DE4110600C2 - Elektrode für einen Vakuum-Leistungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Vakuum-Lei­ stungsschalter. Ein derartiger Schalter soll ausgezeichnete Eigenschaften beim Unterbrechen hoher elektrischer Ströme haben und er soll in zufriedenstellender Weise spannungsfest sein.

Eine Elektrode für einen Vakuum-Leistungsschalter muß folgen­ de Eigenschaften aufweisen:

• (1) großes Schaltvermögen
• (2) hohe Stehspannung (Durchschlagfestigkeit)
• (3) kleiner Kontaktwiderstand (ausgezeichnetes elektrisches Leitvermögen)
• (4) Verhinderung von Schweißstellen
• (5) geringe Abnutzung der Kontaktstellen
• (6) geringer Schaltstrom (chopping current)

Da es schwierig ist, alle vorstehend angegebenen Eigen­ schaftsanforderungen gleichzeitig zu erfüllen, wurden bisher Elektroden verwendet, die nur den notwendigen Eigenschaftsan­ forderungen genügen, während die anderen Eigenschaften ver­ nachlässigt wurden.

Bisher wurden verschiedene Materialien wie Cu-Bi, Cu-Pb Cu- Co-Bi Cu-Co-Pb, Cu-Cr-Bi Cu-Cr-Pb zum Herstellen von Elek­ troden für Vakuum-Leistungsschalter beschrieben. Da all die­ se Elektrodenmaterialien jeweils niedrigschmelzende Metalle enthalten, verflüchtigen sich Blei oder Wismut und verdamp­ fen bei wiederholtem Unterbrechen hoher elektrischer Ströme wodurch die Stromschalteigenschaften und das Widerstandsver­ mögen gegen Verschweißen erheblich verbessert werden. Jedoch verschlechtert sich die Stehspannung und/oder die Schalt­ eigenschaft. Dementsprechend kann keines der oben angegebe­ nen Materialien verwendet werden, um einen Strom bei hoher Spannung zu unterbrechen.

Als Material zum Herstellen einer Elektrode zum Unterbrechen größer Ströme bei hoher Spannung wurden im wesentlichen Cu- Cr-Materialien angegeben und trotz ihrer verschlechterten Eigenschaften in bezug auf Verschweißungs-Standfestigkeit oder Stromschalteigenschaften im Vergleich zu Elektroden mit niedrigschmelzenden Metallen verwendet. Materialien dieses Typs haben das Problem, daß es nicht einfach ist, gleichmä­ ßige Eigenschaften zu erhalten, was vom Verfahren zum Her­ stellen des Elektrodenmaterials oder von einer Entladung von Gas vom Elektrodenmaterial während des Stromunterbrechungsbetriebs herrührt. Noch schlimmer ist, daß eine Begrenzung in den Stromunterbrechungseigenschaften vorliegt. Demgemäß wurde die Form der Elektrode so ausge­ staltet, daß ein elektrischer Strom in gewünschter Weise entlang der Oberfläche der Elektrode fließt. Als Folge des­ sen wird ein magnetisches Feld so erzeugt, daß es einen gro­ ßen Bogenstrom unterbricht, wodurch die Stromunterbrechungs­ eigenschaften verbessert wurden. Darüber hinaus wurden an­ dere Elektrodenmaterialien angegeben und in der Praxis ver­ wendet, die im wesentlichen Cu und Cr als Hauptkomponenten enthalten und in solcher Weise hergestellt werden, daß Co, Ta, Tip W, FeV oder dergleichen als dritte Elemente hinzuge­ fügt werden.

Es bestand jedoch der Wunsch, Vakuum-Leistungsschalter für noch höhere Spannungen und/oder mit kleineren Abmessungen zur Verfügung zu haben. Jedoch ist es mit den herkömmlichen Elek­ trodenmaterialien nicht in zufriedenstellender Weise möglich, diese Wünsche zu befriedigen. Es bestand daher der Wunsch nach verbesserten Materialien.

Aus der DE 26 02 579 A1 ist ein Elektrodenmaterial für einen Vakuumleistungsschalter bekannt, das aus einer Chrom-Kupfer- Legierung mit einem Zusatz von u. a. Vanadium besteht.

In der EP 01 09 088 B1 ist ferner ein Elektrodenmaterial für einen Vakuumleistungsschalter beschrieben, das eine Chrom- Kupfer-Niob-Legierung mit bis zu 35 Gew.-% Chrom und bis zu 40 Gew.-% Niob enthält. Diese Legierung weist eine verbes­ serte Stehspannung auf. Weiterhin ist in der EP 01 09 088 B1 jedoch erläutert, daß bei einem Chromgehalt von 40 Gew.-% und mehr sich die Eigenschaften des Elektrodenmaterials stark verschlechtern.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die vor­ stehend beschriebenen Probleme zu überwinden, wie sie bei der herkömmlichen Technik auftreten, und eine Elektrode für einen Vakuumleistungsschalter anzugeben, die dazu in der Lage ist, einen großen Strom zu unterbrechen und die dabei ausgezeich­ nete Stehspannungseigenschaften aufweist und über gleichmä­ ßige Unterbrechungseigenschaften verfügt.

