ES2280278T3 - Procedimiento para fabricar un material de contacto para piezas de contacto de aparatos de conexion bajo vacio, asi como material de contacto y piezas de contacto para ello. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para fabricar un material de contacto de cobre y cromo en una relación de 40 a 75% en peso de cobre y 25 a 60% en peso de cromo en forma de un producto semielaborado, a partir del cual se confeccionan piezas de contacto individuales para su uso en aparatos de conexión bajo vacío, con los siguientes pasos del procedimiento: - se prensa el polvo de cromo en una cantidad correspondiente al contenido de cromo del material de contacto a fabricar o una mezcla de polvo de cromo en una cantidad correspondiente al contenido de cromo del material de contacto a fabricar y polvo de cobre en una cantidad menor aproximadamente en 5 a 15% en peso con respecto al contenido de cobre del material de contacto a fabricar, aplicando presiones de entre 200 y 1000 Mpa para formar una pieza prensada porosa que presenta una densidad correspondiente a un 75 a 90% de la densidad teórica, - se recubre la pieza prensada porosa con al menos la cantidad de cobre que falta en el contenido de cobre del material de contacto a fabricar, - seguidamente, se calienta la pieza prensada cubierta con cobre bajo un alto vacío a una temperatura hasta el punto de fusión del cobre o por encima de éste, sinterizándose la pieza prensada para formar un cuerpo sinterizado de matriz de cromo o un cuerpo sinterizado de matriz de cobre y cromo, y siendo simultáneamente impregnado el cuerpo sinterizado de matriz de cromo o el cuerpo sinterizado de matriz de cobre y cromo producido por el cobre a licuar que cubre la pieza prensada, - y se obtiene un cuerpo sinterizado de cromo impregnado de cobre o un cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre con un contenido de cobre elevado con respecto a la pieza prensada y una densidad correspondiente a un 96 a 98% de la densidad teórica, - y el cuerpo sinterizado de cromo impregnado de cobre o el cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre obtenido se transforma a continuación en un producto semielaborado que constituye el material de contacto por medio de extrusión en una dirección de estiramiento, estirándose los granos de cromo en los cuerpos sinterizados en dicha dirección para formar tallos de cromo y formando estos granos una estructura dirigida alargada, y ascendiendo el grado de transformación de los cuerpos sinterizados al menos a un 30%, - y se obtiene un producto semielaborado de material de contacto con una estructura dirigida y con una densidad correspondiente a al menos un 99%, en particular un 99, 5 a 99, 9, de la densidad teórica.
Description
Procedimiento para fabricar un material de
contacto para piezas de contacto de aparatos de conexión bajo vacío,
así como material de contacto y piezas de contacto para ello.
La invención concierne a un procedimiento para
fabricar un material de contacto de cobre y cromo en una relación
de 40 a 75% en peso de cobre y 25 a 60% en peso de cromo en forma de
un producto semielaborado, a partir del cual se confeccionan las
piezas de contacto individuales para su uso en aparatos de conexión
bajo vacío. La invención concierne además a materiales de contacto
como producto semielaborado para fabricar piezas de contacto de
aparatos de conexión bajo vacío, así como a piezas de contacto para
aparatos de conexión bajo vacío.
Las piezas de contacto para uso en aparatos de
conexión bajo vacío, como contactores de vacío, seccionadores bajo
carga en vacío e interruptores de potencia en vacío para baja
tensión y media tensión, deben distinguirse por una baja porosidad
residual, un bajo contenido de gas, una elevada resistencia
estructural y una alta conductividad eléctrica. Además, los
materiales de contacto y las piezas de contacto deben poder
fabricarse de forma económica.
Desde hace tiempo, se ha impuesto en todo el
mundo el principio de conexión bajo vacío en el dominio de alta
tensión con tensiones de entre 3 y 36 kV. La utilización
predominante se refiere a interruptores de potencia. En menor
medida se utilizan contactores de hasta un máximo de 12 kV. La
elevada rigidez dieléctrica del interruptor de vacío y la conexión
completamente libre de emisiones hacen atractivo el principio de
conexión bajo vacío con un desarrollo ulterior del proceso de
fabricación y la consiguiente reducción de los costes también para
los aparatos de conexión de baja tensión. Para esta aplicación del
principio de conexión bajo vacío entran en consideración, en primer
término, contactores, interruptores de potencia y seccionadores bajo
carga con funcionamiento nominal o corrientes nominales de 100 a
1000 A o de 630 a 6300 A a tensiones de hasta 1000 (1500) V.
Los requisitos impuestos a los aparatos de
conexión antes mencionados son muy diferentes. En interruptores de
potencia en vacío para media tensión ocupa el primer plano la
capacidad de desconexión de cortocircuitos de hasta aproximadamente
50 kA. El número de conexiones a corriente nominal está en 30.000.
Por el contrario, en un contactor, predomina el número de
conexiones con al menos 500.000. Además, en un contactor no debe
surgir ningún error de desconexión y éste debe estar en condiciones
de poder desconectar de forma segura la corriente de funcionamiento
nominal 10 a 12 veces mayor y de poder conectarla con soldaduras
separables, siendo las fuerzas del accionamiento comparativamente
bajas. A pesar de que un contactor de vacío no debe desconectar
ninguna corriente de cortocircuito, debe ser capaz, especialmente
para corrientes de funcionamiento nominales pequeñas, de conducir
la corriente de paso del fusible antepuesto hasta que el fusible
haya interrumpido el circuito eléctrico. En este caso, ha de poder
romperse la soldadura en las piezas de contacto.
