DD208701A1

DD208701A1 - Verfahren zur herstellung von schaltstuecken

Info

Publication number: DD208701A1
Application number: DD82241921A
Authority: DD
Inventors: Hans Bohmeier; Walter Kunert; Manfred Raschke; Alfred Goetsch; Eckehard Gebauer
Original assignee: Mansfeld Kombinat W Pieck Veb
Priority date: 1982-05-19
Filing date: 1982-05-19
Publication date: 1984-04-04
Also published as: DD208701B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaltstuecken aus CuFe-, CuCo- oder CuFeCo-Legierungen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, dass genannte Legierungen auch bei erhoehten Konzentrationen der Legierungselemente fuer die Schaltstueckfertigung einsetzbar sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Schaltstuecken mit faserfoermiger Ausrichtung der Fe-, Co- oder FeCo-reichen Gefuegebestandteile bereitzustellen. Durch eine abgestimmte Schmelz- und Verformungstechnikwird Cu-Basislegierungen mit Gehalten an Fe und/oder Cvon 30 bis 90 Masse-% eine faserartig orientierte Gefufuegeausbildung sowie eine bestimmte dem jeweiligen Anwendungsgebiet angepasste Gefuegeorientierung gegeben. Damit werden gegenueber entsprechenden pulvermetallurgischen Legierungen aber auch im Vergleich zum Gusszustand bedeutendd verbesserte Schalteigenschaften sowie auch verbesserte mechanische und technologische Eigenschaften erreicht. Fuer Vakuum-Schuetze, Vakuum-Lastschalter und gekapselte Schaltgeraete wird die Gefuegeorientierung senkrecht zur Kontaktflaeche gewaehlt, fuer Vakuumleistungsschalter im Abbrandbereich parallel zu dieser. Die Legierungen werden nicht unter Vakuum, sondern im offenen Induktionsofen unter einer Schlackeabdeckung erschmolzen, wenn mit Al oder Al und Mn und Si in Konzentrationen von jeweils nicht mehr als 0,5 % desoxydiert wird.

Description

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Verfahren zur Herstellung von Schal ta tücken Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaltstücken für Vakuum-Bogenlöschkammern und für gekapselte Schaltgeräte, die vorzugsweise im Abbrandbereich von Mehrbereichskontakten sowie für Schaltstücke von Vakuumschützen und gekapselten Schaltgeräten in der Energietechnik eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Verwendung von CuPe- und CuÖo-Legierungen ist vielfach in der Patentliteratur beschrieben worden. Im allgemeinen werden diese Legierungen pulvermetallurgisch hergestellt. Aus Pe- bzw. Co-Pulver wird ein poröser Grundkörper gepreßt und gesintert» der dann mit Metallen und Legierungen niedrigerer Schmelz- bzw. Liquidustemperatur getränkt wird. Die Patentansprüche beziehen sich ausdrücklich auf Legierungen, die nach diesem Verfahren her-

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gestellt wurden, wobei teilweise auch für die Größe der zu verwendenden Pulverteilchen Schutzrechte beantragt wurden (DL-PS 74 881, GB-PS 1 194 674, OE-PS 297 833, SU-PS 355 826, CH-PS 495 618, FR-PS 1 524 604, US-PS 3 818 163, DT-AS 1 640 039, GB-PS 1 388 283, DT-OS 2 324 317, US-PS 2 401 221, SU-PS 475 676). Auf schmelzmetallurgisch hergestellte CuPe- und CuCo-Legierungen mit weiteren Legierungselementen beziehen sich die GB-PS 1 255 585, DT-AS 1 558 543 und US-PS 3 502 465. In der GB-PS 1 255 685 sind Schutzrechte für Legierungen bestehend aus Cu in Konzentrationen über 40 Masse-% mit Metallen der Eisengruppe wie Fe, Co, Ni und Cr in Konzentrationen zwischen der Löslichkeitsgrenze im Cu und 60 Masse-% sowie Pb von 0,035 bis 7 Masse-% beantragt. Die Legierungskomponenten werden bei einem Druck von 10"-* Torr entgast. Das Legieren erfolgt in einem Hochfrequenzofen bei einem Druck von 10"^ Torr. Durch spangebende Bearbeitung werden aus den Gußblöcken Schaltstücke hergestellt. Die Fe-Gehalte bewirken gegenüber reinem Cu eine Senkung der Koritakterosion und eine Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit. Die Pb-Zusätze setzen die Schweißhaftktfäffc herab. Ea ist allerdings festzustellen, daß die Ausführungsbeispiele und die Unteransprüche nur Legierungen mit niedrigeren Gehalten an Metalibn de*r Eisengruppe betreffen. Die angeführten Co- Und Cr-Gehalte liegen zwischen 10 und 30 Masee-^ und die Fe-Gehalte zwischen 5 und 20 Masse-#«

