KONTAKTKOMPONENTE UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG

KONTAKTKOMPONENTE UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG

Die Erfindung betrifft eine Kontaktkomponente für elektrische Schalter und ein Verfahren zu Herstellung einer solchen Kontaktkomponente.

AT 286423 B offenbart einen elektrischen Kontakt mit einem gesinterten Wolfram- Skelettkörper, der mit einer Kupferlegierung getränkt ist, und einem angegossenen Kontaktträger aus dem Tränkmaterial. Die Kupferlegierung weist 0,1 bis 1,2% Chrom und gegebenenfalls 0,1 bis 8% Silber auf. Nach dem Angießen des Kontaktträgers wird der elektrische Kontakt einer Wärmebehandlung unterzogen bzw. ausgehärtet, um einen Kontaktträger mit hoher Härte und hoher elektrischer Leitfähigkeit herzustellen.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Kontaktkomponente und ein Verfahren zu Herstellung einer solchen Kontaktkomponente bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß Anspruch 1 weist eine elektrische Kontaktkomponente ein gesintertes

Kontaktelement und einen an das Kontaktelement angegossenen Kontaktträger auf.

Dh das gesinterte Kontaktelement und der angegossene Kontaktträger bilden gemeinsam eine elektrische Kontaktkomponente zB für elektrische Schalter im mittleren

Spannungsbereich oder im Hochspannungsbereich. Insbesondere sind sowohl das Kontaktelement als auch der Kontaktträger elektrisch leitend. Beispielsweise kann für einen Leistungsschalter im Hochspannungsbereich eine Kontaktkomponente als

Rohrelement wie zB eine Tulpe bzw. Abbrandtulpe ausgebildet werden. Eine weitere Kontaktkomponente kann als Stift bzw. Abbbrandstift, der in die Tulpe eingreift, ausgebildet bzw. ausgeformt werden, so dass mit den beiden Kontaktkomponenten ein Kontakt eines elektrischen Schalters geschlossen werden kann.

Das Kontaktelement ist gesintert, dh es weist eine Vielzahl von aneinandergrenzenden Körnern auf. Erfindungsgemäß sind die Körner des Kontaktelements in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet bzw. die Körner des Kontaktelementes haben eine

Vorzugsrichtung bzw. Vorzugsorientierung. Beispielsweise sind die Körner länglich ausgebildet bzw. die Kornform des Kontaktelements ist länglich und die Körner bzw. deren Längsachse sind entlang der Vorzugsrichtung ausgerichtet. Beispielsweise ist bzw. wird das Kontaktelement nach dem Sintern kaltumgeformt, so dass die Körner des Kontaktelements länglich verformt und entlang einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind bzw. werden. Dh die Körner des Kontaktelements haben eine Orientierung bzw. Form, die durch (mechanisches) Umformen eine Vorzugsrichtung aufweisen.

Es hat sich herausgestellt, dass durch das Ausrichten der Körner entlang einer

Vorzugsrichtung bzw. das Ausbilden einer (länglichen) Kornform, die in einer

Vorzugsrichtung ausgerichtet ist, das Kontaktelement in Vorzugsrichtung einen geringerem elektrischen Widerstand aufweist Dh das Kontaktelement bzw. die

Kontaktkomponente kann in Vorzugsrichtung Strom mit geringerem Verlust leiten.

Vorzugsweise ist die Kontaktkomponente nach dem Angießen des Kontaktträgers kaltumgeformt, so dass die Körner des Kontaktelements eine Vorzugsrichtung aufweisen und zusätzlich der Kontaktträger durch die Kaltumformung gehärtet wird. Dh das Kontaktelement und der Kontaktträger werden gemeinsam nach dem Angießend des Kontaktträgers am Kontaktelement kaltumgeformt. Es hat sich herausgestellt, dass sich das mit dem Kontaktträger verbundene meist härtere und damit sprödere Material des

Kontaktelements nach dem Angießen des Kontaktträgermaterials in einem großen Bereich ohne Bildung von (Spannungs-)Rissen verformen lässt Dh es wird eine besonders robuste und verlustarme Kontaktkomponente bereitgestellt, die einfach und zeitsparend hergestellt werden kann. Insbesondere wird in nur einem Arbeitsschritt - nämlich der Kaltumformung - die oben beschriebene vorteilhafte Ausrichtung bzw. Kornform des Kontaktelements bereitgestellt und gleichzeitig der Kontaktträger bzw. das

Kontaktträgermaterial gehärtet

Zusammenfassend kann mittels der beschriebenen Kaltumformung ein reproduzierbares Eigenschaftsprofll für jede einzelne Kontaktkomponente erzielt werden, unabhängig von prozesstechnisch bedingten Streuungen der Festigkeitseigenschaften von schmelzmetallurgisch hergestellten Ausgangsmaterialien für den Kontaktträger.