Por el contrario, el interruptor de potencia en
vacío para baja tensión debe poseer una capacidad de desconexión de
cortocircuitos 2 a 3 veces mayor que la del interruptor de potencia
para media tensión. Además, se utilizan también interruptores de
potencia para baja tensión como guardamotor, de modo que no deba
surgir ningún error de desconexión.
Por el contrario, el seccionador bajo carga debe
poder conectar corrientes de hasta 20 veces la corriente nominal.
Las soldaduras de las piezas de contacto que surgen en este caso
deben poder romperse por medio del accionamiento.
Los materiales de contacto o las piezas de
contacto para interruptores de vacío a base de cromo y cobre son
conocidos en diferentes realizaciones como material fusible o como
fabricados según procedimientos pulvimetalúrgicos o según
procedimientos de impregnación y sinterización.
Por el documento DE OS 1640039 se conoce un
material de contacto de cobre y cromo para interruptores de vacío
que tiene una matriz metálica sinterizada de cromo que está
impregnada con una sustancia de impregnación de cobre. Los
documentos DE 2357333 A1 y DE 2521504 A1 describe como material de
contacto para interruptores de vacío una matriz metálica
sinterizada en la que se ha añadido aluminio o zinc como aditivo de
fragilización al componente principal de, por ejemplo, cromo, y
esta matriz metálica está impregnada con una sustancia de
impregnación de cobre, plata o aleaciones de estos metales. Las
temperaturas de sinterización están aquí por encima de 1200ºC,
mientras que la temperatura de fusión de la sustancia de
impregnación está por debajo de la correspondiente temperatura de
sinterización. Según los procedimientos antes citados, se fabrican
preferiblemente materiales del contacto del tamaño y forma de las
piezas de contacto individuales.
Asimismo, en el documento DE 2240493 A1 se
describe un material de contacto para interruptores de vacío que
presenta una matriz metálica sinterizada de un componente principal
metálico con un punto de fusión por encima de 1600ºC y un
componente secundario metálico con un punto de fusión por encima del
punto de fusión de una sustancia de impregnación, impregnándose la
matriz metálica sinterizada de, por ejemplo, cobre como sustancia
de impregnación.
Además, por el documento US 3960554 se conoce un
procedimiento para fabricar piezas de contacto de cromo y cobre
para interruptores de vacío, con un contenido de cromo de 40 a 60%
en peso, en el que, en un primer paso, la cantidad deseada de polvo
de cromo para la pieza de contacto acabada se mezcla con una
cantidad muy pequeña de polvo de cobre y, a partir de esto, se
fabrica una pieza prensada que se sinteriza a continuación para
fabricar una matriz de cromo porosa que se infiltra a continuación
con la gran cantidad de cobre bajo sinterización adicional hasta
que se llene la matriz de cromo con cobre en la proporción deseada
de 60 a 40% en peso de cobre a 40 a 60% en peso de cromo. En este
procedimiento se trabaja inicialmente con menos del 10% en peso de
polvo de cobre para fabricar la matriz sinterizada y la proporción
mayor de polvo de cobre de al menos 30 a 50% en peso se introduce
exclusivamente por infiltración posterior en la matriz sinterizada
de cromo.
Los procedimientos de impregnación y
sinterización para fabricar materiales de contacto de cobre y cromo
individuales adolecen de la desventaja de que, debido a la
introducción de toda la cantidad de cobre o casi toda la cantidad
de cobre en fase líquida, a saber, por infiltración en la matriz
sinterizada de cromo, se originan piezas en bruto con una clara
sobremedida que deben someterse posteriormente a una mecanización
correspondiente por arranque de virutas para obtener la forma final
de la pieza de contacto deseada.
Otro procedimiento para fabricar piezas de
contacto individuales es el procedimiento pulvimetalúrgico, en el
que una mezcla de polvo del componente de alto punto de fusión, como
cromo, y el componente de bajo punto de fusión, como cobre, se
prensan para obtener una pieza en bruto y, a continuación, se
sinteriza ésta y el cuerpo sinterizado se vuelve a prensar en frío
o en caliente para fines de compactación, como se describe, por
ejemplo, en los documentos DE 2914186 A, DE 3406535 A1 y EP 0184854
A2. La concentración de los componentes puede seleccionarse en este
procedimiento dentro de amplios límites y el contorno de las piezas
en bruto casi corresponde a la forma final de las piezas de
contacto. No aparecen extensos sistemas de cavidades en el material,
como los que pueden originarse en materiales de impregnación malos,
pero los materiales sinterizados de este tipo poseen una porosidad
residual y una densidad que están alejadas usualmente en al menos un
2% de la densidad teórica de 100% y que repercuten
desventajosamente durante su uso como material de contacto de piezas
de contacto para tubos de conexión bajo vacío. Por tanto, el
rendimiento de los materiales sinterizados puros está limitado.
Por tanto, para reducir la porosidad de piezas
de contacto fabricadas por vía pulvimetalúrgica a base de cobre y
cromo para tubos de conexión de vacío se ha propuesto ya, según el
documento WO 90/15424 (PCT/DE 8900343) un procedimiento de dos
etapas para compactar la pieza prensada de polvo, en el que se
sinterizan piezas prensadas de polvo bajo alto vacío y, a
continuación, los cuerpos sinterizados se someten a un prensado
isostático en caliente a temperaturas por debajo del punto de
fusión del cobre en una atmósfera de gas protector a presiones
entre 200 y 2000 bares. Con este proceso muy costoso es posible
reducir aún más la porosidad del producto acabado y conseguir
aproximadamente un 99% de la densidad teórica.