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Die DT-AS 1 558 543 und US-PS 3 502 465 beziehen sich auf CuCoBi-Legierungen mit Co-Gehalten von 10 bis 20 Masse-% und Bi-Gehalten von 0,1 bis 1,0 Masse-%. Durch den Co-Gehalt sollen der Abreißstrom und durch den Bi-Gehalt die Schweißhaftkraft herabgesetzt werden· Die Legierungen werden ebenfalls unter Vakuum erschmolzen«

Es wird darauf hingewiesen, daß die Herstellung homogener Legierungen mit höheren Co-Gehalten Schwierigkeiten bereitet. Als Tiegelmaterial kann Kohle verwendet werden, wodurch eine Desoxydation erreicht wird. Auftretende Blockinhomogenitäten sollen vorteilhaft für das Löten der Schaltstücke sein, da sich die Lötstelle in der Mitte befindet» also an der Stelle, wo zumindest am Blockkopf Cu-Anreicherungen auftreten» Die Schaltstückherstellung erfolgt ebenfalls direkt aus dem Gußblock. Bei der vergleichenden Beurteilung.unterschiedlich hergestellter Schaltstücke ist davon auszugehen, daß trotz gleicher chemischer Zusammensetzung Je nach Herstellungsverfahren unterschiedliche Eigenschaften erreicht werden, "da selbst bei nominell gleichem Basiswerkstoff unterschiedliche Hersteller durch unterschiedliche Pertigungstechnologie und Variation der Konzentrationsverhältnisse grundlegend andere Kontakteigenschaften erzielen** (Hässler, H,j Kippenberg, H. und Schreiner, H« i Kontaktwerkstoffe für Vakuum-Mittelspannungs-Leistungsschalter, Elektrotechnik 63 (1981) 8, S. 26 - 28).

Anhand eigener Untersuchungen konnte festgestellt werden, daß schmelzmetallurgisch hergestellte CuPe- und CuCo-Legierungen je nach den Schmelz- und Erstarrungsbedingungen eine sehr unterschiedliche Gefügeausbildung aufweisen· Am Blockfuß und Blockrand, wo die Schmelz- und überhitzungswärmen schnell abgeführt werden, bildet sich ein feinkörniges Gefüge aus. In Richtung Blockmitte und

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Blockkopf tritt zunehmend eine Vergröberung der Gefügebeetandteiie und die Neigung zur Cu-Anreicherung auf· Unter üblichen Schmelzbedingungen ist die Neigung zur Entmischung bei Legierungen im Konzentrationsbereich von 40 bis 60 Masse-% besonders ausgeprägt. Das breite Erstarrungsintervall zwischen Liquidus- und Soliduatemperatur der CuPe- und CuCo-Legierungen bedingt auch eine hohe Warmrißanfälligkeit und die Ausbildung einer porösen Zone unterhalb des Kopflunkers· Die bei der Erstarrung und Abkühlung auftretenden Wärmespannmigen führen häufig sowohl zu Längs- als auch

Querrissen im Gußblock.

Diese Schwierigkeiten sind die Ursache dafür, daß die Fe- bzw. Co-Gehalte bei schmelzmetallurgischer Herstellung der Legierungen 30 Masse-% im allgemeinen nicht

übersteigen.

Ziel, der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, CuPe-, CuCo- und CuPeCo-Legierungen auch bei erhöhten Konzentrationen der Legierungselemente für die Schaltstückfertigung einsetzbar zu machen»

Darlegung. des_M. Wesens,, der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» ein Verfahren zur Herstellung von SchaltßtÜcken mit faserförmiger Ausrichtung der Pe-, Co- bzw· PeCo-reichen Gefügebestandteile bereitzustellen·

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem Gußblöcke aus CuPe-, CuCo- und CuPeCo mit Pe- und/oder Co-Gehalten von 30 bis 90 Masse-^ derart erschmolzen und vergossen werden, daß unter Einhaltung abgestimmter Überhitzungs-, Gieß- und Erstarrungsbedingungen sich ein Gefüge ausbildet, welches durch eine faserartig orientierte Anordnung der primär erstarrten eisen- und/ oder kobaltreichen Phase bis zur Blocklängsachse charakterisiert wird, wobei die sonst üblichen makroskopischen Seigerungen und Warmrisse vermieden werden (Pig. D.