Beispielsweise kann eine homogenen Gefugestruktur des Tragermaterials und des

Kontaktelements_ reproduzierbar über den Umformgrad eingestellt werden. Insbesondere im Vergleich zu AT 286423 B, die zur Härtung des Trägermaterials eine zeitintensive Wärmebehandlung vorsieht, kann die hier beschriebene Kontaktkomponente durch die Kaltumformung schnell und damit kostengünstig gehärtet werden.

Beispiele für eine Kaltumformung sind kaltschmieden oder kaltwalzen, beispielsweise kann eine Kontaktkomponente entlang ihrer Längsachse gewalzt oder geschmiedet werden. Dh es wirken Kräfte auf die Kontaktkomponente ein, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur ihrer Längsachse liegen. Dadurch werden die (nach dem Sintern zufällig angeordneten) Körner des Kontaktelements in Richtung der Längsachse des

Kontaktelements länglich verformt bzw. langgezogen oder gestreckt. Dh die Körner des Kontaktelements erhalten eine Form, Orientierung bzw. Vorzugsrichtung (in Richtung der Längsachse des Kontaktelements) hervorgerufen bzw. verursacht durch die

Kalturnformung. Hohle bzw. rohrförmige Kontaktkomponenten wie zB Tulpen können beispielsweise rohrgewalzt oder über einen Dom gezogen werden. Kompakte

Kontaktkomponenten wie zB Stifte können rundgehämmert werden. Beispielsweise können auch Kontaktkomponenten für Tulpen zunächst in Vollzylinderform bereitgestellt werden, die nach einer Kaltumformung wie zB Walzen durchbohrt und weiter bearbeitet werden, um so eine Tulpenform bereitzustellen.

Bevorzugt sind die Körner des Kontaktelements länglich, langgezogen bzw. gestreckt geformt und entlang der Vorzugsrichtung ausgerichtet Dh die Kornform des

Kontaktelements ist länglich bzw. die Körner haben in Richtung ihrer Längsachse eine größere Ausdehnung als senkrecht zur Längsachse. Es wird angenommen, dass der geringere elektrische Widerstand des Kontaktelements in Vorzugsrichtung, dh in

Richtung der Längsachse(n) der Körner, die entlang der Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, darauf basiert, dass der Stromfluss in Vorzugsrichtung (durch die langgezogenen Körner) weniger Korngrenzen passieren muss, wobei die Korngrenzen im Vergleich zum

Kornvolumen einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen. Vorzugsweise ist die Vorzugsrichtung parallel oder im Wesentlichen parallel zur

Stromleitungsrichtung bzw. zur Längsachse der Kontaktkomponente. Durch diese Anordnung wird die oben beschriebene geringere Widerstand der Kontaktkomponente besonders effizient genutzt Beispielsweise ist die Vorzugsrichtung parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse einer Tulpe oder eines Stiftes für einen

Leistungsschalter.

Bevorzugt ist das Kontaktelement aus einer Wolfram-Legierung hergestellt, die zum einen eine hohe Verschleißbeständigkeit und Abbrandfestigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit bereitstellen. Beispielsweise wird WCu in einem Mischungsverhältnis von W:Cu von 90:10, 80:20 oder 60:40 verwendet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Kontaktelement aus MoCu oder CuCr hergestellt

Vorzugsweise ist der Kontaktträger aus Kupfer hergestellt, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Gießeigenschaften aufweist Alternativ können CuCr, CuCrZr oder andere aushärtbare Kupferlegierungen als Trägermaterial verwendet werden, so dass nach dem Angießen des Kupferträgers der Kupferträger zusätzlich oder alternativ zur

Kaltumformung durch eine Wärmebehandlung ausgehärtet werden kann. Bevorzugt ist das Kontaktelement vom Kontaktträgermaterial umschlossen bzw. in das Kontaktträgermaterial eingeschlossen. Dadurch wird eine besonders großflächige und damit (bruch)sichere Verbindung zwischen Kontaktelement und Kontaktträger hergestellt Insbesondere wird dadurch ein guter elektrischer Kontakt zwischen Kontaktelement und Kontaktträger bereitgestellt und damit eine sehr gute Leitfähigkeit der

Kontaktkomponente.