Según la patente EP 0172411 B1, se propone un
material fusible de cobre y cromo para piezas de contacto de
interruptores de vacío, con el que se fabrica una pieza prensada a
partir de una mezcla de polvo de cromo y cobre por medio de
prensado isostático a una alta presión de 3000 bares, sinterizándose
al vacío a continuación dicha pieza prensada a temperaturas que se
encuentran cerca o por encima del punto de fusión del cobre. La
pieza en bruto sinterizada así fabricada se usa como electrodo
fungible en un horno de fusión por arco eléctrico y se refunde bajo
helio como gas protector. El material de electrodo fundido se
solidifica en una lingotera de cobre refrigerada por agua y el
bloque fundido así generado por fusión de arco eléctrico se
transforma a continuación, por extrusión maciza directa, en un
producto semielaborado para piezas de contacto, utilizándose grados
de transformación de más de 60%, por ejemplo 78%. Este producto
semielaborado presenta una estructura dirigida en la que las
dendritas de cromo muy finas que surgen por la refrigeración en la
lingotera de cobre después de la refundición se presentan bajo una
disposición en forma de líneas con dirección preferente. A partir
de la pieza en bruto transformada se cortan discos como piezas de
contacto, obteniéndose una superficie de conexión de las piezas de
contacto perpendicular a la estructura dirigida existentes. Las
piezas de trabajo de cobre y cromo fabricadas con este
procedimiento son extremadamente complicadas y caras de-
bido al procedimiento multietapa utilizado y a las cantidades necesarias de energía de la fusión por arco eléctrico.
bido al procedimiento multietapa utilizado y a las cantidades necesarias de energía de la fusión por arco eléctrico.
En el documento WO 90/15425 (PCT/DE 8900344) se
propone un procedimiento más económico para fabricar materiales de
contacto de cobre y cromo para piezas de contacto de interruptores
de vacío con porosidad residual reducida, según el cual, en un
primer paso, se prepara una mezcla de polvo a partir de polvos de
los componentes y, a partir de ella, se fabrica una pieza prensada
que se sinteriza a continuación y se somete a un proceso de
recalcado o de extrusión en frío con un grado de transformación
mínimo de 40% para mejorar la compactación final, debiendo lograrse
un llenado del espacio de al menos un 99% de la densidad teórica. Se
obtiene en este caso una ligazón de los componentes cobre y cromo
por medio de la soldadura en frío de los componentes de la
estructura, prefiriéndose polvo de cromo con distribuciones de
tamaños de grano relativamente pequeñas por debajo de 63 \mum.
Estas partículas de cromo están unidas en el cuerpo de sinterizado
sólo parcialmente por medio de puentes de sinterización, de modo
que ciertamente son estiradas por la deformación en una dirección
preferente, pero no forman ninguna matriz suficientemente continua y
la calidad de la ligazón entre el cobre y el cromo y, por tanto,
las propiedades de conexión están necesitadas de una mejora.
La invención se basa en el problema de crear un
procedimiento económico para fabricar materiales de contacto para
aparatos de conexión bajo vacío, con el cual se creen materiales de
contacto que satisfagan los más altos requisitos, en particular se
mejore su comportamiento de cremación y su vida útil, y que
presenten una porosidad residual muy reducida y alcancen una
densidad de al menos el 99% de la densidad teórica.
Según la invención, para solucionar el problema
planteado, se propone un procedimiento para fabricar un material de
contacto en forma de un producto semielaborado de cobre y cromo en
una relación de 40 a 75% en peso de cobre y de 25 a 60% en peso de
cromo, con los siguientes pasos de procedimiento:
- se prensa el polvo de cromo en una cantidad
correspondiente al contenido de cromo del material de contacto a
fabricar o una mezcla de polvo de cromo en una cantidad
correspondiente al contenido de cromo del material de contacto a
fabricar y polvo de cobre en una cantidad menor aproximadamente en
un 5 a 15% en peso con respecto al contenido de cobre del material
de contacto a fabricar, aplicando presiones de entre 200 y 1000 Mpa
para formar una pieza prensada porosa que presenta una densidad
correspondiente a un 75 a 90% de la densidad teórica,
- se recubre la pieza prensada porosa con al
menos la cantidad de cobre que falta en el contenido de cobre del
material de contacto a fabricar,
- seguidamente, se calienta la pieza prensada
cubierta con cobre bajo alto vacío a una temperatura hasta el punto
de fusión del cobre o por encima de éste, sinterizándose la pieza
prensada para formar un cuerpo sinterizado de matriz de cromo o un
cuerpo sinterizado de matriz de cobre y cromo, y siendo
simultáneamente impregnado el cuerpo sinterizado de matriz de cromo
o el cuerpo sinterizado de matriz de cobre y cromo originado por el
cobre a licuar que cubre la pieza prensada,
- y se obtiene un cuerpo sinterizado de cromo
impregnado de cobre o un cuerpo sinterizado de cobre y cromo
impregnado de cobre con un contenido de cobre elevado con respecto a
la pieza prensada y una densidad correspondiente a un 96 a 98% de
la densidad teórica,
- y el cuerpo sinterizado de cromo impregnado de
cobre o el cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre
obtenido se transforma a continuación en un producto semielaborado
que constituye el material de contacto por medio de extrusión en
frío en una dirección de estiramiento, estirándose los granos de
cromo en los cuerpos sinterizados en dicha dirección de
estiramiento para formar tallos de cromo y formando estos granos
una estructura dirigida alargada, y ascendiendo el grado de
transformación de los cuerpos sinterizados al menos a un 30%,
- y se obtiene un producto semielaborado de
material de contacto con una estructura dirigida y con una densidad
correspondiente a al menos un 99%, en particular un 99,5 al 99,9 de
la densidad teórica.
