DE2014638A1

DE2014638A1 - Process for the production of a two-layer contact piece

Info

Publication number: DE2014638A1
Application number: DE19702014638
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr rer nat 8501 Wendelstein Schreiner Horst Prof Dr techn habil 8500 Nürnberg Haßler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-03-26
Filing date: 1970-03-26
Publication date: 1971-10-14
Also published as: ES389569A1; GB1351215A; SE376323B; CH515599A; US3770497A; FR2084094A5

Description

Verfahren zur Herstellung eines Zwßischichten-KontaktstückesMethod of making an interlayer contact piece

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Zweischichten-Kontaktstüekes für Hochvakuumleistungssehalter, The invention relates to a method for producing a two-layer contact piece for high vacuum circuit breakers,

Die Eigenschaftsforderungen an Vakuumschalter-Kontaktwerkstoffe für Vakuumleistungsschalter sind, neben extrem niedrigen Gasgehalten, kleiner Chopping-Effekt, kleinö Schweißkraft und kleiner Kontaktwiderstand. Darüber hinaus wird aujch ein geringer Abbrand verlangt. Beim Chopping-Effekt reißt der Lichtbogen beim Schalten kleiner Ströme ab, wobei infolge Induktionswirkung Spannungsspitzen hervorgerufen werden, die zu Durchschlägen führen können. Um den Chopping-Effekt möglichst klein zu halten, wird dem Kontaktwerkstoff eine kleine Menge eines Metalles mit hohem Dampfdruck zugesetzt, wodurch die Einschnürung des Lichtbogens durch die Stromkräfte vermindert wird. Pur die Anwendung von Kontaktwerkstoffen in Vakuumleistungsschaltern sind Verbundwerkstoffe mit einem hochschmelzenden Metallgerüst, wie Wolfram, Molybdän oder Rhenium begrenzt anwendbar, da wegen des hohen Atomgewichtes die elektrische Spannungsfestigkeit des Schalters beruhend, auf der Diffusion des Metalldampfes aus dem Kontaktspalt - nicht schnell genug wieder hergestellt wird. Die Schaltströme s^ind etwa bei 4 kA begrenzt. Als Grundmetall kommen Metalle mit einem Atomgewicht<65» wie z.B. Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel und Beryllium in Betracht, die einen Wirkzusatz hohen Dampfdrucks als Antichopping-Kjomponente erhalten. Bekannt ist z.B, die Verwendung von Kupfer-Kontakt stücken, die Aus- drehungfn erhalten, in die Kupfer-Wismut-Hinge eingesetzt werden. Bei Legierungen mit dem Srundmetall Kupfer und demThe property requirements for vacuum switch contact materials for vacuum circuit breakers are, in addition to extremely low gas contents, a small chopping effect, small welding force and small contact resistance. In addition, a low burn-up is also required. With the chopping effect, the arc breaks off when small currents are switched, causing voltage peaks as a result of the induction effect, which can lead to breakdowns. In order to keep the chopping effect as small as possible, a small amount of a metal with a high vapor pressure is added to the contact material, which reduces the constriction of the arc by the current forces. For the application of contact materials in vacuum circuit breakers, composite materials with a high-melting metal structure such as tungsten, molybdenum or rhenium can be used to a limited extent because, due to the high atomic weight, the dielectric strength of the switch, based on the diffusion of metal vapor from the contact gap, cannot be restored quickly enough . The switching currents s ^ ind are limited to around 4 kA. Metals with an atomic weight of <65 », such as copper, iron, cobalt, nickel and beryllium , can be used as the base metal, which contain an active ingredient of high vapor pressure as an antichopping component. It is known, for example, to use copper contact pieces that receive turns into which copper-bismuth hinge are inserted. For alloys with the scrap metal copper and the

109842/0820109842/0820

BADBATH

2UH6382UH638

VPA 70/7519VPA 70/7519

Antichopping-Zusatz, z.B. Wismut, ist es schwierig, bei dem geforderten niedrigen Gasgehalt das Wismut in definierter Menge gleichmäßig in der Kontaktschicht des Kupfers zu verteilen. Außerdem besteht bei der Verwendung einer homogenen Kupfer-Wismut-Legierung die Schwierigkeit, eine feste temperaturwechselbeständige Verbindung zwischen dem Kontaktstück und dem Trägermetall herzustellen, da die Wirkkomponente, z.B. Wismut, zu einer starken Versprödung des Kontaktmaterials und der Lotschicht und einer Verminderung der Festigkeit führt.Antichopping additive, e.g. bismuth, is difficult to use required low gas content to distribute the bismuth in a defined amount evenly in the contact layer of the copper. In addition, there is the use of a homogeneous copper-bismuth alloy the difficulty of a firm connection between the contact piece and the carrier metal which is resistant to temperature changes as the active component, e.g. bismuth, leads to strong embrittlement of the contact material and the solder layer and leads to a reduction in strength.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von Zweischichten-Kontaktstücken für Hochvakuumleistungsschalter die oben geschilderten Schwierigkeiten zu überwinden.The invention is based on the object in the production of two-layer contact pieces for high-vacuum circuit breakers to overcome the difficulties outlined above.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer Oberfläche eines metallischen Gr rundkör pe rs hoher elektrischer Leitfähigkeit ein Hilfsmetall und ein Diffusionsmetall durch Diffusion einlegiert wird, wobei das Hilfsmetall mit dem Diffusionsmetall und dem metallischen Grundkörper eine schmelzflüssige Phase bildet.According to the invention the object is achieved in that in a Surface of a metallic body with high electrical Conductivity an auxiliary metal and a diffusion metal is alloyed by diffusion, the auxiliary metal with the Diffusion metal and the metallic base body forms a molten phase.