Nachfolgend wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen

Kontaktkomponente beschrieben, insbesondere einer wie oben beschriebenen elektrischen Kontaktkomponente. Zunächst wird ein gesintertes Kontaktelement bereitgestellt an das ein Kontaktträger angegossen wird. Das gesinterte Kontaktelement wird hergestellt, indem verschiedene pul verförmige Ausgangsmaterialien gemischt, gepresst und schließlich gesintert werden. Optional wird vor dem Angießen das gesinterte Kontaktelement vorgedreht. Das Kontaktelement wird in einen Behälter bzw. Tiegel wie zB einen Graphittiegel eingelegt. Anschließend wird das Kontaktträgermaterial in einem Stück, zB als Block oder Stab, oder in kleineren Teilen, zB Reste wie Späne oder Abschnitte, als pulverförmiges Material oder als Granulat, dem Behälter zugegeben. Der Behälterinhalt wird auf Schmelztemperatur des Trägermaterials gebracht, so dass das Trägermaterial schmilzt und an das Kontaktelement angegossen bzw. das Kontaktelement in das

Trägermaterial eingegossen wird. Dh das Material des Kontaktelements hat einen höheren Schmelzpunkt als das Kjontektträgermaterial. Vorzugsweise wird das Kontaktelement vom Trägermaterial infiltriert, so dass eine besonders stabile Verbindung zwischen

Kontaktelement und Kontaktträger hergestellt wird.

Wie oben beschrieben ist bzw. wird das Kontaktelement kaltumgeformt, so dass die Kömer des Kontaktelements in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Beispielsweise wird das Kontaktelement vor dem Angießen kaltumgeformt oder nach dem Angießen des Kontaktträgermaterials wird die gesamte Kontaktkomponente (Kontaktelement und Kontaktträger) kaltumgeformt, so dass die oben beschriebenen Vorteile der

Kontaktkomponente bereitgestellt werden.

Hinzeine Merkmale der oben beschrieben Ausgestaltungen der Kontaktkomponente sowie des Verfahrens zu dessen Herstellung und einzelne Merkmale der im folgenden

Ausfuhrungsbeispiel beschriebenen Kontaktkomponente sowie des Verfahrens zu dessen Herstellung können auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.

Anhand der Figuren wird eine Ausfuhrungsform der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittdarstellung eines Behälters mit den

Ausgangsmaterialien für eine Kontaktkomponente vor einem Schmelzprozess bzw. Infiltrationspro zess,

Fig. 2 den Behälter von Fig. 1 nach dem Schmelzprozess zur Bildung eines

Kontaktkomponentenrohlings, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kaltumformung des

Kontaktkomponentenrohlings von Fig. 2,

Fig. 4a-b eine schematische Darstellung des Kontaktkomponentenrohlings von Fig. 2 nach der Kaltumformung und einer Endbearbeitung,.

Fig. S ein Gefügebild einer Kontaktkomponente nach einem Schmelz- bzw.

Infiltrationsprozess, und

Fig. 6a-b Gefugebilder der Kontaktkomponente von Fig. 5 nach einem Umformprozess.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung eines Behälters 8, wie zB einen Graphittiegel, mit den Ausgangsmaterialien zur Herstellung einer Kontaktkomponente lb (Fig. 4b). Im Nachfolgenden wird beispielhaft die Herstellung einer Kontaktkomponente in Form einer Abbrandtulpe beschrieben.

In einem ersten Schritt wird im Behälter 8 ein Sinterrohling 2a als Kontaktelement bereitgestellt. In diesem Beispiel weist der Sinterrohling 2a eine Ringform auf, um

Sintermaterial einzusparen, da die fertiggestellte Kontaktkomponente eine zentrale Durchgangsbohrung aufweist (Fig. 4b). Beispielsweise ist ein Ring aus einer

Wolframlegierung wie zB WCu vorgesehen. Ober dem Sinterrohling 2a bzw. dem Kontaktelement wird ein Trägermateri alblock 6 angeordnet, zB ein Kupfer-Block.

Alternativ zum Materialblock 6 kann auch zerkleinertes Trägermaterial wie zB kleinere Abschnitte oder Pulver bzw. Granulat verwendet werden. Dh es können Reste aus der Metallverarbeitung (wieder)verwendet werden oder Granulat oder Pulver, das

preisgünstiger ist als zB stangenförmiges Vollmaterial.

Anschließend wird das Trägermaterial aufgeschmolzen und der Sinterrohling 2a mit dem Trägermaterial infiltriert bzw. der Sinterrohling 2a wird im Trägermaterial eingeschlossen, so dass ein Kontaktkomponentenrohling la gebildet wird. Wie in Fig. 2 dargestellt, bildet das überschüssige Trägermaterial den Kontaktträger 4.

