Kontakteigenschaften kann diese Porosität zwischen H) und 50 Volumprozent, vorzugsweise bei 40 Volumprozent, und für das Grundkörperteil mit guter Lotbarkeit und guter mechanischer Bearbeitbarkeit zwischen 20 und 50 Volumprozent, vorzugsweise bei 40 Volumprozent, liegen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Porosität gewählt, die eine Zusammen-

setzung von WCu 25 bis WCu 30 für das Teilstück 1 und von FeCu 40 für das Teilstück 2 sicherstellte. Bei diesen Angaben sind die Gewichtsprozente für die Nickelkomponente dem Wolfram zugeschlagen.

Anzumerken ist noch, daß mit einer überschüssigen Tränkmenge von etwa 5 Gewichtsprozent sich ein Kupferüberzug an den Außenflächen des Kontaktstückes erzeugen läßt. Ein solcher Kupferüberzug kann beispielsweise für eine galvanische Versilberung günstig sein, da mit dieser Kupferoberfläche eine sehr gute Haftung erzielt wird. Es kann auch günstig sein, eine Kupfer-Tränkmenge zu verwenden, die unterhalb derjenigen liegt, die zur vollständigen Porenfüllung führt. Der Unterschuß kann zwischen 2 und 30%, vorzugsweise zwischen 5 und 20% des gesamten Porenvolumens des Kontaktstückes liegen. Durch diese Maßnahme lassen sich Tränkkörper herstellen, die an den Außenflächen nicht mehr bearbeitet werden müssen, da sie eine saubere Oberfläche besitzen. Der geringe Rest an Porosität ist auf den gesamten Querschnitt des Kontaktstückes gleichmäßig verteilt. Eingehende Versuche haben ergeben, daß diese Restporosität zu keiner wesentlichen Herabsetzung des Abbrandwertes im Vergleich zu vollständig getränkten Kontaktwerkstoffen führt.

Die Abbrennhülse der Fig. 3 zeigt eine Bohrung 5, die sowohl die Außenhülse 1 als auch die Innenhülse 2 durchsetzt. Es kann in besonderen Fällen nötig sein, die Abbrennhülse mit mehreren solchen Bohrungen 5 in einem Winkel zur Achse 6 zu verschen, damit Löschmittel, z. B. öl, beim Schaltvorgang hindurchgeführt werden kann. Bei der Herstellung solcher Bohrungen in Kontaktwerkstoffen bekannter Art haben die Bohrer durch die Härte der in das Kupfer eingelagerten Wolframteilchen ebenfalls nur kurze Standzeiten. Dieser Nachteil kann mit einem erfindungsgemäßen Kontaktstück vermieden werden. Die Bohrungen werden zumindest in das Sinterformteil des Auflageteils 1 beim Pressen mit eingebracht. Mit einer einfachen Nachbearbeitung an den zusammengesteckten Sinterformteilen der Teilstücke 1 und 2 können dann die Bohrungen 5 auch durch das Grundkörperteil 2 geführt oder, falls sie dort bereits vorhanden sind, mit den Bohrungen im Sinterformteil des Teilstückes ί zum Fluchten gebracht werden. Hierbei braucht nur das gut bearbeitbare Teilstück 2 der Abbrennhülse bearbeitet zu werden, wodurch ebenfalls eine hohe Standzeit für die Bohrer sichergestellt wird.

Sowohl bei Sinterformteilen mit Bohrungen als auch bei Sinterformteilen, in denen keine Bohrungen 5 vorgesehen sind, ergibt das gemeinsame Tränken mit Kupfer einen hervorragenden Verbund hoher Festigkeit an den Trennflächen zwischen den Sinterform teilen der Teilstücke 1 und 2. Auch bei dem Kontaktstück gemäß Fig. 3 ist das Einschneiden von Gewinden, beispielsweise der Gewinde 7 und 8 sehr vereinfacht, da sich diese Gewinde immer in dem Teilstück 2 vorsehen lassen, das aus leicht bearbeitbarem Werkstoff hergestellt ist.

Fig. 4 zeigt den Schnitt durch einen Abbrennring, der aus dem Teilstück 1 mit guten Abbrandeigenschaften und aus dem Teilstück 2 mit guter Bearbeitbarkeit, guten Löteigenschaften und gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Dabei ist es günstig, das Sinterformteil des Teilstückes 2 aus nichtmagnetischem Stahl, beispielsweise aus Chrom-Nickel-Stahl, herzustellen, um die Ausbildung von Wirbelströmen im Abbrennring zu unterdrücken.