Das wird dadurch erreicht, indem die Temperatur der Schmelze bzw. die Gießteraperatur auf mindestens 150 ⁰C oberhalb der Liquidustemperatur eingestellt wird und die Temperatur der Kokille 100 ⁰C nicht überschreitet. Bei Verwendung von Grauguß als Kokillenmaterial muß die Masse der Kokille mindestens dem Doppelten der Blockmasse entsprechen bzw. übersteigen. Als Alternative können wassergekühlte Kokillen verwendet werden. Die Gießleistung ist so zu bemessen, daß die Gießgeschwindigkeit etwa der Brstarrungsgeschwindigkeit in der Kokille entspricht. Dadurch wird erreicht, daß einmal während der Erstarrung der für die Ausbildung der faserartigen Orientierung der primär erstarrenden Pe- und/oder Coreichen Phase hohe Temperaturgradient vorliegt sowie arteigene, die Ausbildung globulitischen Gefüges begünstigende Kristallisationskeime vernichtet werden und daß zum anderen in der Kokille nur eine begrenzte, während des Gießvorganges möglichst konstant zu haltende überhitzte Schmelzmasse vorhandeil ist» um Seigerungen, Lunkerungen und Warmrisse zu vermeiden.

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Die auf diese Weise hergestellten Gußblöcke werden durch Strangpressen oder Fließpressen mit einem Verformungsgrad i£ 2Z 70 % warmverformt, wobei die bereits vororientierten Pe-, Co- bzw. PeCo-reichen Gefügebestandteile weiter gestreckt und in Preßrichtung ausgerichtet werden (Pig«. 2), so daß quer zur Verformungsrichtung der Durchmesser und Abstand dieser Gefügebestandteile zueinander abnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist davon auszugehen, daß weder durch eine alleinige Verformung von globulitisch erstarrtem Material noch allein durch die beschriebene Schmelz- und Gießweise, sondern nur durch das Zusammenwirken beider Verfahrensschritte die für das fertige Schaltstück gewünschte faserartige Anordnung der extrem gestreckten Pe-, Co- bzw« FeCo-reichen Gefügebestandteile zu erzielen ist· D. h·, sowohl die allein durch die Eretarrungsbedingungen gegebene Streckung als auch die durch Verformung von globulitisch erstarrtem Gefüge erzielte Streckung ist nicht für den vorgesehenen Anwendungszweck ausreichend und gewährleistet nicht die geforderten elektrotechnischen Eigenschaften. Quer zur Verformungsrichtung werden die Pe-, Co- bzw, PeCo-reichen Gefügebestandteile im Durchmesser kleiner, und ihr Abstand wird geringer» Es wird ein feitiefes Gefüge, eine Art Faserverbundwerkstoff erreicht» Poren und feine Hisse im Gußblock verschweißen. Die mechanischen und technologischen Eigenschaften werden verbessert.

Stranggepreßtes Material wird erfindungsgemäß dort eingesetzt, wo durch eine senkrechte Orientierung der Pe-, Co- oder P@Co-Phase zur Kontaktfläche ein niedriger Abbrand gewährleistet wird. Das ist der Pail bei Schaltstücken für Vakuumschütze und nach weiterer Verformung

des Strangpreßmaterials auf kleinere Querschnitte bei gekapselten Schaltgeräten in der Energietechnik.

Erfindungsgemäß lassen sich Schaltstücke aus CuPe- und CuFeCo-Legierungen mit einem Gefügeaufbau, der einem Faserverbundwerkstoff nahekommt, und einer Faserorientierung senkrecht zur Kontaktfläche auch in gekapselten Schaltgeräten der Energietechnik einsetzen Da der Schaltvorgang in einer inerten Atmosphäre abläuft, sind Reaktionen mit dem Kontaktmaterial ausgeschlossen. Das mit einem Verformungsgrad von mehr als 70 % stranggepreßte Material wird bei entsprechenden Zwischenglühungen zu Draht verformt. Die Gefügebestandteile werden dabei weiter gestreckt und in ihrem Querschnitt verfeinert. Die Wirkung der Legierungen als Faserverbundwerkstoff wird dadurch weiter verstärkt und der Abbrand gesenkt.

