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EP0368860A1 - Kontaktwerkstoff für vakuumschalter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Kontaktwerkstoff für vakuumschalter und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number
EP0368860A1
EP0368860A1 EP88903830A EP88903830A EP0368860A1 EP 0368860 A1 EP0368860 A1 EP 0368860A1 EP 88903830 A EP88903830 A EP 88903830A EP 88903830 A EP88903830 A EP 88903830A EP 0368860 A1 EP0368860 A1 EP 0368860A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
copper
contact material
tellurium
chromium
selenium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP88903830A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Horst Kippenberg
Hannelore Schnödt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP0368860A1 publication Critical patent/EP0368860A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
    • H01H1/0203—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches
    • H01H1/0206—Contacts characterised by the material thereof specially adapted for vacuum switches containing as major components Cu and Cr

Definitions

  • the invention relates to a contact material for vacuum switches, consisting of the basic components copper (Cu) and chrome and a tellurium (Te) - or selenium (Se) -containing additional component.
  • tellurium (Te) or selenium (Se) are preferred, which can favor the required so-called "soft" switching behavior due to their high vapor pressures.
  • Te tellurium
  • Se selenium
  • Examples from the patent literature are DE-PS 22 40 493, DE-AS 30 06 275, EP-B-0 083 200 and EP-A-0 172 912.
  • the additives tellurium or selenium form intermetallic phases with copper according to the state diagrams known from Hansen's "Constitution of Binary Alloys", Springer Verlag (1958). On the one hand, these have melting points above the melting point of copper and thus enable them to be brazed tendency contact materials, as is pointed out in DE-PS 22 54 623. Since such phases in the vapor pressure are significantly lower than the starting materials tellurium and selenium, the desired physical property of a high vapor pressure is noticeably weakened. However, this also limits the lowering of the tearing currents and voltage instabilities, since it is no longer the pure addition that is decisive, but the intermetallic phase that he forms.
  • the intermetallic phase is generally not completely present on the button of the contact piece made from the contact materials; rather, it is only found there together with the components chrome and copper in a predetermined proportion.
  • This structure must be chosen because, on the one hand, a minimum proportion of chromium is required for the erosion resistance of the contact material and for a sufficient greasing effect, and on the other hand, because of the requirements for current carrying capacity and switching capacity, a minimum proportion of copper is also required. This means that not as much copper can be replaced by the less conductive telluride or selenide.
  • the reduction in the concentration of the intermetallic phase in the button therefore usually has a weakening of the desired tear-off current reducing. Effect.
  • the object of the invention is therefore to specify a contact material and the associated manufacturing method, in which the latter conditions are met and which, in particular, enables switching behavior that is largely free of overvoltage.
  • the object is achieved by the entirety of the features of claim 1.
  • the characteristic of this claim includes in particular the new features compared to the older, not previously published European patent application 87100621.9 (VPA 86 P 3030).
  • Advantageous further developments are specified in subclaims 2 to 6, a method for producing the material according to the invention in method claim 7.
  • the copper telluride (Cu 2 Te) or copper selenide (Cu 2 Se) usually contained in CrCu materials is due to a ternary copper-chromium telluride or copper-chromium selenide with a specifically higher one Tellurium or selenium concentration replaced.
  • the binary telluride or selenide mentioned can be substituted by a ternary telluride or selenide which is similar in melting point and vapor pressure, but which has a significantly higher tellurium or Selenium concentration. This means that with a comparable volume fraction of telluride or selenide in the CrCu structure, the addition of a ternary CrCu telluride or selenide is more advantageous than that of the usual binary Cu telluride or selenide.
  • the ternary tellurides or selenides contained in the contact material according to the invention can be obtained by melting from the individual components chromium, copper and tellurium or selenium. They can then be added in powder form in the CrCu contact production in the desired amount and processed in a known manner.
  • the ternary intermetallic phase can be distributed homogeneously throughout the CrCu structure; however, it can also be limited to a surface zone of the contact and, in particular, starting from the button, can be limited to a predetermined depth of the material, as in the European one Patent application 87100621.9 is described in detail.
  • FIG. 1 shows a temperature-evaporation rate diagram for individual components in the chromium-copper-tellurium system
  • FIG. 2 shows a tear-off current distribution diagram for the intermetallic phases mentioned in the system according to FIG. 1.
  • the evaporation rate is chosen logarithmically as the abscissa and the temperature as the ordinate. From graphs 1 for copper and 2 for tellurium it can be seen that tellurium has a considerable evaporation rate even at low temperatures, whereas considerably higher temperatures have to be specified for copper.
  • the well-known intermetallic phase in the copper-tellurium system namely Cu 2 Te contains approx. 33 atomic% tellurium and 67 atomic% copper; the graph 3 for the relevant evaporation rate is relatively close below the copper graphene 2.
  • the tearing current is the abscissa and the Relative frequency of the stall current plotted so that the representation in this coordinate system provides a stall current distribution.
  • a mixture of chrome, copper and tellurium powder in a mass ratio of approx. 1: 2: 5.5 is heated, melted and homogenized under vacuum or under protective gas to approx. 1300oC.
  • a ternary copper-chromium telluride with a stoichiometry of approximately Cu 3 Cr 2 Te 4 is formed .
  • the ternary copper-chromium telluride produced in this way is ground, sieved to a powder size of ⁇ 100 ⁇ m and mixed with chromium and copper powder with a particle size distribution of likewise ⁇ 100 ⁇ m in a mass ratio of 1: 2: 2. This mixture is applied in an approximately 3 mm high layer to an approximately equally high layer made of a CrCu
  • contact pieces can be produced in which the additional components with the ternary tellurides or selenides are present in the entire contact material.