Diese Aufgabe wird durch eine Elektrode für einen Vakuum-Lei­ stungsschalter, umfassend Nb und/oder V, in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 22,5 Gew.-%, mindestens 40 Gew.-% Cr, und minde­ stens 10 Gew.-% Cu gelöst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrode sind Nb und/oder V in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 22,5 Gew.-%, und ein Rest aus CuCr mit - bezogen auf diesen Rest -55 bis 60 Gew.-% Cr enthalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Elek­ trode sind Nb und/oder V in einer Gesamtmenge von 1,5 bis 22,5 Gew.-%, und ein Rest aus CuCr mit - bezogen auf diesen Rest -60 bis 70 Gew.-% Cr enthalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Elek­ trode sind Nb und/oder V in einer Gesamtmenge von 5 bis 22,5 Gew.-%, und einen Rest aus CuCr mit - bezogen auf diesen Rest -70 bis 80 Gew.-% Cr enthalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Elek­ trode sind zusätzlich bis zu 15 Gew.-% Bi, Pb, Te, Sb, Tl, Se, Ce, Ca, Ag enthalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Elek­ trode beträgt der Anteil von Nb und/oder V kleiner oder gleich 10 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 7 Gew.-%.

Bei einer erfindungsgemäßen Elektrode sind Chrom, Kupfer, Niob und Vanadium jeweils als reine Metalle oder Legierungen verteilt. Darüber hinaus werden Niob und Vanadium dem Chrom und Kupfer in solchen Mengen hinzugefügt, die eine Grenze überschreiten, die der Menge entspricht, die in einer festen Lösung vorhanden sein kann, so daß sie als niobreiche Phase, vanadiumreiche Phase, Cr-Nb-Legierungsphase, Cr-V-Legierungs­ phase oder Nb-V-Legierungsphase ausgefällt werden.

Ein solches Elektrodenmaterial kann mit Hilfe eines Vakuum­ schmelzverfahrens, eines Metallpulversinterverfahrens oder ei­ nes Infiltrationsverfahrens (Auflagetränkungsverfahren) her­ gestellt werden. Darüber hinaus kann ein deutlicher Effekt erzielt werden, wenn hohe Drücke oder hohe Temperaturen ange­ wendet werden, wie HP (Hot Pressing = Heißpressen), CIP (Cold Isostatic Pressing = isostatisches Druckverfahren bei niede­ rer Temperatur) oder HIP (Hot Isostatic Pressing = isostati­ sches Druckverfahren bei hoher Temperatur), nachdem der Me­ tallpulversinterprozeß oder der Infiltrierprozeß abgeschlos­ sen wurden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Elektro­ denmaterial durch ein Plasmasprühverfahren hergestellt wer­ den.

Wenn Chrom mit 20% oder mehr vorhanden ist, wird ein Skelett durch Sintern eines gemischten Pulvers mit Vanadium herge­ stellt und dann das poröse Skelett mit Kupfer infiltriert.

Bisher existierte keine Elektrode, die gleichzeitig in zu­ friedenstellender Weise hohe Stehspannung, gute Unterbre­ chungseigenschaft für hohe Ströme und geringe Spannungsstop­ charakteristik aufwies. Gemäß der Erfindung können Charakte­ ristiken jedoch in einem weiten Bereich eingestellt werden, wenn das Verhältnis von Kupfer, Chrom, Vanadium und Niob ge­ eignet gewählt wird.

Beim Stand der Technik kann sich die Oberfläche der herkömm­ lichen Cu-Cr-Elektrode durch wiederholtes Auftreten der Hitze des unterbrechenden Bogens aufrauhen, was auf den niedrigen Schmelzpunkt von Kupfer zurückzuführen ist, das die Hauptkomponente des herkömmlichen Cu-Cr-Elektrodenmate­ rials ist. Daher entstehen unerwünschte, undefinierte Vor­ sprünge, die zu einer Konzentration elektrischer Felder füh­ ren. Infolgedessen verringert sich die Stehspannung beim Stand der Technik.

Elektrodenmaterialien, bei denen Vanadium eine feste Lösung in Kupfer bildet, weist einen Schmelzpunkt auf, der um das 1,5-fache höher ist als der von Kupfer. Darüber hinaus ist die Leitfähigkeit von Vanadium und/oder Niob selbst dann nicht erheblich verschlechtert, wenn Vanadium und/oder Niob eine feste Lösung mit Kupfer bildet. Infolgedessen kann ein Schmelzen eines Kontaktes aufgrund der Bogenhitze verhindert werden, und es tritt keine aufgerauhte Oberfläche am Kontakt auf (der Oberfläche, an der zwei Elektroden in Kontakt mit­ einander kommen). Daher kann eine glatte Oberfläche immer aufrechterhalten werden. Dies führt zum Verringern der Er­ zeugung von Vorsprüngen, die der Grund für die Konzentration elektrischer Felder sind. Infolgedessen kann die Unterbre­ chungseigenschaft verbessert werden. Eine erfindungsgemäße Elektrode weist daher zufriedenstellende Un­ terbrechungseigenschaften für hohe Ströme auf, die das 1,8-fache im Vergleich zu denen eines herkömmlichen Cr-Cu-Elek­ trodenmaterials sind. Da das hinzugefügte Vanadium ausge­ zeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweist, werden darüber hinaus zufriedenstellende Isolationswiederherstelleigen­ schaften und ausgezeichnete Wirkung beim Unterbrechen hoher Ströme erzielt.