Perfeccionamientos ventajosos del procedimiento
según la invención se pueden extraer de los rasgos caracterizantes
de las reivindicaciones subordinadas.
Según la invención, se genera un material de
contacto de alto rendimiento de cobre y cromo, en un proceso de
múltiples etapas, a saber, fabricación de una pieza prensada de
polvo de cromo porosa o una pieza prensada de polvo de cobre y
cromo porosa que presenta una cantidad menor de cobre en la pieza
prensada con respecto a la composición última del producto final; a
continuación, fabricación de una matriz de cromo o de una matriz de
cobre y cromo por sinterización bajo alto vacío y, simultáneamente,
impregnación de la matriz con cobre adicional, con lo que se
obtiene un cuerpo sinterizado denso, y una compactación mecánica
adicional siguiente del cuerpo sinterizado impregnado de cobre,
transformándolo y estirándolo simultáneamente en una dirección, con
lo que se obtiene un material de contacto en forma de un producto
semielaborado que, debido a la deformación, presenta una estructura
dirigida de cromo y cobre en forma de tallos de cromo embebidas en
bandas de cobre alargadas y que tiene una densidad nuevamente
elevada con respecto al cuerpo sinterizado impregnado, la cual casi
corresponde a la densidad teórica.
Es esencial para conseguir una compactación
elevada del cuerpo sinterizado impregnado de cobre y la estructura
dirigida a el uso de polvo de cromo muy puro obtenido
electrolíticamente con un grado de pureza de al menos un 99,8% con
contenidos de gas muy bajos, en particular de oxígeno y nitrógeno,
menores, respectivamente, de 200 ppm y contenidos muy bajos de
hierro y aluminio, igualmente menores de 200 ppm. Este cromo muy
puro se puede deformar aún sorprendentemente bien en la forma
presente como cuerpo sinterizado, con lo que se obtiene el producto
semielaborado de material de contacto según la invención con
estructura dirigida.
La transformación del cuerpo de sinterizado de
cromo o del cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre
puede realizarse por extrusión o forja o laminación ejecutadas
siempre en una dirección.
Asimismo, para conseguir también una estructura
resistente por la transformación posterior del cuerpo sinterizado
impregnado, se usa preferiblemente un polvo de cromo con una
granulometría mayor de 50 \mum a aproximadamente 160 \mum,
prefiriéndose en particular una mezcla de granulometrías.
Para el proceso de sinterización e impregnación
de la pieza prensada porosa de polvo de cobre o de polvo de cobre y
cromo, la cantidad de cobre que aún falta para la composición final
deseada del material de contacto se compacta también, en su caso,
un poco más, por ejemplo en forma de cobre compacto, sobre y/o
debajo de la pieza prensada y se somete justo con ésta al proceso
de sinterización. El proceso de sinterización se realiza
preferiblemente bajo alto vacío a presiones menores de 10^{-4}
milibares, calentando continuamente la pieza prensada a una
temperatura hasta al menos la necesaria para fundir el cobre,
formándose, por un lado, la aleación de cobre y cromo por
sinterización e impregnándose además la matriz de cobre y cromo o la
matriz de cromo que se forma con el cobre macizo adicional. La
pieza prensada se compacta a una densidad por encima del 99% de la
densidad teórica por medio del proceso de sinterización y de
impregnación, variándose simultáneamente también la composición
original de la pieza prensada de cromo o cobre y cromo hasta la
composición deseada de la cantidad de cobre y cromo mediante una
elevación del contenido de cobre y consiguiéndose la composición
final deseada. El cuerpo sinterizado de cromo impregnado de cobre o
el cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre así
fabricado presenta una elevada densidad, una estructura muy
resistente y una elevada ductilidad. Esto último se consigue
también por el uso de un cromo muy puro, a saber, un polvo de cromo
obtenido electrolíticamente.
El material de contacto presenta una excelente
ligazón entre los componentes cobre y cromo debido a la fase
líquida durante la impregnación. El material de contacto fabricado
según la invención es un material pulvimetalúrgico que presenta una
estructura dirigida como consecuencia de la transformación del
cuerpo sinterizado.
Según la invención, se propone un material de
contacto pulvimetalúrgico en forma de un producto semielaborado
para piezas de contacto de aparatos de conexión bajo vacío, hecho de
cobre y cromo en una relación de 40 a 75% en peso de cobre y de 25
a 60% en peso de cromo, que es obtenido por fabricación de una pieza
prensada de una mezcla de polvo, sinterización e impregnación
adicional de la pieza prensada con cobre y posterior transformación
del cuerpo sinterizado impregnado de cobre y que presenta, debido a
la transformación en una dirección de estiramiento, una estructura
dirigida con tallos de cromo alargadas que están embebidas en bandas
de cobre alargadas, y que tiene una densidad de al menos un 99%, en
particular más de un 99,4% de la densidad teórica y cuya
conductividad eléctrica y resistencia a la tracción paralelamente a
la dirección de estiramiento es al menos un 10% más alta que
perpendicularmente a dicha dirección de estiramiento. Un material de
contacto pulvimetalúrgico preferido de alto rendimiento según la
invención presenta un contenido de 55 a 62% en peso de cobre, un
grado de transformación de al menos un 70% y una conductividad
eléctrica paralelamente a la dirección de estiramiento que está en
un 45% de la conductividad eléctrica del cobre puro y tiene una
resistencia a la tracción en la dirección de estiramiento de al
menos 550 N por mm^{2}.