Landscapes

  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Kontaktwerkstoffe für Vakuumschalter mit den Ba­ siskomponenten Kupfer und Chrom und tellur- bzw. selen­ haltigen Zusatzkomponenten sind bekannt, wobei Kupfer-­ Tellurid (Cu₂Te) bzw. Kupfer-Selenid (Cu₂Se) als binäre intermetallische Phase gebildet werden. Gemäß der Erfindung ist die Zusatzkomponente eine ternäre intermetallische Phase aus Kupfer, Chrom und Tellur bzw. aus Kupfer, Chrom und Selen mit einem Gehalt an Tellur bzw. Selen, der höher liegt als bei den bekannten binären intermetallischen Phasen. Da­ durch erniedrigen sich die Abreißströme der aus dem erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff gefertigten Kontaktstücke und wird das Überspannungsverhalten positiv beeinflußt.
Abstract
Contact materials for vacuum switches having cop­ per and chromium as basic components and additional components containing tellurium or selnium and in which copper telluride (cu₂Te) or copper selenide (cu₂Se) are formed as binary intermetallic phases are known. Accord­ ing to the invention, the additional component is a ternary intermetallic phase composed of copper, chromium and tellurium or copper, chromium and selenium with a telluri­ um or selenium content higher than that in the known in­ termetallic phases. The surge currents of the contact pieces fabricated from the contact material according to the in­ vention are thereby reduced and the overvoltage behaviour enhanced.