Elementares Vanadium mit einer Menge, die die Grenze über­ schreitet, mit der es in einer festen Lösung enthalten sein kann, wird, ähnlich wie gleichzeitig hinzugeführtes elemen­ tares Chrom, in der Kupfermatrix ausgefällt. Das ausgefällte elementare Vanadium wird als vanadiumreiche Phase aufgrund der Ausfällung verteilt oder als Cr-V-Legierungsphase und Cu-Cr-V-Legierungsphase. Die vanadiumreiche Phase, die Cr-V- Legierungsphase und die Cu-Cr-V-Legierungsphase, die auf solche Weise in der vorstehend beschriebenen Matrix ausge­ fällt werden, sind dazu in der Lage, mit der chromreichen Phase zu koexistieren, die individuell ausgefällt wurde. In­ folge der Wechselwirkung zwischen diesen, werden die Steh­ spannungseigenschaften verbessert.

Wenn das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial dadurch herge­ stellt wird, daß Vanadium oder sowohl Vanadium wie auch Niob hinzugefügt wird, werden im wesentlichen gleichmäßige Eigen­ schaften in bezug auf das Unterbrechen großer Ströme und in bezug auf die Stehspannung erhalten. Daher zeigt das erfin­ dungsgemäße Elektrodenmaterial stabilere Eigenschaften als das herkömmliche Cu-Cr-Elektrodenmaterial.

Ein zufriedenstellender Effekt wird dann nicht erhalten, wenn der Anteil und Vanadium und Niob weniger als 0,1% ist. Vor­ zugsweise werden Vanadium und Niob mit 0,5 bis 10% zugegeben, am besten mit 3 bis 7%. Das Elektrodenmaterial, in dem Niob und Vanadium feste Lösungen in Kupfer bilden, weist einen Schmelzpunkt auf, der um das 1,5-fache höher ist als der von Kupfer. Darüber hin­ aus wird die Leitfähigkeit von Niob und Vanadium nicht er­ heblich verschlechtert wenn sie feste Lösungen in Kupfer bilden. Infolgedessen kann ein Verschweigen an der Kontakt­ stelle aufgrund der Bogenhitze vermieden werden, und es tritt keine aufgerauhte Kontaktfläche auf. Daher wird die Erzeugung von Vorsprüngen, die zur Konzentration elektri­ scher Felder führen, verringert. Infolgedessen können die Unterbrechungseigenschaften verbessert werden.

Wenn Niob und Vanadium zugegeben werden und dies mit Mengen erfolgt, die größer sind als die Menge, die in einer festen Lösung aufgenommen werden kann, erfolgt ähnlich wie beim gleichzeitig zugegebenen Bestandteil Chrom ein Ausfällen in der Kupfermatrix. Die ausgefällten Elemente Niob und Vana­ dium werden als niobreiche bzw. vanadiumreiche Phase ver­ teilt, oder sie sind als Cr-Nb-Legierungsphase, Cr-V-Legie­ rungsphase und Nb-V-Legierungsphase vorhanden. Die niobrei­ che Phase und die vanadiumreiche Phase, die Cr-Nb-Legie­ rungsphase, die Cr-V-Legierungsphase und die Nb-V-Legie­ rungsphase, die auf diese Weise in der oben angegebenen Ma­ trix ausgefällt wurden, können miteinander koexistieren. In­ folge ihrer Wechselwirkung kann die Stehspannung verbessert werden.

Wenn das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial Vanadium oder Vanadium und Niob enthält, können im wesentlichen gleichmäßige Stehspannungs­ eigenschaften und Unterbrechungseigenschaften für große Ströme erzielt werden. Daher zeigt das erfindungsgemäße Elektrodenmaterial stabilere Eigenschaften, als sie mit dem herkömmlichen Cu-Cr-Elektrodenmaterial erzielbar sind.