Las piezas de contacto según la invención para
aparatos de conexión bajo vacío, hechas de un material de contacto
pulvimetalúrgica a base de polvo de cobre y polvo de cromo en una
proporción de 40 a 75% en peso de cobre y 25 a 60% en peso de
cromo, fabricadas por confección de un producto semielaborado, están
caracterizadas por un cuerpo sinterizado impregnado de cobre con
una matriz de cromo o una matriz de cobre y cromo que ha sido
deformado en frío en o en caliente en una dirección de estiramiento
hasta al menos un 30% y presenta una densidad correspondiente a al
menos un 99%, en particular más de un 99,4% de la densidad teórica,
cuya superficie de contacto está formada transversalmente a la
dirección de estiramiento y su resistencia a la tracción y su
conductividad eléctrica paralelamente a la dirección de estiramiento
son respectivamente al menos un 10% más altas que transversalmente
a dicha dirección de estiramiento.
Las piezas de contacto según la invención para
aparatos de conexión bajo vacío se fabrican confeccionándose el
producto semielaborado de material de contacto según la invención,
estando formadas las superficies de contacto de las piezas de
contacto perpendicularmente a la dirección de estiramiento del
producto semielaborado de material de contacto. Los cuerpos
sinterizados impregnados se obtienen usualmente en forma de
lingotes, con lo que por estiramiento en una dirección y
transformación se obtiene un producto semielaborado en forma de
barras.
Se ha encontrado que se logran los mejores
resultados utilizando polvo de cromo muy puro obtenido
electrolíticamente - cromo electrolítico. Es cierto que, el cromo
electrolítico puro tiene también en la superficie de los granos de
polvo unas delgadas películas de óxido de cromo, pero éstas no se
conservan sobre las partículas de cromo, durante el proceso de
fabricación del material de contacto de cobre y cromo, sino que son
llevadas hacia abajo por el cobre líquido durante el proceso de
impregnación y sinterización y se desprenden de las partículas de
cromo. Así, durante el proceso de impregnación y sinterización el
cobre se puede alear entonces con el cromo y llevar a una sólida
unión entre las dos fases. Por medio del proceso de transformación,
el cromo electrolítico muy puro y, por tanto, relativamente dúctil
se transforma en tallos de cromo alargados, como consecuencia de lo
cual la porción de superficie límite entre el cobre y el cromo en la
superficie de contacto, es decir, perpendicularmente a la
superficie de conexión de los contactos, es muchas veces más alta
que paralelamente a la superficie de conexión.
El material de contacto según la invención y las
piezas de contacto fabricadas a partir de él son adecuados para
satisfacer las exigencias de los aparatos de conexión bajo vacío y,
en particular, se caracterizan por:
- -
- alta resistencia a la cremación,
- -
- elevada vida útil eléctrica,
- -
- alta rigidez dieléctrica debido a una estructura de conexión cerrada homogénea y una cremación uniforme,
- -
- una conductividad eléctrica constante durante toda la vida útil,
- -
- una capa de la estructura de conexión extremadamente delgada y cerrada, que se forma en la superficie de contacto,
- -
- alta densidad con inclusiones de gas despreciables,
- -
- fabricación económica,
- -
- alta conductividad térmica y eléctrica.
Durante la vida útil eléctrica de un aparato de
conexión bajo vacío se forma una capa de estructura de conexión en
toda la superficie de contacto de las piezas de contacto. Dado que
la corriente en las dos superficies debe pasar primero por esta
capa de la estructura de conexión, ésta tiene una influencia
sustancial sobre la transmisión de corriente y la vida útil del
aparato de conexión bajo vacío. La resistencia de paso de esta capa
de la estructura de conexión es sensiblemente más alta que la del
material de contacto de cobre y cromo. En cada conexión se forma
una masa fundida de cobre y cromo y, después de la solidificación y
según la velocidad de refrigeración, la capa de la estructura de
conexión presenta una estructura más o menos fina de cristales
mixtos de cobre y cromo. Esta textura de la capa de la estructura de
conexión influye en la conductividad térmica y eléctrica, así como
en la dureza. Con el material de contacto según la invención se
consigue la formación de una capa de la estructura de conexión
especialmente favorable con una alta resistencia de dicha
estructura.
El material de contacto según la invención forma
en la superficie de las piezas de contacto durante la vida útil
eléctrica una capa de estructura de conexión delgada y plana que
está unida completamente con el material de contacto y se adhiere a
éste. De esta forma, se evita la formación de grietas perjudiciales,
tanto dentro de la pieza de contacto como también en la zona de la
estructura de conexión sobre la superficie. La conductividad
eléctrica y la conductividad térmica son altas debido a la capa
delgada y completamente adherida de la superficie que se forma
debido a la conexión como capa de estructura de conexión. Esta capa
delgada lleva tanto a una refrigeración rápida y, en consecuencia,
a una pequeña fuerza de soldadura, como también a un calentamiento
térmico reducido debido al flujo de corriente eléctrica. La
cremación del material de contacto según la invención es pequeña
debido a la formación de esta capa de barrera delgada en la
superficie de las piezas de contacto como consecuencia de la
conexión, lo cual lleva aparejado una vida útil larga.
El material de contacto presenta una elevada
resistencia a esfuerzos de tracción perpendiculares a la superficie
de conexión, con lo que la separación durante la apertura de las
piezas de contacto después de las primeras conexiones se realiza
preferiblemente en el lugar de soldadura o bien sólo aparecen
desprendimientos insignificantes en el material de contacto.
El material de contacto según la invención puede
utilizarse principalmente en aparatos de conexión bajo vacío o en
tubos de conexión bajo vacío para baja y media tensión.