Description

Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bestehend aus den Basiskomponenten Kupfer (Cu) und Chrom sowie aus einer tellur(Te)- bzw. selen(Se)-haltigen Zusatzkomponente.
Werkstoffe auf der Basis von Kupfer und Chrom haben sich als Vakuumschalter-Kontaktmaterialien gut bewährt und sind vom Stand der Technik in vielerlei Modifikationen bekannt. In speziellen Schaltfällen werden besonders niedrige Abreißströme und Überspannungen gefordert, wobei insbesondere in induktiven Schaltkreisen die Vermeidung multipler Wiederzündungen und virtueller Chopping-Ströme verlangt wird. In der allgemeinen Fachliteratur wurden hierfür eine Reihe von Lösungen vorgeschlagen, welche die letztgenannten Anforderungen durch Hinzunahme weiterer Komponenten zum Kontaktwerkstoff CrCu zu erfüllen suchen.
Unter den vorgeschlagenen Komponenten werden bevorzugt Tellur (Te) oder Selen (Se) genannt, die aufgrund ihrer hohen Dampfdrücke das geforderte sogenannte "weiche" Schaltverhalten begünstigen können. Beispiele aus der Patentliteratur sind hierzu die DE-PS 22 40 493, die DE-AS 30 06 275, die EP-B-0 083 200 und die EP-A-0 172 912.
Die Zusätze Tellur oder Selen bilden mit Kupfer gemäß den aus Hansen "Constitution of Binary Alloys", Springer Verlag (1958), bekannten Zustandsdiagrammen intermetallische Phasen. Diese besitzen einerseits Schmelzpunkte oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer und ermöglichen so eine Hartlotbarkeit der sie enthal tenden Kontaktwerkstoffe, worauf in der DE-PS 22 54 623 hingewiesen wird. Da derartige Phasen im Dampfdruck deutlich niedriger als die Ausgangsstoffe Tellur und Selen liegen, wird allerdings die erwünschte physikalische Eigenschaft eines hohen Dampfdruckes merklich abgeschwächt. Damit werden aber auch der Erniedrigung der Abreißströme und Spannungsinstabilitäten Grenzen gesetzt, da nicht mehr der reine Zusatz, sondern die von ihm gebildete intermetallische Phase maßgebend ist.
Weiterhin kommt hinzu, daß die intermetallische Phase in der Regel nicht vollständig auf der Schaltfläche des aus den Kontaktwerkstoffen gefertigten Kontaktstücken vorhanden ist; sie findet sich vielmehr dort zusammen mit den Komponenten Chrom und Kupfer nur in einem vorgegebenen Anteil. Dieser Aufbau muß gewählt werden, weil zum einen ein Mindestanteil an Chrom für die Abbrandfestigkeit des Kontaktmaterials und für eine ausreichende Fetterwirkung erwünscht ist, und weil zum anderen wegen der Anforderungen an Stromtragfähigkeit und Schaltvermögen ebenso ein Mindestanteil an Kupfer benötigt wird. Dies bedeutet, daß nicht beliebig viel Kupfer durch das schlechter leitende Tellurid oder Selenid ersetzt werden kann. Die Konzentrationsverminderung der intermetallischen Phase in der Schaltfläche hat daher üblicherweise eine Abschwächung der erwünschten abreißstromsenkenden. Wirkung zur Folge.
Es besteht daher Interesse, den abreißstromsenkenden Einfluß der Komponenten Tellur und Selen zu verbessern, ohne die Vorteile von CrCu-Kontaktwerkstoffen mit Te- bzw. Se-Zusätzen, bei denen eine hinreichende Lötfestigkeit, geringer Abbrand und hohe Schaltleistung gewährleistet ist, aufzugeben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kontaktwerkstoff und das zugehörige Herstellungsverfahren anzugeben, bei dem letztere Bedingungen erfüllt sind und der insbesondere ein weitgehend überspannungsfreies Schaltverhalten ermöglicht. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Dabei beinhaltet das Kennzeichen dieses Anspruches insbesondere die gegenüber der älteren, nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung 87100621.9 (VPA 86 P 3030) neuen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6, ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes im Verfahrensanspruch 7 angegeben.
Bei der Erfindung ist also das üblicherweise in CrCu-Werk- stoffen enthaltene Kupfer-Tellurid (Cu2Te) bzw. Kupfer-Selenid (Cu2Se) durch ein ternäres Kupfer-Chrom-Tellurid bzw. Kupfer- Chrom-Selenid mit spezifisch höherer Tellur- bzw. Selen-Konzentration ersetzt. Im Rahmen der Erfindung wurde überraschender- weise gefunden, daß sich das genannte binäre Tellurid oder Selenid durch ein ternäres Tellurid oder Selenid substituieren läßt, das ihm vom Schmelzpunkt und Dampfdruck her ähnlich ist, das aber von der Zusammensetzung her eine deutlich höhere Tellur- bzw. Selen-Konzentration aufweist. Dies bedeutet, daß bei vergleichbarem Volumenanteil an Tellurid bzw. Selenid im CrCu- Gefüge der Zusatz eines ternären CrCu-Tellurides oder Selenides vorteilhafter ist als der des gewöhnlichen binären Cu-Telluri- des bzw. -Selenides.