Wenn sowohl Vanadium wie auch Niob zügegeben werden, erfolgt dies mit 22,5 Gew.-% oder weniger, um die Stehspannung und die Unterbrechungseigenschaften für hohe Ströme zu verbessern. Wenn mehr als 22,5 Gew.-% zugegeben werden, wird die elektri­ sche Leitfähigkeit verringert, was dazu führt, daß sich die Eigenschaften der Elektrode verschlechtern. Der Grund, wes­ wegen Vanadium und Niob mit mehr als insgesamt 22,5 Gew.-% die Eigenschaften verschlechtern, liegt darin, daß die Oberflä­ che nichtleitend wird, wenn die zwei Elektroden miteinander kontaktieren. Darüber hinaus wird ein zufriedenstellender Effekt dann nicht erzielt, wenn weniger als 0,1% zugegeben werden. Vorzugsweise werden Vanadium und Niob mit 0,5 bis 10% zugegeben, am besten mit 3 bis 7%.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, die sich teilweise auf Figuren stützt, näher hervor.

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der einen Vakuum-Leistungsschal­ ter zeigt, der einem Test für Unterbrechungseigenschaften unterzogen werden soll;

Fig. 2 ist die Photographie einer Metallstruktur einer Cu-Cr-V- Legierung, die durch Sintern und ein Kupferinfiltrierverfah­ ren hergestellt wurde;

Fig. 3 ist eine Photographie einer Metallstruktur eines Elek­ trodenmaterials mit Cu und 60 Gew.-% Cr, als Vergleichsbei­ spiel;

Fig. 4 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Menge zugefügten Vanadiums und der Stromunterbrechungseigen­ schaft zeigt;

Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Menge zugefügten Vanadiums und des Schaltvermögens darstellt;

Fig. 6 ist eine Photographie einer Metallstruktur einer Le­ gierung mit 87,5 Gew.-% Cr und Cu (50Cr-50Cu)-10 Gew.-% Nb - 275 Gew.-% V, die durch Infiltrieren gemäß Beispiel 2 der Erfindung hergestellt wurde, um eine Elektrode zur Verwendung in einem Vakuum-Leistungsschalter zu erhalten;

Fig. 7 ist eine Photographie einer Metallstruktur einer Le­ gierung mit 77,5 Gew.-% Cr und Cu (70Cr-30Cu)-20 Gew.-% Nb - 2,5 Gew.-% V, die mit einem isostatischen Druckverfahren bei hoher Temperatur gemäß Beispiel 2 der Erfindung hergestellt wurde;

Fig. 8a und 8b sind Photographien von Metallstrukturen für die Legierung von Fig. 7 nach einem Unterbrechungstest, wobei Fig. 8a eine Aufnahme bei 200-facher und Fig. 8b eine Aufnah­ me bei 500-facher Vergrößerung ist;

Fig. 9 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen zuge­ fügtem Niob und der Stehspannung darstellt;

Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Stehspannung eines Materi­ als veranschaulicht, das gemaß Beispiel 2 durch Zufügen von Niob und Vanadium hergestellt wurde;

Fig. 11 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Menge zugefügten Niobs und der Unterbrechungseigenschaft dar­ stellt; und

Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Unterbrechungseigenschaften eines Materials gemäß Beispiel 2 darstellt, das durch Zufügen von Niob und Vanadium hergestellt wurde.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Vakuum-Leistungsschalters zur Verwendung in einem Test auf Stromunterbrechungseigenschaften, der für unterschiedliche Elektrodenmaterialien ausgeführt werden kann. Gemäß Fig. 1 verfügt der Vakuumschalter über einen Be­ hälter aus einem zylindrischen keramischen Isoliergehäuse 1 und rostfreien Anschlupplatten 2 und 3. Der Druck im Vakuum­ ventil wird auf Hochvakuumpegel von 10^-5 bis 10^-8 Torr ge­ halten. Der so aufgebaute Behälter weist ein Paar Elektroden auf, die aus erfindungsgemäßem Material bestehen. Das Paar Elektroden verfügt über eine feststehende Elektrode 7, die auf einem Fuß 4 aus Kupfer befestigt ist, und eine bewegli­ che Elektrode 8, die an einem anderen Fuß 5 aus Kupfer befe­ stigt ist, wobei sich die Elektrode 8 über einen Balg bewe­ gen kann. Eine zylindrische Abschirmung 6 dient dazu, daß verdampftes und gestreutes Elektrodenmaterial an der Innen­ fläche des Isoliergehäuses 1 anhaften kann, wenn Elektroden­ material durch den Unterbrechungsbogen verdampft oder zer­ stäubt wird. Der Vakuumschalter wurde so ausgeführt, daß jede der zwei Elektroden 7 und 8 einen Durchmesser von 20 mm auf­ wies. Die folgenden Tests wurden ausgeführt. Jede der Elek­ troden war scheibenförmig und war mit dem Kupferfuß verlö­ tet.

Ein Stehspannungstest in unterschiedlichen elektrischen Eigenschaftstests wurde auf solche Weise ausgeführt, daß ein Wechselstrom von 300 A 10mal unterbrochen wurde und dann eine impulsförmige Spannung in Schritten von 5 kV erhöht wurde, bis ein dielektrischer Durchbruch zwischen den Elek­ troden erfolgte. Die Entladungsspannung beim dielektrischen Durchbruch wurde gemessen.