La importante mejora de la calidad del cuerpo
sinterizado de cromo o de cobre y cromo impregnado de cobre se
consigue por efecto de la transformación dirigido, siendo los grados
de transformación preferiblemente de más de un 50%, realizándose la
transformación de tal modo que la matriz sinterizada es estirada en
una dirección, con lo que los granos de polvo de cromo se alargan
para formar tallos y el cobre se transforma en bandas de cobre
alargadas. De este modo, por un lado, se eleva sustancialmente la
resistencia en la dirección de estiramiento y, por otro lado, se
mejora también sustancialmente la conductividad, en particular la
conductividad eléctrica en la dirección de estiramiento. Se obtiene
un material de contacto pulvimetalúrgico con estructura
dirigida.
Según la invención, se realiza una
transformación de los cuerpos sinterizados en la medida en que
tallos o fibras de cromo alargados se reducen de tamaño hasta 10
veces con respecto al diámetro inicial de los granos de cromo.
La superficie de contacto de las piezas de
contacto se forma confeccionando de piezas de contacto
transversalmente a la dirección de estiramiento del producto
semielaborado de material de contacto. La superficie de contacto de
la pieza de contacto presenta puntos finos de cromo distribuidos en
el cobre correspondientes a los finos tallos de cromo del armazón
sinterizado de cromo estirado, lo que es una condición previa para
un buen contacto y hace posible la configuración posterior de una
capa de estructura de conexión muy delgada en el rango de 100
\mum.
La adherencia de la capa de estructura de
conexión delgada a la estructura de base del material de contacto
es relativamente buena. La capa de estructura de conexión delgada
lleva a una evacuación de calor muy buena hacia el material de
contacto. En otras palabras, para esta capa de estructura de
conexión delgada está en primera línea la textura de la estructura
dirigida del material de contacto. Por medio de esta textura de la
estructura dirigida se logra en dirección perpendicular a la
superficie de contacto y de conexión, con 27 Sm/m, una
conductividad un 30% más elevada que en dirección paralela a la
superficie de contacto y de conexión.
La corriente eléctrica circula sin impedimento
(poros o grietas) y, por tanto, con densidad de corriente homogénea
siguiendo un recorrido directo desde la capa de estructura de
conexión al material de contacto, donde puede circular sin casi
ningún estorbo a lo largo de las bandas de cobre.
La cremación en esta superficie de contacto es
pequeña debido a la capa de estructura de conexión que actúa como
capa de barrera, lo que lleva a un claro aumento de la vida
útil.
La conductividad eléctrica puede ascender en la
dirección de estiramiento a un 30% y más que en dirección
perpendicular a ella y la resistencia a la tracción en la dirección
de estiramiento puede aumentarse también en la dirección de
estiramiento con respecto a la dirección transversal en un 30% y más
dependiendo del grado de transformación y del contenido de
cobre.
La configuración de la superficie del material
de contacto de la pieza de contacto con puntos de cromo finos,
incrustados en el cobre, hace posible una cremación uniforme y, por
tanto, la elevada vida útil de la pieza de contacto. Esta
superficie de la pieza de contacto, que se funde en cada proceso de
conexión, evacua mal el calor, pero, según la invención, se produce
una buena evacuación del calor debido a la estructura dirigida del
material de contacto.
El producto semielaborado de material de
contacto fabricado por transformación a partir del cuerpo
sinterizado impregnado de cobre puede ser deformado de la manera
deseada, con una dirección preferente, por extrusión en frío o en
caliente, por forja en frío o en caliente o por laminación en frío o
en caliente, para formar una estructura correspondiente. A partir
de este producto semielaborado de material de contacto deformado
pueden obtenerse las piezas de contacto de la manera deseada por
mecanización de arranque de virutas. Preferiblemente, se cortan
unos discos de espesor deseado a partir del producto semielaborado
del material de contacto, por ejemplo barras, transversalmente a la
dirección de estiramiento, los cuales, por un arranque de virutas o
por estampación, en frío o en caliente, se llevan a la forma final
deseada de las piezas de contacto para los aparatos de conexión
bajo vacío.
El proceso de impregnación, simultáneamente con
el proceso de sinterización del cuerpo sinterizado de cromo o el
cuerpo sinterizado de cobre y cromo con una pequeña cantidad
residual de cobre, sirve para la eliminación de la porosidad
restante presente y para lograr una buena ligazón como consecuencia
de la fase líquida del cobre que sirve para la impregnación.
A continuación, se explica la invención con
ayuda de las representaciones metalográficas.
Muestran:
La figura 1, la superficie de una sección de un
cuerpo sinterizado impregnado de cobre paralelamente a la dirección
de estiramiento posterior X;
La figura 2, la superficie de una sección del
producto semielaborado de material de contacto fabricado por
transformación del cuerpo sinterizado según la figura 1,
paralelamente a la dirección de estiramiento X;
La figura 3, un cuerpo sinterizado de cobre y
cromo con capa formada de la estructura de conexión; y
La figura 4, un material de contacto según la
figura 2 con capa formada de la estructura de conexión.
En la figura 1 está representada una sección a
través de un cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de
cobre en forma de lingote, paralelamente al eje X, en una ampliación
de 50 aumentos, con una composición que contiene 40% en peso de
cromo y 60% en peso de cobre que aún no se ha transformado.
Puede apreciarse la matriz sinterizada de los
granos de polvo de cobre todavía sustancialmente granulosos o
aglomerados en forma granulosa en las zonas de cobre fundidas.