Pur die Durchführung des Verfahrens kann das Hilfsmetall und das Diffusionsmetall in Form einer Legierung oder als Pulvermischung vorgegebener Zusammensetzung in Form eines losen Pulvers oder als Pulverpreßkörper mit einer Oberfläche des metallischen Körpers in Kontakt gebracht werden. Die Legierung oder die Pulvermischimg oder der Pulverpreßkörper werden anschließend durch Diffusion in den metallischen Grundkörper einlegiert, derart, daß die Menge des Hilfsmetalls bei vorgegebenen Diffusionsbedingungen im Grundkörper äine definierte Diffusionstiefe ergibt.The auxiliary metal and the diffusion metal in the form of an alloy or as a powder mixture of predetermined composition in the form of a loose Powder or powder compacts are brought into contact with a surface of the metallic body. The alloy or the powder mixture or the powder compact are then alloyed by diffusion into the metallic base body in such a way that the amount of auxiliary metal at a given Diffusion conditions in the base body result in a defined diffusion depth.

Als Grundkörper können ζ,3. Körper aus Kupfer, Nickel, Eisen, Kobalt oder Beryllium verwendet werden und. alä Diffusionsmetall z.B. Wismut, Blei, Tellur oder Antimon.The basic body can be ζ, 3. Body made of copper, nickel, iron, Cobalt or beryllium can be used and. alä diffusion metal e.g. bismuth, lead, tellurium or antimony.

Als Hilfsmetall werden vorzugsweise solche Metalle verwendet, die mindestens 50⁰C unterhalb der Schmelztemperatur des metalli-As an auxiliary metal such metals are preferably used, at least 50 ⁰ C below the melting temperature of the metallic

10 9 8 4 2/0820 original inspected10 9 8 4 2/0820 originally inspected

• · 20U638• 20U638

• 3 YPA 70/7519• 3 YPA 70/7519

sehen Grundkörpers mit diesem und dem Diffusionsmetall eine flüssige Phase bilden.see basic body with this and the diffusion metal one form liquid phase.

Die Verwendung eines Hilfsmetalls bietet den Vorteil, eine Diffusionstemperatur anzuwenden, die wesentlich unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Grundkörpers liegt. Im Falle · der Verwendung eines Grundkörpers aus Kupfer, des Hilfsmetalls Silber und des Diffusionsmetalls Wismut ist eine Diffusionstemperatur zwischen 800° und 1000⁰C geeignet, um innerhalb von 10 bis 30 Minuten einen Gleichgewichtszustand zu erreichen und damit die gewünschte Diffusionsschicht herzustellen. Bei Verwendung von Reinwismut als Diffusionsmetall und Kupfer für J den Grundkörper ergäbe sich ohne Verwendung eines Hilfsmetalls bei einem gewünschten Gleichgewichts-Bi-Gehal·!; von 2 <fo eine Diffusionstemperatür von 1O75°C. Da diese Temperatur nur 8⁰C unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers liegt, ist die Einhaltung der Temperaturförderung in einem Ofen für Fertigungsaufgaben praktisch nicht möglich. .The use of an auxiliary metal offers the advantage of using a diffusion temperature that is significantly below the melting temperature of the metallic base body. In the case of · the use of a base body of copper, the auxiliary metal silver and the diffusion metal bismuth, a diffusion temperature of between 800 ° and 1000 ⁰ C is suitable to achieve within 10 to 30 minutes, an equilibrium state and thus produce the desired diffusion layer. Using pure bismuth as diffusion metal and copper for the base body would result in a desired equilibrium Bi content without using an auxiliary metal. of 2 <fo a diffusion temperature of 1075 ° C. Since this temperature is only 8 ^° C. below the melting temperature of copper, it is practically impossible to maintain the temperature promotion in a furnace for manufacturing tasks. .

Anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert.Based on the drawing and an exemplary embodiment, the Invention explained in more detail.