Ein Unterbrechungstest wurde auf solche Weise ausgeführt, daß ein Wechselstrom durch die Elektroden mit dem Durchmes­ ser von 20 mm unterbrochen wurde, der schrittweise jeweils um 500 A erhöht wurde, um den Stromschwellwert zu erhalten, bei dem ein Unterbrechen nicht mehr möglich, war.

Beispiel 1

Fig. 2 zeigt eine Photographie einer Metallstruktur (bei 100-facher Vergrößerung) einer Cu-Cr-V-Legierung gemäß der Erfin­ dung. Die Legierung wurde durch Infiltrieren eines porösen Sinterkörpers aus Chrom und Vanadium mit Kupfer hergestellt, wobei eine Cr-Cu-V-Legierung mit 48 Gew.-%, 48 Gew.-% bzw. 4 Gew.-%. verwendet wird. Die vorstehend angegebene Legierung wurde durch Schmelzen und Sintern eines gemischten Pulvers von Cr-Cu-V und anschließendes Infiltrieren von Kupfer hergestellt. Die Sintertemperatur betrug etwa 1100°C und die Temperatur, bei der das Infiltrieren von Kupfer erfolgte, betrug etwa 1200°C. Es wurde festgestellt, daß die Menge an Vanadium und Chrom, die über der Grenze für eine feste Lösung lag, in Form einer vanadiumreichen Phase, einer chromreichen Phase, einer Cr-V-Legierungsphase und einer Cu-Cr-V-Legierungsphase ausgefällt wurde.

Beispiel 2

Gemäß, Beispiel 2 wurden die Elektroden 7 und 8 für einen Vakuum-Leistungsschalter dadurch hergestellt, daß ein Mate­ rial verwendet wurde, dessen Hauptkomponente Cr war und das darüber hinaus Cu, Nb, V und zufällige Verunreinigungen ent­ hielt.

Das Material für die Elektroden 7 und 8 wurde mit Hilfe eines pulvermetallurgischen Verfahrens und eines Infiltrier­ verfahrens hergestellt. Das heißt, Nb-Pulver einer Teilchen­ größe von 0,044 bis 0,074 mm (200 bis 325 mesh), V-Pulver der­ selben Teilchengröße, Cu-Pulver einer Teilchengröße von 0,149 mm (100 mesh) oder weniger und Cr-Pulver einer Teilchengröße von 0,044 bis 0,149 mm (100 bis 325 mesh) wurden im Verhältnis 3,0 : 3,0 : 3,0 : 91 eingewogen, wenn eine Legierung von 90Cr und Cu (60Cr-40Cu)-5Nb-5V (Gew.-%) hergestellt wur­ de. Sie wurden für eine Stunde mit Hilfe eines Mischers vom V-Typ hergestellt, und das so erhaltene Mischpulver wurde in eine Form vorgegebener Abmessung eingeschlossen und bei einem Druck von 3 t/cm² formgepreßt.

Der erhaltene kompakte Körper wurde bei 1100°C für zwei Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert, wodurch ein zwischengesinterter Körper erhalten wurde.

Anschließend wurde ein Stück sauerstofffreies Kupfer auf den zwischengesinterten Körper aufgelegt, und diese Gegenstände wurden aufgeheizt und in Vakuum für eine Stunde bei 1220°C gehalten. Dabei wurde der zwischengesinterte Körper vom sauerstofffreien Kupfer infiltriert, wodurch das Material für die Elektroden 7 und 8 erhalten wurde.

Fig. 6 ist eine Photographie (bei 100-facher Vergrößerung) einer Metallstruktur einer Legierung gemäß Beispiel 2 der vorlegenden Erfindung mit 87,5 Cr und Cu (55Cr-45Cu)-10Nb-2,5V (Gew.-%), welche Legierung durch Kombinieren des Pulversinter­ verfahrens und des Cu-Infiltrierverfahrens hergestellt wur­ de. Wie es aus der Strukturphotographie ersichtlich ist, wurden niobreiche und vanadiumreiche Phasen gleichmäßig in der Matrix (55Cr-45Cu) verteilt.

Beispiel 3

Gemäß Beispiel 3 wurden Elektroden 7 und 8 für einen Vakuum- Leistungsschalter dadurch hergestellt, daß ein Material ver­ wendete wurde, dessen Hauptkomponente Cr war und das darüber hinaus Cu, Nb und V und zufällige Verunreinigungen enthielt. Das Material für die Elektroden 7 und 8 wurde dadurch herge­ stellt, daß sowohl ein pulvermetallurgisches Verfahren mit einem Sinterprozeß wie auch ein isostatischer Druckprozeß bei hoher Temperatur verwendet wurde. Nb-Pulver mit einer Teil­ chengröße von 0,044 bis 0,074 mm (200 bis 325 mesh), V-Pulver derselben Teilchengröße, Cu-Pulver mit einer Teilchengröße von 0,149 mm (100 mesh) oder weniger und Cr-Pulver mit einer Teilchengröße von 0,044 bis 0,149 mm (100 bis 325 mesh) wur­ den im Verhältnis 5 : 5:18 : 72 eingewogen, um eine Legierung von 90Cr und Cu (80Cr-20Cu)-5Nb-5V (Gew.-%) zu erhalten. Das so erhaltene Mischpulver wurde in eine Form vorgegebener Abmes­ sung gegeben und bei einem Druck von 4 t/cm² formgepreßt.