Nach dem Angießen des Kontaktträgers 4 bzw. Infiltrieren des Sinterrohlings 2a, wird der Kontaktkomponentenrohling la aus dem Behälter 8 entfernt und einer Kaltumformung unterzogen. Wie in Fig. 3 durch Pfeile schematisch angedeutet wird der Kontaktkomponentenrohling la zwischen zwei (oder mehr) gegensinnig laufenden Walzen lOa-b parallel zu einer Längsachse A des Rohlings la bewegt Durch Verringern des Walzspalts, also des Ab Stands zwischen den Walzen lOa-b, wird der Querschnitt des Rohlings la reduziert bzw. der Rohling l länglich verformt Dabei werden die (durch den Sinterpro zess beliebig angeordneten bzw. geformten) Körner 14a-c des Sinterrohlings 2a flach gewalzt, also in Richtung der Längsachse A länglich, langezogen bzw. langgestreckt verformt. Die Körner 16a-c des Rohlings 2a sind nach dem Walzen entlang der

Längsachse A der Kontaktkomponente ausgerichtet Dh die Körner 16a-c des

Kontaktelements 2b bzw. des umgeformten Sinterrohlings 2a sind entlang einer

Vorzugsrichtung B (parallel oder im Wesentlichen parallel zur Längsachse A bzw. zur Stromleitungsrichtung) ausgerichtet

Durch die länglichen entlang der Vorzugsrichtung B ausgerichteten Körner 16a-c weist das Kontaktelement 2b bzw. die Kontaktkomponente lb eine verbesserte Leitfähigkeit bzw. einen geringeren elektrischen Widerstand in Richtung B auf, da der Stromfluss durch die langgezogenen Kömer 16a-c in Vorzugsrichtung B weniger Korngrenzen überwinden muss.

Weiterhin wird durch das Kaltumformen bzw. Kaltwalzen der Kontaktträger 4 gehärtet. Dh über den Umformgrad des Kontaktträgers 4 bzw. der Kontaktkomponente la können über das gesamte Volumen bzw. die Länge der Kontaktkomponente la vorbestimmte und reproduzierbare mechanische Eigenschaften erzielt werden, unabhängig von eventuell davon abweichenden Eigenschaften der Ausgangsmaterialien. Dh mittels des oben beschriebenen Verfahrens kann auf einfache, schnelle und damit kostengünstige Weise ein reproduzierbares EigenschaftsprofU für jede einzelne Kontaktkomponente lb erzielt werden.

Die in Fig. 4a nach dem Kaltumformen schematisch dargestellte Kontaktkomponente lb wird anschließend mit einer zentralen Bohrung 12 versehen (Fig. 4b) und das

Kontaktelement 2b bzw. die Kontaktkomponente lb zur Bildung einer Abbrandtulpe entsprechend ausgeformt (nicht dargestellt). Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist im Behälter 8 ein zentraler Dorn (nicht dargestellt) vorgesehen, über den der ringförmige Sinterrohling 2a gesteckt wird. Der Dorn erzeugt beim Angießen einen Hohlraum im Kontaktkomponentenrohling, so dass nach dem Infiltrieren des Trägermaterials 6 der Hohlraum die Bohrung 12 bildet bzw. der Hohlraum nur geringfügig nachbearbeitet werden muss, um die Bohrung 12 zu erhalten. Auf diese Weise muss bei der Herstellung weniger Trägermaterial aufgeschmolzen werden wodurch Zeit und Energie eingespart wird.

Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren kann ein zu der beschrieben Tulpe passender Abbrandstift (nicht dargestellt) mit einem Kontaktelement und einem daran angegossenen Kontaktträger hergestellt werden. Im Unterschied zum oben beschriebenen Verfahren hat in diesem Fall der Sinterrohling keine Ringform, sondern zB eine

(Voll-)Zylinderform, die nach der Ausbildung einer Kontaktkomponente gemäß dem oben beschriebenen Verfahren (ohne das Vorsehen einer Bohrung 12) die Kontaktspitze des Stiftes bildet und dazu ausgelegt ist in die Bohrung 12 einzugreifen, um einen

Schalterkontakt eines elektrischen Schalters zu schließen.

Fig. 5 zeigt eine Abbildung des Gefügezustands einer Kontaktkomponente im Bereich eines WCu 80/20 Kontaktelements 2a nach einem Sinterprozess und einem

Infiltrationsprozess mit einem Trägermaterial. Es ist gut zu erkennen, dass Körner 14a-c des Kontaktelements 2a beliebig geformt und angeordnet sind.

Fig. 6a und Fig. 6b zeigen den Gefügezustand der Kontaktkomponente von Fig. 5 im Bereich des Kontaktelements nach einem Umformprozess, in diesem Fall wurde die Kontaktkomponente rundgehämmert. Deutlich zu erkennen ist, dass die Körner 16a-c durch die Umformung eine Vorzugsrichtung B aufweisen bzw. länglich verformt sind. Die elektrische Leitfähigkeit parallel zur bevorzugten Ausrichtung B der umgeformten Struktur ist messbar höher als im rechten Winkel dazu. Im vorliegenden Fall handelte es sich um eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 1.5 MS/m.