In Fig. 5 ist der Schnitt durch eine Abbrennlamelle dargestellt, die aus dem abbrandfesten Auflageteil 1 und dem Grundkörperteil 2 mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht. Bei diesem Kontaktorgan wird eine höhere Sicherheit gegenüber den bisher verwendeten Formteilen erzielt. Bekannt war es, für solche Abbrennlamellen das Teilstück 1 z. B. aus WCu 30 zur fertigen Form mit engen Toleranzen zu bearbeiten. In gleicher Weise mußte das Grundkörperteil 2 mit entsprechender Toleranz für die Lötung im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Auflageteil 1 und dem Grundkörperteil 2 bearbeitet werden. Beide Teile wurden nach Einlegen von Hartlot auf Löttemperatur erhitzt und so verbunden. Meist mußte die Abbrennlamelle danach von überschüssigen Lot gereinigt werden. Demgegenüber ist die in Fig. 5 gezeigte Abbrennlamelle wesentlich wirtschaftlicher herzustellen. Es werden fertiggeformte Sinterteile zusammengefügt und mit dem Tränkmetall verbunden. Die Verbindung zwischen dem Kontaktstück und dem Träger wird dadurch verbessert, und es werden dabei mehrere Verfahrensschritte der bisherigen Fertigung eingespart.

Die im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen nur einige wenige Grundformen von Kontaktstücken. In der beschriebenen Art lassen sich vielfältige Formen von Kontaktstücken herstellen, wobei auch mehrere Bereiche des Kontaktstückes aus dem Werkstoff mit hochwertigen Kontakteigenschaften und mehrere Bereiche aus dem Werkstoff mit z. B. guter elektrischer Leitfähigkeit oder guter mechanischer Bearbeitbarkeit oder guten Eigenschaften für das Verbinden mit dem Trägermetall vorgesehen sein können. Es können auch mehrere Teilstücke mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie sie oben aufgeführt sind, vorgesehen sein, wobei diese Eigenschaften auf Grund der im jeweiligen Bereich geforderten Funktion auszuwählen sind und die Sinterformteile der einzelnen Teilstücke mit dem gleichen Tränkmetall hoher elektrischer Leitfähigkeit durchdringend verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 einen anderen Bereich, der während des Schaltens die Patentansprüche: Lichtbogenbelastung übernimmt Bekannt sind Kon taktstücke mit einer abbrandiesten Komponente, wie

1. Kontaktstück für hohe elektrische Belastung, Wolfram, Molybdän oder Rhenium. Bei den bekannten welches aus wenigstens zwei Teilstücken, einem 5 Kontaktstücken sind diese Metalle zur Erhöhung der Kontaktgrundkörper und einer Auflage, aufgebaut elektrischen Leitfähigkeit mit einem Metall hoher elekist und bei dem das Auflageteil aus einem poren- trischer Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, vereint, haltigen Sinterformteil aus abbrandfestern, schweiß- Da in den Kontaktstücken eine gleichmäßige Verteisicherem Material und das Grundkörperteil aus lung der Komponenten gefordert werden muß und da elektrisch gut leitendem, lötbarem Material be- ίο die genannten Metalle ineinander unlöslich sind, wird steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Kontaktstücke die Sintertechnik auch der Kontaktgrundkörper aus einem poren- oder die Sintertränktechnik angewendet. Es läßt sich haltigen Sinterformteil (2) besteht und daß die jedoch bei den bekannten Kontaktstücken ein großer Sinterformteile (1,2) von dem gleichen Tränkmetall Verbrauch an teueren, abbrandfesten Materialien nicht durchdrungen und ohne Grenzschichtbilaung fest 15 vermeiden, da die abbrandfeste Komponente im VoIumiteinander verbunden sind. men des gesamten Kontaktstückes enthalten ist, ob-

2. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch ge- wohl sie nur an den mit dem Lichtbogen beaufschlagkennzeichnet, daß das Auflageteil (1) überwiegend ten Stellen gegenwärtig sein müßte. Die bekannten in an sich bekannter Weise aus Wolfram, Molyb- Kontaktstücke genügen daher zwar weitgehend den dän, Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle so technischen Anforderungen, sind jedoch relativ aufbesteht, wobei der Anteil von Wolfram, Molybdän, wendig und teuer.

Rhenium oder der Legierung 40 bis 80 Volum- Es besteht die Aufgabe, ein Kontaktstück der ein-

prozent, bezogen auf das Volumen des Teilstückes, gangs genannten Art unter möglichst großer Einspa-

beträgt. rung teueren Werkstoffes zu schaffen.