Die im erfindungsgemäßen Kontaktwerkstoff enthaltenen ternären Telluride bzw. Selenide lassen sich durch Erschmelzen aus den Einzelkomponenten Chrom, Kupfer und Tellur bzw. Selen gewinnen. Sie können dann in Pulverform bei der CrCu-Kontaktherstellung in der gewünschten Menge beigemischt und in bekannter Weise weiterverarbeitet werden. Die ternäre intermetallische Phase kann im Rahmen der Erfindung homogen im gesamten CrCu-Gefüge verteilt werden; sie kann aber auch auf eine Oberflächenzone des Kontaktes beschränkt sein und insbesondere von der Schaltfläche ausgehend derart bis in eine vorgegebene Tiefe des Werkstoffes begrenzt werden, wie dies in der europäischen Patentanmeldung 87100621.9 im einzelnen beschrieben ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit der Darstellung eines Beispieles.
Es zeigen jeweils als grafische Darstellung die FIG 1 ein Temperatur-Abdampfraten-Diagramm für einzelne Komponente im System Chrom-Kupfer-Tellur, die FIG 2 ein Abreißstromverteilungs-Diagramm für die im System nach FIG 1 genannten intermetallischen Phasen.
Beide Diagramme dienen zur qualitativen Erläuterung der Erfindung, wobei die Koordinaten nicht näher bezeichnete Einheiten beinhalten.
In FIG 1 ist die Abdampfrate logarithmisch als Abszisse und die Temperatur als Ordinate gewählt. Aus den Graphen 1 für Kupfer und 2 für Tellur ist ersichtlich, daß Tellur bereits bei niedrigen Temperaturen eine beachtliche Abdampfrate hat, wogegen bei Kupfer erheblich höhere Temperaturen vorgegeben werden müssen. Die bekannte intermetallische Phase im System Kupfer- Tellur, nämlich Cu2Te enthält ca. 33 Atom-% Tellur und 67 Atom-% Kupfer; der Graph 3 für die diesbezügliche Abdampf- rate liegt relativ nahe unter dem Kupfer-Graphen 2. Es wurde nun gefunden, daß das erfindungsgemäß vorgeschlagene ternäre CuCr-Tellurid, das eine Strukturformel der angenäherten Stö- chiometrie Cu 3Cr2 Te4 hat, etwa 45 Atom-% Tellur aufweist, wobei der Rest entsprechend auf Kupfer und Chrom verteilt ist. Dies bedeutet aber, daß der Tellurgehalt um ca. 1/3 höher ist als der der bekannten intermetallischen Phase Cu2Te. Trotzdem ergeben sich nur geringfügig höhere Abdampfraten, was durch den entsprechenden Graph 4 angedeutet ist.
In FIG 2 ist als Abszisse der Abreißstrom und als Ordinate die relative Häufigkeit des Abreißstromes aufgetragen, so daß die Darstellung in diesem Koordinatensystem eine Abreißstromverteilung liefert. Wenn man von einer bekannten vorgegebenen Abreißstromverteilung gemäß der Verteilungskurve 13 für Cu2Te ausgeht, so ergibt sich als Folgerung des um ca. ein Drittel höheren Tellur-Anteiles bzw. der höheren Abdampfrate von Cu3Cr2Te4 nahezu eine Halbierung der Abreißströme, was aus der Kurve 14 ersichtlich ist. Aufgrund der günstigeren Abreiß- stromverteilungskurve des ternären Kupfer-Chrom-Tellurides der beschriebenen Zusammensetzung wird ganz entsprechend das Überspannungsverhalten positiv beeinflußt.
Inhaltlich entsprechendes gilt für den Ersatz des binären Kupfer-Selenides durch ein ternäres Kupfer-Chrom-Selenid.
Beispiel:
Eine Mischung aus Chrom-, Kupfer- und Tellur-Pulver im Massenverhältnis von ca. 1 : 2 : 5,5 wird unter Vakuum bzw. unter Schutzgas auf etwa 1300 ºC aufgeheizt, geschmolzen und homo- genisiert. Dabei entsteht ein ternäres Kupfer-Chrom-Tellurid der Stöchiometrie von etwa Cu3Cr2Te4. Das so erzeugte ternäre Kupfer-Chrom-Tellurid wird zermahlen, auf eine Pulvergröße <100 μm abgesiebt und mit Chrom- und Kupfer-Pulver einer Teilchengrößenverteilung von ebenfalls < 100 μm im Massenverhältnis 1 : 2 : 2 vermischt. Diese Mischung wird in einer ca. 3 mm hohen Schicht auf eine etwa gleich hohe Schicht aus einer CrCu-
Pulvermischung gleicher Teilchengrößenverteilung mit ca.
600 MPa aufgepreßt und bei etwa 1050 ºC unter Vakuum gesintert.
Zur Erreichung des notwendigen Raumerfüllungsgrades von ≥ 98 % können, falls erforderlich, Nachverdichtungsschritte durchgeführt werden. Aus dem entstandenen Rohling lassen sich Zweischicht-Kontaktauflagen spanend herausarbeiten.
In weiteren Beispielen können Kontaktstücke hergestellt werden, bei denen die Zusatzkomponenten mit den ternären Telluriden bzw. Seleniden im gesamten Kontaktwerkstoff vorhanden sind.
7 Patentansprüche 2 FIG