Der erhaltene kompakte Körper wurde bei 1100°C für zwei Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre gesintert, wodurch ein zwischengesinterter Körper erhalten wurde.

Anschließend wurde der zwischengesinterte Körper vakuumdicht in einem rostfreien Stahlrohr eingeschlossen und für zwei Stunden auf 100°C gehalten. Anschließend wurde ein isosta­ tischer Druckprozeß bei hoher Temperatur bei einem Druck von 2000 kg/cm² ausgeführt wodurch das Material für die Elek­ troden erhalten wurde.

Fig. 7 ist eine Photographie einer Metallstruktur (bei 100-facher Vergrößerung) einer Legierung von 77,5Cr und Cu (70Cr- 30Cu)-20Nb-2,5V (Gew.-%), die durch Kombinieren des Pulversin­ terverfahrens und des isostatischen Druckverfahrens bei ho­ her Temperatur erhalten wurde. Wie es aus der Photographie der Metallstruktur ersichtlich ist, wurden eine niobreiche und eine vanadiumreiche Phase gleichmäßig in der Matrix (70Cr-30Cu) verteilt.

Die Fig. 8a und 8b sind Querschnittsphotographien für Metall­ strukturen einer Probe der in Fig. 7 dargestellten Legierung von 77,5 Cr und Cu (70Cr-30Cu)-20Nb-2,5V (Gew.-%), welche Le­ gierung dem Unterbrechen des elektrischen Stroms 50mal unterzogen wurde. Fig. 8a zeigt eine Aufnahme bei 200-facher Vergröße­ rung und Fig. 8b eine schnellverfestigte Schicht bei 500-facher Vergrößerung. In den Photographien wurden geschmolze­ ne und schnellverfestigte Schichten aufgrund der Bogenhitze direkt unterhalb oder Elektrokontaktoberfläche beobachtet. Darüber hinaus wurden feine Kristallkörner in dieser Struk­ tur beobachtet. Eine Analyse ergab, daß 1 bis 3% Vanadium und Niob und eine kleine Menge Chrom als feste Lösung in einer Cu-Matrix vorlagen, während Chrom, Vanadium und Niob in Mengen, die die Löslichkeitsgrenze für die feste Lösung überschritten, als chromreiche Phase, Cr-V-Legierungsphase, Cr-Nb-Legierungsphase oder Nb-V-Legierungsphase ausgefällt wurden.

Vergleichsbeispiel

Fig. 3 ist eine Photographie einer Metallstruktur einer her­ kömmlichen Cu-Cr-Legierung, wie sie zum Herstellen für Elek­ troden für ein Vergleichsbeispiel verwendet wurde. Die her­ kömmliche Cu-Cr-Legierung für das Vergleichsbeispiel war eine Legierung mit 60 Gew.-% Cr und 40 Gew.-% Cu, die so her­ gestellt wurde, daß 5 Gew.-% Cu-Pulver und 95 Gew.-% Cr-Pulver gemischt wurden, das Mischpulver zwischengesintert wurde, um eine Dichte des Körpers von 65% zu erhalten, und dann ein infiltrieren mit Kupfer erfolgte.

Testergebnisse

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Tests zeigt, wie er mit Hilfe des Vakuumschalters von Fig. 1 ausge­ führt wurde, um die Beziehung zwischen der Menge zugefügten Vanadiums und der Unterbrechungseigenschaft zu erhalten. Vor dem Test wurde die Oberfläche jeder Elektrode dadurch stabi­ lisiert, daß 50mal Stromfluß mit anschließendem Unterbre­ chen bei einer Spannung unterhalb der Stehspannung der Elek­ trode in Hochvakuum bei 10^-9 Torr erfolgte, wobei ein Bogen zwischen den Elektroden 7 und 8 erzeugt wurde. In anderen Tests als diesem wurde dieselbe Vorbehandlung vor den unten beschriebenen Tests ausgeführt. Wegen der Vorbehandlung wur­ de eine abgeschreckt verfestigte Schicht mit feinen Kri­ stallkörnern auf der Oberfläche jeder Elektrode ausgebildet. Da festgestellt wurde, daß ein Elektrodenmaterial mit einer binären Cu-Cr-Legierung ausgezeichnete Eigenschaften auf­ wies, wenn sich die Menge von Cr im Bereich von 40 bis 60 Gew.-% befand, wurde als Vergleichsbeispiel eine Legierung von 60 Gew.-% Cr und 40 Gew.-% Cu verwendet. Auch das Ge­ wichtsverhältnis von Cr zu Cu im erfindungsgemäßen Elektro­ denmaterial wurde immer auf denselben konstanten Wert (= 60 : 40) eingestellt. Unter diesen Bedingungen wurden die Änderungen der Eigenschaften der Legierungen abhängig von Änderungen in der Menge von zugefügtem Vanadium untersucht. Die Ordinate des Diagramms in Fig. 4 zeigt Werte, die auf einen Wert 1 bezogen sind, der als charakteristischer Wert für die herkömmliche Cu-60 Gew.-% Cr-Legierung verwendet wurde. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, verbesserte sich die Un­ terbrechungseigenschaft der Cr-Cu-V-Legierung mit der Menge zugefügten Vanadiums. Wenn Vanadium mit 7 bis 10 Gew.-% zugefügt wurde, verbesserte sich die Unterbrechungseigenschaft auf das 1,9-fache im Ver­ gleich zum herkömmlichen Material. Die Unterbrechungseigen­ schaft verschlechterte sich jedoch allmählich, wenn Vanadium mit mehr als 10 Gew.-% zugesetzt wurde. Deutliche Verschlech­ terung trat bei 15 Gew.-% Vanadium oder mehr auf.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Menge zugefügten Va­ nadiums und dem Ergebnis des Stromschalttests. Wie deutlich erkennbar, wurde die beste Verbesserung erzielt, wenn Vana­ dium mit 5 bis 10 Gew.-% vorhanden war.