Bei Vakuumschaltern wird angestrebt, den Kontaktabbrand durch Verbesserung des Lichtbogenlaufverhaltens zu senken« Dazu ist es vorteilhaft, wenn das faserartige Gefüge im Abbrandbereich parallel zur Kontaktoberfläche in Richtung Schaltstückperipherie orientiert ist» Gefügebestandteile hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit, relativ großen und kleinen Dampfdrucks sind damit annähernd parallel zueinander und zur Kofttaktflache angeordnet (Fig. 3)» Dadurch wird die Bewegung

des Lichtbogens in Richtung der Gefügeorientierung, d· h. in Richtung SchaltstückperipherIe, beschleunigt.

Erfindungsgemäß wird eine derartige Gefügeorientierung dadurch erreicht, daß ein Gußblock» dessen Gefüge vororientiert ist, mit einem Verformungsgrad von mehr als 70 % zu Stangen stranggepreßt wird und diese Stangen auf Längen von ca* 1,5 χ d (d « Stangendurchmesser) geschnitten und dann zu scheibenförmigen Schaltstückroh-

lingen gestaucht (Pressen oder Schmieden) werden* Durch Verwendung eines Gesenks kann dem Schaltstückrohling schon annähernd die eigentliche Sehaltstückform gegeben werden«, Durch Fließpressen, Schlag-Fließpressen oder Rückwärts-Schlag-Fließpressen lassen sich auch spezielle Kontaktformen wie Topfkontakte (Fig. 4) mit'der entsprechenden Gefügeorientierung herstellen. Dabei ist es ebenfalls vorteilhaft, bereits stranggepreßte Stangenabschnitte einzusetzen, prinzipiell lassen sich aber auch Gußblockabachnitte verwenden, wenn der Verformungsgrad der nachfolgenden Verformung mehr als 70 % beträgt. FUr CuFe-Legierungen wurde als weiterer Vorteil ein sehr hohes Gettervermö'gen nachgewiesen, sofern der Eisengehalt ausreichend hoch ist (^30 Mas se-^). Selbst Gesamtgasgehalte bis zu 200 Masse-ppm, die bisher für Vakuumachalterwerkstoffe als unzulässig galten, wirken sich in Schaltkammern von Hochspannungs-Leistungsschaltem nicht nachteilig aus, da beim Schaltvorgang freiwerdende Gase sofort wieder ge^öttöri w^rlen. Γ Erfindungsgemäß müssen deshalb die CuFe-, OuCo- und CuFeCo-Legierungen nicht im Vakuuminduktionsofen, sondern können auch im offenen Induktionsofen unter einer Schlackeabdeckung bei einer Desoxydation mit Mn, Si und/ oder Al erschmolzen werden« Bei dieser Technologie werden Gasgehalte erreicht, die sich nicht wesentlich von denen vakuummetallurgisch hergestellter entsprechender Legierungen unterscheiden $ ober immer noch weit unter" denen entsprechender pulvermetällurgischer Werkstoffe liegen«

Ausjrithrung8bei8piele

1· Beispiel: CuFe50 für Schaltstücke von Vakuumschützen und Vakuumlastschaltern

a) Erschmelzen von Cufe5O im offenen Induktionsofen unter folgenden Bedingungen

Schlackenabdeckung: 15 % ^Al2°3» 45 % ^SiOp^}

40 % CaO

Desoxydation: 0,3 % Mn; 0,3 % Si; 0,3 % Al

Chargenmasse: 500 kg

Überhitzung der Schmelze: 170 ⁰C

Gießtemperatur: 16OO ⁰C

Kokille: GG

0 165 mm χ 1500 mm 90 mm Wandstärke

Kokillenteraperatur: 80 ⁰C

Blockbearbeitung: Abdrehen der Gußhaut

Sägen auf Preßbolzenlänge (ca. 400 ·.. 500 mm)

b) Strangpressen der Gußblöcke bei einer Temperatur von 750 ⁰C mit einem Verformungsgrad von 80 %

c) Herstellen von Schaltstücken durch spangebende Bearbeitung beispielsweise auf Drehautomaten, so daß die iaserrichtung senkrecht zur Kontaktfläche liegt