Claims

Patentansprüche
1. Kontaktwerkstoff für Vakuumschalter, bestehend aus den Basiskomponenten Kupfer (Cu) und Chrom (Cr) sowie aus einer tellur (Te)- bzw. seien (Se)-haltigen Zusatzkomponente , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzkomponente eine ternäre intermetallische Phase aus Kupfer (Cu), Chrom (Cr) und Tellur (Te) bzw. Selen (Se) ist und einen Gehalt an Tellur bzw. Selen hat, der höher ist als bei den binären intermetallischen Phasen der Stochiometrie Cu2Te bzw. Cu2Se.
2. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gehalt an Te bzw. Se in der ternären intermetallischen Phase größer als 40 Atom-% ist.
3. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die ternäre intermetallische. Phase angenähert die Strukturformel Cu3Cr2Te4 bzw. Cu3Cr2Te4. hat.
4. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzkomponente gleichmäßig im Kontaktwerkstoff verteilt ist.
5. Kontaktwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzkomponente gleichmäßig in einer Schicht des Kontaktwerkstoffes verteilt ist, die sich von der Schaltfläche bis zu einer vorgegebenen Tiefe im Kontaktwerkstoff erstreckt.
6. Kontaktwerkstoff nach Anspruch 4 oder Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zusatzkomponente in einer Konzentration zwischen etwa 10 und 60 Masse-%, vorzugsweise zwischen 30 und 40 Masse-%, im gesamten Kontaktwerkstoff oder in der schaltflächennahen Schicht vorhanden ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kontaktwerkstoffes nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Die Zusatzkomponente wird aus ihren Bestandteilen Kupfer, Chrom und Tellur bzw. Selen erschmolzen und gemahlen. b) Die pulverförmige Zusatzkomponente wird mit den Basiskomponenten Kupfer und Chrom gemischt. c) Die weitere Verarbeitung erfolgt nach bekannten pulvermetallurgischen Verfahren durch Pressen, Sintern und ggf. Nachverdichten zu einem Kontaktkörper.
EP88903830A 1987-07-28 1988-05-04 Kontaktwerkstoff für vakuumschalter und verfahren zu dessen herstellung Withdrawn EP0368860A1 (de)

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