Aus hochentgastem Kupfer wird ein scheibenförmiger Kontaktrohling (Grundkörper) 11 mit 60 mm Durchmesser und einer Höhe von 20 mm gegossen, der in Fig. 1 dargestellt ist. In eine Ober- ^ fläche des Grundkörpers 11 wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, eine ringförmige Aussparung 12 mit den Abmessungen 0_n = 40,A disk-shaped contact blank (base body) 11 with a diameter of 60 mm and a height of 20 mm, which is shown in FIG. 1, is cast from highly degassed copper. In a surface of the base body 11, as shown in Fig. 2, an annular recess 12 with the dimensions 0 _n = 40,

0^ = 30, Tiefe = 5 mm angebracht, die etwa der späteren Kontaktfläche entspricht. In 4iese Eindrehung 12 wird ein Pulverpreßling 13 (Fig.3) aus einem Gemisch von 10 g Silber, 15 g Kupfer und 1g Wismut eingelegt und eine Diffusionstemperatur von 1000⁰C eingestellt. Hierbei bildet sich eine flüssige Phase aus, die ein Gleichgewicht aus 10 g Silber und etwa 40 g Kupfer bildet, die das Wismut gleichmäßig verteilt enthält. Die flüssige Phase, die dem Diffusionsbereich 14 entspricht, ist in Fig. 4 darge- 0 ^ = 30, depth = 5 mm attached, which corresponds approximately to the later contact area. A powder compact 13 (FIG. 3) made of a mixture of 10 g of silver, 15 g of copper and 1 g of bismuth is inserted into this recess 12 and a diffusion ^{temperature of 1000 °} C. is set. This forms a liquid phase that forms an equilibrium of 10 g of silver and about 40 g of copper, which contains the bismuth evenly distributed. The liquid phase, which corresponds to the diffusion region 14, is shown in FIG.

10 9-8 42/0820 ORIGINAL INSPECTED10 9-8 42/0820 ORIGINAL INSPECTED

2U1A6382U1A638

VPA 70/7519VPA 70/7519

stellt. Nach Abschluß der Diffusion wird entsprechend Fig. 5 das Kontaktstück herausgearbeitet, das aus der Trägerschicht 11 und der eindiffundierten Kontaktfläche 15 besteht, deren Diffusionszonenbegrenzung gestrichelt dargestellt ist. Dieses so gewonnene Kontaktstück kann mit üblichen Loten, z.B. AgCu eutektisch mit dem Trägermetall Kupfer einwandfrei verbunden werden.represents. After completion of the diffusion, the contact piece is worked out according to FIG. 5, which consists of the carrier layer 11 and the diffused contact surface 15, the diffusion zone delimitation of which is shown in dashed lines. This so The contact piece obtained can be flawlessly connected eutectically with the carrier metal copper using common solders, e.g. AgCu will.

Im Falle der Verwendung von Eisen, ITiekel, Kobalt oder Beryllium für den Grundkörper sind entsprechende Hilfsmetalle zu wählen, die bei der Diffusionstemperatur mit dem Metall des GrundkÖrpers eine im Vergleich zu diesem Metall niedriger schmelzende flüssige Phase in Form von Mischkristallen ein Eutektikum oder Peritektikum ergeben. Je nach Löslichkeitsverhältnis wird für eine gewünschte Eindringtiefe die Menge an Hilfsmetail und Diffusionsmetall festgelegt. In the case of using iron, ITiekel, cobalt or beryllium Corresponding auxiliary metals are to be selected for the base body, which are at the diffusion temperature with the metal of the base body a liquid phase with a lower melting point than this metal in the form of mixed crystals a eutectic or peritectic result. Depending on the solubility ratio, the amount of auxiliary metal and diffusion metal is determined for a desired penetration depth.

6 Patentansprüche
3 Figuren6 claims
3 figures

_ 4 _ 109842/0820_ 4 _ 109842/0820

Claims

TPA 70/7519 claims

1. Process for the production of a two-part contact piece for high vacuum circuit breakers, characterized in that An auxiliary metal and a diffusion metal are alloyed by diffusion into a surface of a metallic base body (11) of high electrical conductivity, where "with the auxiliary metal with the diffusion metal and the metallic base body (11) forms a molten phase. "

2. The method according to claim 1, characterized in that first the diffusion metal and the auxiliary metal in the form of an alloy or as a powder mixture of a given composition in the form of a loose powder or as a powder compact (13) is brought into contact with a surface of the metallic base body (11) and then the powder mixture or> the powder compact (13) by diffusion into the base body (11) is alloyed in such a way that the amount of auxiliary metal with given diffusion conditions in the base body (11) a defined diffusion depth (14) results.

3. The method according to claim 2, characterized in that for recording the diffusion metal and the auxiliary metal in a surface of the base body (11) an annular recess (12) is introduced.

4. The method according to claims 1, 2 or 3 »characterized ^ that the metal for the base body (11) is copper, nickel, Iron, cobalt or beryllium is used.

5. The method according to claim 4, characterized in that as Diffusion metal bismuth, lead, tellurium or antimony is used.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that, as auxiliary metal, a metal _s is used forming at least 50 ⁰ C below the melting temperature of the metallic base body (11) with the latter and the DiIi'asionsmetall a liquid phase.

ORiGIWAL INSPECTED

109842/08 - 2 $ - -

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