2. Beispiel* CuFe50 für Scheibenschaltstücke von Vakuum-, leistuiigffschaltern

a) und b) wie im 1. Ausführungßbeispiel

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c) Trennen der Strangpreßstangen auf Längen von 1,5 xd (d » Stangendurchmesser)

d) Stauchen der Stangenabschnitte im Gesenk zu Rohlingen von Schaltstückscheiben, wobei die Faserrichtung parallel zur Schaltstückoberfläche orientiert wird

e) Spangebende Bearbeitung der Schaltstückrohlinge zur Endabmessung

3. Beispiel! CuFe50 für Topfschaltstücke von Vakuum-., .„, ,^ej.a.tpngsachaltern

a) bis c) wie im 2. Ausführungsbeispiel

d) Fließpressen der Stangenabschnitte zu Rohlingen für Topfschaltstücke, wobei die Faserrichtung parallel zur Schaltstückoberfläche orientiert wird

e) Spangebende Bearbeitung zur Endform

4· Beispiel? CuFe50 für Topfschaltstücke von Vakuumleistungsschaltern

a) wie im 1· Ausführungsbeispiel

b) Schneiden des Gußblocks zu Scheiben

c) Fließpresse^ der Scheiben zu Rohlingen für Topfschaltstücke, wobei die Faserrichtung parallel zur Schaltstückoberfläche orientiert wird

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d) Spangebende Bearbeitung zur Endform

5. Beispiel« CuPe50 für Schaltstücke von gekapselten Schaltgeräten (Energietechnik)

a) bis b) wie im 1· Ausführungsbeispiel

c) Ziehen der Stangen bei entsprechenden Zwischenglühungen zu Draht j wobei die Paserrichtung parallel zur Stangen- bzw. Drahtlängsachse bleibt und die Gefügebestandteile noch weiter gestreckt werden

d) Stauchen von Schaltstücken auf Automaten zur Endform

Claims

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Herstellung von Schaltstücken aus CuPe-, CuCo- oder CuFeCo-Legierungen, dadurch gekennzeichnet.

daß diese mit einem Eisen- und/oder Kobaltgehalt von 30 bis 90 % und Desoxydationszusätzen von jeweils nicht über 0,5 % Aluminium oder Aluminium und Mangan und Silizium derart erschmolzen und zu Blöcken vergossen werden, daß unter Einhaltung abgestimmter Überhitzungs-, Gieß- und Erstarrungsbedingungen sich ein Gefüge ausbildet, das durch eine faserartig orientierte Anordnung der primär erstarrten eisen- und/ oder kobaltreichen Phase bis zur Blocklängsachse und durch fehlende makroskopische Seigerungen charakterisiert ist, genannte Legierungen dann anschließend einer Verformung durch Strang- oder Fließpressen mit einem Verformungsgrad von mehr als 70 % unterworfen werden, so daß ein stangenförmiges Kontaktwerkstoffhalbzeug entsteht, in dem die oben genannten faserartigen eisen- und/oder kobaltreichen Gefügebestandteile nunmehr in Preßrichtung stark gestreckt vorliegen, und das dann in Abschnitte von 1,5 χ Durchmesser zerschnitten, warm gestaucht und zerspanend derart zu Schaltstücken für Vakuumleistungsschalter verarbeitet wird, daß eine parallele Orientierung der gestreckten eisen- und/oder kobaltreichen Phase zur Kontaktoberfläche im Abbrandbereich gewährleistet ist·

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet*

daß aus dem stangenförmigeil Kontaktwerkstoffhalbzeug Schaltstücke für Vakuumlastschalter und -schütze hergestellt werden, in denen die gestreckte eisen-

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und/oder kobaltreiche Phase senkrecht zur Kontaktoberfläche angeordnet ist.

3· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet. daß das stangenförmige Kontaktwerkstoffhalbzeug unter Einschaltung notwendiger Zwischenglühungen zu Draht verarbeitet wird, aus dem Schaltstücke für gekapselte Schaltgeräte der Energietechnik derart hergestellt werden, daß eine senkrechte Orientierung der Pe-, Co- bzw« feCo-reichen Phase zur Kontaktfläche gewährleistet ist.

4. Verfahren nach Punkt 1. dadurch gekennzeichnet. daß die Schmelze um mindestens 150 ⁰C überhitzt wird, die Kokillentemperatur nicht höher als 100 ⁰C ist, die Masse der vorzugsweise zu verwendenden Graugußkokillen mindestens doppelt so groß wie die Blockmasse ist und die Gießleistung so gewählt wird, daß die Gießgeschwindigkeit näherungsweise der Erstarrungs· geschwindigkeit entspricht.

5» Verfahren nach Punkt 1-5» dadurch ^ekennzeichnet. daß das Erschmelzen der Blöcke im offenen Induktionsofen unter Schlackeabdeckung vorgenommen wird·

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