En la figura 2 está ilustrada una representación
del cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre según
la figura 1 después de una transformación en frío por extrusión con
un grado de transformación de entre 75 y 80%. La representación
muestra una sección paralela a la dirección de estiramiento X, es
decir, la dirección de extrusión, en una ampliación de 50 aumentos.
Resulta obvio que, por la transformación, se obtiene una estructura
alargada de la matriz sinterizada y, en particular, se realiza un
estiramiento de los granos de cromo para formar largos tallos de
cromo que están embebidos entre bandas de cobre alargadas, con lo
que la superficie F que sirve posteriormente como superficie de
contacto de las piezas de contacto obtiene transversalmente a la
dirección de estiramiento X una estructura que hace posible la
configuración de una capa de estructura de conexión que repercute
positivamente sobre el comportamiento de conexión y la vida
útil.
Este material de contacto dispone de una marcada
estructura dirigida, véase la figura 2, con cristales de forma de
tallos de cromo en una matriz de cobre. Los cristales de forma de
tallos están dispuestos paralelamente a la dirección de extrusión X
y, por tanto, perpendicularmente a la superficie de conexión F.
Tienen una longitud de hasta 2 mm y un diámetro de hasta 60
\mum.
La conexión en la condición de nuevas de las
piezas de contacto bajo una solicitación extremadamente alta
repercute de manera determinante sobre la formación de defectos en
la superficie F de las piezas de contacto y, por tanto, sobre el
comportamiento de conexión adicional de los contactos. Los arcos
eléctricos o las densidades de corriente extremadamente elevadas en
una superficie de contactado pequeña, seguidos de un fuerte
calentamiento hasta la fusión, pueden llevar a una soldadura
parcial de las superficie de contacto de las piezas de contacto.
Durante la soldadura se forma una capa de estructura de conexión en
la superficie de contacto. Esta capa de estructura de conexión es,
según la energía y la velocidad de refrigeración, una mezcla más o
menos homogénea de cobre y cromo hasta llegar a una aleación de
éstos. Durante la desconexión sin corriente, unas fuerzas de
cortadura y de tracción mecánicas suficientemente grandes llevan a
la rotura de la soldadura y pueden apreciarse entonces
macroscópicamente unos puntos de soldadura. En la pieza de contacto
fabricada a partir de un cuerpo sinterizado de cobre y cromo con Cu
Cr 60/40, con granos de cromo electrolítico distribuidos de forma
isotrópica y configurados aproximadamente en forma de bolas, las
pruebas metalográficas, véase la figura 3, muestran que se forma
una capa de estructura de conexión S de aproximadamente 0,4 mm de
espesor, pero ésta está agrietada todavía perpendicularmente a la
superficie en muchos lugares hasta alcanzar el material de contacto
original. Por tanto, se interrumpe la adherencia entre la capa de
la estructura de conexión y el material de contacto y las
partículas que se desprenden pueden llevar a fallos de desconexión
durante la conmutación. Por el contrario, en los materiales de
cobre y cromo deformados con partículas de cromo en forma de tallos
según la invención, figura 2, que discurren perpendicularmente a la
superficie de contacto F, se forma un capa de estructura de
conexión S plana muy delgada, véase la figura 4, de solamente 0,1 mm
de espesor. Esta capa de estructura de conexión es dúctil y se
adhiere completamente al material de contacto sin formar grietas ni
poros. Muestra otra imagen de fractura, ya que la resistencia a la
tracción de una pieza de contacto de cromo y cobre según la figura
2, a lo largo de tallos de cromo, es sustancialmente más alta, hasta
un 30% y más, que perpendicularmente a éstos. Como consecuencia,
los contactos se rompen directamente en la superficie de contacto,
en dirección paralela a la soldadura, cuando la fuerza de
reposición del aparato es mayor que la fuerza necesaria para la
soldadura y la superficie de contacto sigue siendo macroscópicamente
plana. Por tanto, no puede esperarse la formación de un arco
eléctrico como consecuencia de desigualdades macroscópicas al
efectuar la conexión siguiente en las piezas de contacto según la
invención.
La formación de grietas o poros se evita gracias
a los tallos de cromo, que forman sólo pequeñas superficies
puntiformes en la superficie de contacto. La conductividad térmica y
eléctrica se empeora sólo un poco por efecto de la capa delgada de
la estructura de conexión que se forma. Una refrigeración térmica
más rápida lleva a la formación de una textura fina en esta capa de
la estructura de conexión y provoca una fuerza de soldadura más
reducida. La corriente eléctrica fluye sin impedimento, poros o
grietas, y, por tanto, con una densidad de corriente homogénea
siguiendo un recorrido directo desde la capa de la estructura de
conexión al material de base, es decir, a la pieza de contacto.
Puede fluir casi sin estorbos en el material de contacto a lo largo
de las bandas de cobre, justificándose esto también por la elevada
conductividad eléctrica en la dirección de estiramiento. La
cremación en la superficie de contacto es reducida debido a la capa
de estructura de conexión que actúa como capa de barrera y que se
forma al utilizar la pieza de contacto, lo que lleva a un claro
aumento de la vida útil. Debido a los tallos de cromo alargados, se
refuerza la unión íntima del material de contacto. Por un lado,
está presente suficiente cromo en la superficie para contrarrestar
una soldadura, pero, por otro lado, debido al cobre suficiente, la
corriente eléctrica puede fluir a través del material de contacto
siguiendo un recorrido directo de alta conductividad.