3. Kontaktstück nach Anspruch 1 oder 2, da- »5 Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gedurch gekennzeichnet, daß das Grundkörperteil (2) löst, daß auch aer Kontaktgrundkörper aus einem überwiegend aus einem Metall oder einer Metall- porenhaltigen Sinterformteil besteht und daß die Sinlegierung mit einem höheren Schmelzpunkt als terformteile von dem gleichen Tränkmetall durchKupfer und einer besseren elektrischen Leitfähig- drungen nud ohne Grenzschichtbildung fest miteinkeit und einer besseren I ötbarkeit als Wolfram, 30 ander verbunden sind.

Molybdän oder Rhenium besteht. Das Auflageteil kann überwiegend in an sich be-

4. Kontaktstück nach Anspruch 3, dadurch ge- kannter Weise aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder kennzeichnet, daß das Grundkörperteil (2) aus einer Legierung dieser Metalle bestehen, wobei der Eisen, Nickel, Kobalt, nichtmagnetischem Stahl Anteil von Wolfram, Molybdän, Rhenium oder der oder einer Legierung dieser Metalle besteht, wobei 35 Legierung 40 bis 80 Volumprozent, bezogen auf das der Anteil eines der Metalle oder der Legierung 60 Volumen des Teilstückes, beträgt.

bis 90 Volumprozent, bezogen auf das Volumen des Das Grundkörperteil besteht überwiegend aus einem

Teilstückes, beträgt. Metall oder einer Metallegierung mit einem höheren

5. Kontaktstück nach Anspruch 1, dadurch ge- Schmelzpunkt als Kupfer und einer besseren elektrikennzeichnet, daß das Tränkmetall in an sich 40 sehen Leitfähigkeit und einer besseren Lötbarkeit als bekannter Weise Kupfer oder Silber oder eiie Wolfram, Molybdän oder Rhenium. So kann das Kupfer-Silber-Legierung ist. Grundkörperteil z. B. aus Eisen, Nickel, Kobalt, nicht-

6. Kontaktstück nach Anspruch 1 oder 2, da- magnetischem Stahl oder einer Legierung dieser Medurch gekennzeichnet, daß das Auflageteil (1) eine talle bestehen, wobei der Anteil eines der Metalle oder Porosität von 10 bis 50% aufweist. 45 der Legierung 60 bis 90 Volumprozent, bezogen auf

das Volumen des Teilstückes, beträgt.
Das Tränkmetall ist in an sich bekannter Weise

Kupfer oder Silber oder eine Kupfer-Silber-Legierung.

Das Auflageteil weist vorzugsweise eine Porosität 50 von 10 bis 50% auf.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktstück für Mit dem erfindungsgemäßen Kontaktstück wird

hohe elektrische Belastung, welches aus wenigstens teurer Werkstoff, beispielsweise Wolfram, Molybdän zwei Teilstücken, einem Kontaktgrundkörper und einer oder Rhenium, eingespart und durch einen billigen Auflage, aufgebaut ist und bei dem das Auflageteil aus Werkstoff, wie Eisen, ersetzt, da die abbrandfeste einem porenhaltigen Sinterformteil aus abbrandfestem, 55 Komponente nur in dem Teilstück des Kontaktes vorschweißsicherem Material und das Grundkörperteil zusehen ist, das mit einem Lichtbogen beaufschlagt aus elektrisch gut leitendem, lötbarem Material besteht. wird. Gleichzeitig wird die elektrische Leitfähigkeit des Kontaktstücke, wie sie in der Starkstromtechnik, Kontaktstückes erhöht, da die Leitfähigkeit eines oder beispielsweise für Hochspannungs-Hochleistungsschal- mehrerer Teilstücke erhöht ist. Schwierigkeiten beim ter benötigt werden, haben zwei Aufgaben zu erfüllen. 60 Verlöten oder Verschweißen des Kontaktstückes mit Für den Stromleitungsfall müssen sie eine hohe elek- einem Kontaktträger, wie sie bei bekannten Kontakttrische Leitfähigkeit und einen kleinen Kontaktwider- stücken üblich sind, treten nicht mehr auf, da das stand aufweisen. Beim Schalten hoher Leistungen Kontaktstück an einem lötbaren Teilstück befestigt müssen entsprechende Stellen der Schaltorgane, die den werden kann. Außerdem kann das Kontaktstück ohne Lichtbogenfußpunkt tragen, hohe Abbrandfestigkeit 65 großen Verschleiß an Bearbeitungswerkzeugen an lötbesitzen. Die Schaltorgane können daher in zwei baren Teilstücken gut bearbeitet werden.
Bereiche gegliedert werden, einen, der in geschlossenem Bei einem vorteilhaften Herstellungsverfahren des

Zustand der Kontaktstücke den Dauerstrom trägt, und Kontaktstückes gemäß der Erfindung werden die