Obwohl in den Diagrammen nicht dargestellt, wurde herausge­ funden, daß ähnlich verbesserte oder noch bessere Unterbre­ chungseigenschaften und Stehspannungseigenschaften mit ande­ ren Elektrodenmaterialien erhalten werden können, die minde­ stens ein Metall aus einer Anzahl niedrigschmelzenden Metal­ le wie Bi, Pb, Te, Sb, Tl, Se, Ce, Ca und Ag enthalten. Wenn jedoch mindestens eines der niedrigschmelzenden Metalle mit mehr als 15 Gew.-% zugefügt wurde, verschlechterte sich die Unterbrechungseigenschaft, da die Kontaktoberfläche übermä­ ßig aufgerauht wurde. Es wurde festgestellt, daß die vor stehend genannten Zusätze vorzugsweise mit 2 bis 7 Gew.-% zu­ gefügt werden.

Fig. 9 zeigt die Ergebnisse eines Stehspannungstests für ein Elektrodenmaterial, das durch Zufügen von Niob zu ver­ schiedenen Cu-Cr-Legierungen erhalten wurde. Die Tests wur­ den mit dem Vakuumventil gemäß Fig. 1 ausgeführt. Fig. 10 zeigt die Ergebnisse eines Stehspannungstests eines Elektro­ denmaterials, das durch Zufügen von Niob und Vanadium zu den verschiedenen Cu-Cr-Legierungen erhalten wurde. Wiederum wurde der Vakuumschalter gemäß Fig. 1 verwendet. Wie aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich, wurde die beste Stehspannung dann erhalten, wenn die Menge zugefügten Niobs zu den ver­ schiedenen Cr-Cu-Matrizen 5 bis 10 Gew.-% betrug und die Men­ ge an zugefügtem Vanadium 10 Gew.-% betrug, wobei die Steh­ spannung auf das 1,9- bis 2,0-fache derjenigen von 50 Gew.-% Cu, 50 Gew.-% Cr erhöht wurde, welches Material als Ver­ gleichsmaterial verwendet wurde. Wenn jedoch jeweils Niob und Vanadium mit mehr als 10 Gew.-% zugefügt wurden, ver­ schlechterte sich die Stehspannung, wie in Fig. 10 darge­ stellt. Wenn jeweils Niob und Vanadium mit 30 Gew.-% zugefügt wurden, verschlechterte sich die Stehspannung in kritischer Weise.

Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen der Menge zugefügten Niobs und der Unterbrechungseigenschaft. Fig. 12 zeigt die Beziehung zwischen Mengen von Niob und Vanadium bei den Bei­ spielen 2 und 3 und der Unterbrechungseigenschaft. Wie aus den Fig. 11 und 12 ersichtlich, verbesserte sich die Unter­ brechungseigenschaft für eine Legierung mit 5 bis 10 Gew.-% Nb und 10 Gew.-% V erheblich, wobei die Unterbrechungseigen­ schaft dieser Legierung das 1,6-fache derjenigen einer 50 Gew.-% Cu-50 Gew.-% Cr-Legierung ist. Wenn jedoch Niob mit mehr als 10 Gew.-% und Vanadium mit mehr als 10 Gew.-% zu den verschiedenen Cu-Cr-Matrizen zugefügt wurden, verschlechter­ te sich die Unterbrechungseigenschaft, wie in Fig. 12 darge­ stellt. Wenn Niob und Vanadium jeweils mit 30 Gew.-% zugefügt wurden, verschlechterte sich die Unterbrechungseigenschaft in kritischer Weise.