Claims (10)
1. Procedimiento para fabricar un material de
contacto de cobre y cromo en una relación de 40 a 75% en peso de
cobre y 25 a 60% en peso de cromo en forma de un producto
semielaborado, a partir del cual se confeccionan piezas de contacto
individuales para su uso en aparatos de conexión bajo vacío, con los
siguientes pasos del procedimiento:
- se prensa el polvo de cromo en una cantidad
correspondiente al contenido de cromo del material de contacto a
fabricar o una mezcla de polvo de cromo en una cantidad
correspondiente al contenido de cromo del material de contacto a
fabricar y polvo de cobre en una cantidad menor aproximadamente en 5
a 15% en peso con respecto al contenido de cobre del material de
contacto a fabricar, aplicando presiones de entre 200 y 1000 Mpa
para formar una pieza prensada porosa que presenta una densidad
correspondiente a un 75 a 90% de la densidad teórica,
- se recubre la pieza prensada porosa con al
menos la cantidad de cobre que falta en el contenido de cobre del
material de contacto a fabricar,
- seguidamente, se calienta la pieza prensada
cubierta con cobre bajo un alto vacío a una temperatura hasta el
punto de fusión del cobre o por encima de éste, sinterizándose la
pieza prensada para formar un cuerpo sinterizado de matriz de cromo
o un cuerpo sinterizado de matriz de cobre y cromo, y siendo
simultáneamente impregnado el cuerpo sinterizado de matriz de cromo
o el cuerpo sinterizado de matriz de cobre y cromo producido por el
cobre a licuar que cubre la pieza prensada,
- y se obtiene un cuerpo sinterizado de cromo
impregnado de cobre o un cuerpo sinterizado de cobre y cromo
impregnado de cobre con un contenido de cobre elevado con respecto a
la pieza prensada y una densidad correspondiente a un 96 a 98% de
la densidad teórica,
- y el cuerpo sinterizado de cromo impregnado de
cobre o el cuerpo sinterizado de cobre y cromo impregnado de cobre
obtenido se transforma a continuación en un producto semielaborado
que constituye el material de contacto por medio de extrusión en
una dirección de estiramiento, estirándose los granos de cromo en
los cuerpos sinterizados en dicha dirección para formar tallos de
cromo y formando estos granos una estructura dirigida alargada, y
ascendiendo el grado de transformación de los cuerpos sinterizados
al menos a un 30%,
- y se obtiene un producto semielaborado de
material de contacto con una estructura dirigida y con una densidad
correspondiente a al menos un 99%, en particular un 99,5 a 99,9, de
la densidad teórica.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el cuerpo sinterizado de cromo o el
cuerpo sinterizado de cromo y cobre impregnado de cobre se deforman
en frío o en caliente con un grado de transformación que asciende
al menos a un 50%.
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la transformación del cuerpo sinterizado
de cromo o el cuerpo sinterizado de cromo y cobre impregnado de
cobre se realiza por extrusión o forja o laminación.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se usa como polvo de cromo un polvo de
cromo de alta pureza obtenido electrolíticamente con un grado de
pureza de un 99,8% o más.
5. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se usa polvo de cromo con una
granulametría o una mezcla de granulametrías de más de 50 \mum a
menos de 160 \mum.
6. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la piezas prensadas que sólo contienen
polvo de cromo, se cubren con una cantidad de cobre que es
suficiente para fabricar un material de contacto con al menos un
50% en peso de cromo.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se separan
piezas de contacto del producto semielaborado de material de
contacto transversalmente a la dirección de estiramiento, de modo
que la superficie de contacto se extienda perpendicularmente a la
dirección de estiramiento.
8. Material de contacto pulvimetalúrgico para
piezas de contacto de aparatos de conexión bajo vacío hecho de
cobre y cromo en una proporción de 40 a 75% en peso de cobre y de 25
a 60% en peso de cromo, presentando el material de contacto una
densidad de al menos un 99% de la densidad teórica y presentando una
estructura dirigida obtenida por deformación en frío o en caliente
en una dirección de estiramiento, habiéndose alargado las
partículas de polvo de cromo para formar tallos de cromo y estando
embebidas en una matriz de cobre que ha sido deformada para
configurar bandas de cobre alargadas, caracterizado porque la
conductividad eléctrica paralelamente a la dirección de
estiramiento es al menos un 10% más alta que perpendicularmente a
dicha dirección de estiramiento y la resistencia a la tracción
paralelamente a la dirección de estiramiento es al menos un 10% más
alta que perpendicularmente a dicha dirección de estiramiento.
9. Material de contacto de pulvimetalúrgico
según la reivindicación 8, caracterizado porque con un
contenido de 55 a 62% en peso de cobre y un grado de transformación
de al menos un 70%, la conductividad eléctrica del material de
contacto paralelamente a la dirección de estiramiento está en un 45%
de la conductividad eléctrica del cobre puro y la resistencia a la
tracción en la dirección de estiramiento asciende a al menos 550
N/mm^{2}.
10. Pieza de contacto para aparatos de conexión
bajo vacío, hecha de un material de contacto pulvimetalúrgico
fabricado de polvo de cobre y polvo de cromo en una proporción de 40
a 75% en peso de cobre y 25 a 60% en peso de cromo, fabricada por
la confección de un producto semielaborado de material de contacto,
con un cuerpo sinterizado impregnado de cobre con una matriz de
cromo o una matriz de cobre y cromo que se ha deformado en frío o
en caliente hasta al menos un 30% en una dirección de estiramiento y
presenta un densidad correspondiente a al menos un 99%, en
particular más de un 99,4% de la densidad teórica, y cuya superficie
de contacto está formada transversalmente a la dirección de
estiramiento, caracterizada porque su resistencia a la
tracción y su conductividad eléctrica paralelamente a la dirección
de estiramiento es respectivamente al menos un 10% más alta que
transversalmente a dicha dirección de estiramiento.
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