Werkstoffe für Vakuumschalter

Diese gasarmen Kontaktwerkstoffe wurden speziell für den Einsatz in Vakuumschaltern entwickelt (Table 1).

Table 1: Physikalische Eigenschaften der gasarmen Materialien für Vakuumschalter

Material	Chemische Zusammensetzung [gew.%]	Dichte [g/cm3]	Schmelzpunkt [°C]	Elektrische Widerstandskraft [µΩ*cm]	Elektrische Leitfähigkeit [% IACS]	Elektrische Leitfähigkeit [MS/m]	Vickers Härte [HV10]	Chopping Strom (99%-Value) [A]
W/Cu 80/20	W: 20±2 Cu: Rest	15,2 - 15,8	1083	4,55 - 6,25	28 - 35	16 - 20	210 - 250	5
W/Cu 30Sb1	W: 70±2 Sb: 0,5 - 1,0 Cu: Rest	13,8 - 14,5	630	5,26 - 7,14	24 - 33	14 - 19	220	4
WC/Ag 60/40	WC: 60±2 Ag: 40±2	12,7	960	4,34 - 5,88	30 - 40	17 - 23	180 - 250	1,5
WC/Ag 50/50	WC: 50±2 Ag: 50±2	12,2	960	3,45 - 4,34	40 - 50	23 - 29	140 - 170	1,8
Cu/Cr 75/25	Cr: 25±1 Cu: Rest	7,8 - 8,3	1083	≤3,70	≥47	≥27	>60	4,5
Cu/Cr 60/40	Cr: 40±1 Cu: Rest	7,3 - 7,9	1083	≤4,55	≥40	≥22	>70	4,5
Cu/Cr 50/50	Cr: 50±1 Cu: Rest	7,0 - 7,5	1083	≤6,25	≥28	≥16	>80	5

Gasarme Werkstoffe auf der Basis von Refraktärmetallen

Kontaktwerkstoffe aus W/Cu, W/Ag, WC/Ag oder Mo/Cu können in Vakuumschaltern eingesetzt werden, wenn der Summengasgehalt nicht über ca. 150 ppm liegt. Bei den vor allem in Vakuumschützen eingesetzten gasarmen W/Cu Werkstoffen verleiht das hochschmelzende W-Gerüst in Verbindung mit der hochleitfähigen und bereits bei Temperaturen um 2000 °C in merklichem Umfang verdampfenden Cu-Komponente eine hohe Abbrandfestigkeit.

Da nahezu keine gegenseitige Löslichkeit von Wolfram, Wolframkarbid bzw. Molybdän und Kupfer bzw. Silber besteht, erfolgt die Herstellung dieser Werkstoffe auf pulvermetallurgischem Wege durch Pressen und Sintern des W-, WC- oder Mo-Pulvers und anschließendem Tränken mit gasarmem Cu oder Ag. Der Anteil der refraktären Komponente liegt meist zwischen 60-85 Massen-% (Figure 1 und Figure 2).

Durch Zusätze von ca. 1 Massen-% Sb kann das Abreißstromverhalten, d.h. der mehr oder weniger abrupte Stromabriss (current chopping) kurz vor dem natürlichen Stromnulldurchgang, von W/Cu Werkstoffen verbessert werden (Table 2). Die in Vakuum-Schützen eingesetzten Kontaktstücke haben üblicherweise die Form von Scheiben oder Ronden. Diese werden unter Vakuum auf Kontaktträger aus Kupfer aufgelötet (Table 3).

Gasarme Werkstoffe auf Kupfer-Chrom-Basis

Als Kontaktmaterial für Vakuum-Leistungsschalter der Mittelspannungstechnik haben sich gasarme Werkstoffe auf Cu/Cr-Basis durchgesetzt. Üblich sind Cr- Gehalte zwischen 25-55 Massen-% (Figure 3 und Figure 4). Bei der pulvermetallurgischen Herstellung der Cu/Cr Werkstoffe nach der Sintertechnik wird die Mischung aus Chrom und Kupferpulver z.B. zu einer Scheibe gepresst, unter reduzierendem Schutzgas oder im Vakuum unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers gesintert und kalt oder warm nachgepresst. Je nach Zusammensetzung verbinden die Cu/Cr Werkstoffe eine relativ gute elektrische und thermische Leitfähigkeit mit hoher dielektrischer Festigkeit, geringem Abbrand und hoher Verschweißresistenz sowie bei Verwendung in Leistungsschaltern mit günstigen Werten für den Abreißstrom. Diese vorteilhaften Eigenschaften ergeben sich aus dem Zusammenwirken der beiden Komponenten Kupfer und Chrom (Table 2).

Die Schalteigenschaften der Cu/Cr Werkstoffe werden u.a. von der Reinheit des eingesetzten Cr-Pulvers bzw. von Art und Menge der im Cr-Pulver vorhandenen Verunreinigungen bestimmt. Daneben spielen auch die Korngröße und die Korngrößenverteilung des Cr-Pulvers eine wichtige Rolle. Die Summengasgehalte können wegen der hohen Getteraktivität des Chroms mit bis etwa 650 ppm deutlich höher liegen als bei Werkstoffen auf Refraktärbasis. Neben der wirtschaftlichen Sintertechnik werden für die Herstellung von Cu/Cr-Kontaktwerkstoffen noch das Tränkverfahren und das Vakuumlichtbogenschmelzen verwendet. Cu/Cr-Werkstoffe werden in Form von Ringen oder Scheiben, die zur Beeinflussung des Lichtbogenlaufs häufig mit Schlitzen versehen sind, vor allem in Vakuum-Leistungsschaltern im Bereich der Mittelspannung eingesetzt (Table 3). Auch in Schützen und Leistungsschaltern der Niederspannungs-Energietechnik finden Ronden aus Cu/Cr-Werkstoffen vermehrt Anwendung.

Figure 1: Gefüge von W/Cu 30Sb1-gasarm

Figure 2: Gefüge von WC/Ag 50/50 -gasarm

Figure 3: Gefüge von Cu/Cr 75/25 -gasarm

Figure 4: Gefüge von Cu/Cr 50/50 -gasarm

Table 2: Kontakt- und Schalteigenschaften der Werkstoffe

Werkstoff	Eigenschaften
W/Cu 80/20 - gasarm	Hohe Sicherheit gegen Verschweißungen, niedriger Kontaktwiderstand, hohe Schaltstücklebensdauer bei Schützen im AC-4-Betrieb, niedriger Abreißstrom.
W/Cu30Sb1 - gasarm	Ähnliche Eigenschaften wie W/Cu 20, etwas günstigeres Abreißstromverhalten als W/Cu 20.
WC/Ag 60/40 - gasarm	Besonders niedriger Abreißstrom
Cu/Cr 75/25-50/50 - gasarm	Hohe Sicherheit gegen Verschweißungen im Kurzschlussfall, niedriger Kontaktwiderstand, hohe Abbrandfestigkeit, hohes Ausschaltvermögen.

Table 3: Anwendungsbeispiele und Lieferformen der Werkstoffe

Werkstoff	Anwendungsbeispiele	Lieferformen
W/Cu 80/20 - gasarm W/Cu 30Sb1 - gasarm WC/Ag 60/40 - gasarm	Vakuum-Schütze Vakuum-Lastschalter	Kontaktscheiben, Gelötete Kontaktteile
Cu/Cr 75/25 - gasarm Cu/Cr 60/40 - gasarm Cu/Cr 50/50 - gasarm	Vakuum-Leistungsschalter Vakuum-Schütze	Kontaktscheiben Kontaktringe Kontaktformteile

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