Obwohl in den Diagrammen nicht dargestellt, ergab der Strom­ schalttest, daß die Stromschalteigenschaft auf einen Wert verbessert wurde, der das 1,1- bis 1,2-fache desjenigen des Vergleichsbeispiels darstellt, wenn die Elektrode aus einer Legierung hergestellt wurde, die nicht mehr als 10 Gew.-% Nb und nicht mehr als 10 Gew.-% V enthielt. Legierungen mit mehr als 10 Gew.-% Nb und mehr als 10 Gew.-% V zeigten deutliche Unterschiede im Vergleich zu Legierungen mit nicht mehr als 10% Nb und nicht mehr als 10% V.

Die Fig. 9 und 12 zeigen die Mittelwerte der Tests. Es ist ersichtlich, daß die Elektrodenmaterialien gemäß den Bei­ spielen 2 und 3 im wesentlichen stabile Elektrodenmateria­ lien mit relativ kleinen Änderungsbereichen sind, da der Va­ riationsbereich der Testergebnisse dieser Elektrodenmateria­ lien 40% oder weniger war als derjenige der Testergebnisse der Legierung mit 50 Gew.-% Cu und 50 Gew.-% Cr gemäß dem Ver­ gleichsbeispiel.

Wie oben beschrieben, wird gemäß den Beispielen 2 und 3 das Elektrodenmaterial so hergestellt, daß es als Hauptkomponen­ te Cr enthält und darüber hinaus nur Cu, Nb, V und zufällige Verunreinigungen enthält. Ein solches Elektrodenmaterial für einen Vakuum-Leistungsschalter weist ausgezeichnete Unter­ brechungseigenschaften und zufriedenstellende Stehspannung auf.

Ein Vakuum-Leistungsschalter mit einem Elektrodenmaterial gemäß den Beispielen 2 und 3 kann die Nachfrage nach kleine­ rer Größe befriedigen, die Unterbrechungseigenschaft für große Ströme im Vergleich zu derjenigen verbessern, wie sie mit einer herkömmlichen Struktur erzielbar ist, und er kann verbesserte Stabilität der Eigenschaften bei verringerter Variationsbreite der Eigenschaften aufweisen.

Gemäß der Erfindung enthält das Elektrodenmaterial Cu und darüber hinaus Cr und V oder Cr, V und Nb und zufällige Verunreinigungen. Dadurch kann ein Elektrodenmaterial für einen Vakuum-Leistungsschalter mit ausgezeichneten Schalt­ eigenschaften, Unterbrechungseigenschaften und zufrieden­ stellender Stehspannung erhalten werden. Da die so erhalte­ nen Verbesserungen durch das Vorhandensein von Cu, Cr und V oder Cu, Cr, V und Nb in Form einzelner Substanzen, Legie­ rungen oder deren Kombinationen erhalten werden können, kann die jeweils meistgewünschte Gesamteigenschaft dadurch erhal­ ten werden, daß das Verhältnis der Bestandteile geeignet ge­ wählt wird.

Durch die Erfindung lassen sich gute Unterbrechungseigen­ schaft für hohe Ströme und zufriedenstellende Stehspannung zusammen mit kleinerer Variationsbreite der Unterbrechungs­ eigenschaft erzielen. Es können also ein Material für eine Elektrode eines Vakuum-Leistungsschalters und ein solcher Leistungsschalter erhalten werden, die eine gute Unterbre­ chungseigenschaft für hohe Ströme, zufriedenstellende Stehspannung und einen kleinen Variationsbereich für die Unter­ brechungseigenschaft aufweisen.

Ein Vakuum-Leistungsschalter mit einem erfindungsgemäßen Elektrodenmaterial weist die Vorteile auf, daß die Gesamt­ größe verringert werden kann, eine hohe Stehspannung erzielt werden kann und die Unterbrechungseigenschaft für hohe Strö­ me im Vergleich zu einer herkömmlichen Struktur verbessert werden kann.

Claims (6)

1. Elektrode für einen Vakuum-Leistungsschalter, umfassend Nb und/oder V, in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 22,5 Gew.-% mindestens 40 Gew.-% Cr, und mindestens 10 Gew.-% Cu.

2. Elektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Nb und/oder V in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 20 Gew.-%, und einen Rest aus CuCr mit - bezogen auf diesem Rest - 55 bis 60 Gew.-% Cr enthalten sind.

3. Elektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Nb und/oder V in einer Gesamtmenge von 1,5 bis 20 Gew.-%, und einen Rest aus CuCr mit - bezogen auf diesen Rest - 60 bis 70 Gew.-% Cr enthalten sind.

4. Elektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Nb und/oder V in einer Gesamtmenge von 5 bis 20 Gew.-%, und einen Rest aus CuCr mit - bezogen auf diesen Rest - 70 bis 80 Gew.-% Cr enthalten sind.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusätzlich bis zu 15 Gew.-% Bi, Pb, Te, Sb, Tl, Se, Ce, Ca, Ag enthalten sind.

6. Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Anteil von Nb und/oder V kleiner oder gleich 10 Gew.-%, vorzugsweise 3 bis 7 Gew.-% beträgt.