Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Hei Lallen eines Kontaktstückes auf der Basis von Kupfer und Chrom zur Verwendung bei Vakuumschaltröhren, bei dem ein Pulverpre߬ ling aus den Ausgangskomponenten bis zu einer Restporosität < 1 % verdichtet wird, sowie auf ein derart hergestelltes Koπtaktstück.

Als Kontaktwerkstoffe für Vakuumschaltröhren haben sich Ver¬ bundwerkstoffe bewährt, die aus einer leitfähigen und minde¬ stens einer hochschmelzenden Komponente bestehen und die bei Bedarf noch schweißkraftsenkende oder abreißstromerniedrigende Zusätze enthalten. Die weitverbreiteten CuCr-Werkstoffe sind hierzu ein typisches Beispiel.

Da die hochschmelzende Komponente wie das Chrom nur eine ge¬ ringe Löslichkeit in der elektrischleitenden Hauptkomponente wie dem Kupfer besitzt, kommen für die Herstellung von CuCr- Kontaktwerkstoffen vor allem pulvermetallurgische Verfahren in Betracht.

Ein häufig angewendetes Verfahren zur Herstellung derartiger Kontaktwerkstoffe ist das Sintern eines Cr-Gerüstes und das anschließende Infiltrieren des Sinterskeletts mit Cu, was bei¬ spielsweise in der DE-A-25 21 504 oder der DE-B-25 36 153 be¬ schrieben ist. Als Ergebnis können qualitativ hochwertige Werk¬ stoffe mit guten Schalteigenschaften erhalten werden; aller¬ dings ist dieses Verfahren fehleranfällig und erfordert einen erheblichen Aufwand zur Qualitätssicherung. Da eine flüssige Phase eingesetzt wird, entstehen Rohlinge mit deutlichem Auf¬ maß, die entsprechend zerspanend bearbeitet werden müssen, um die Endform zu erhalten. Außerdem ist durch die Erforder¬ nis eines selbsttragenden Gerüstes der verfügbare Konzentra-

1 tionsbereich für die hochschmelzende Komponente eingeschränkt. Letztere Nachteile vermeidet ein anderes, weit verbreitetes Verfahren, bei dem eine Pulvermischung der Komponenten ver¬ preßt bzw. gesintert und noch kalt oder warm nachgepreßt wird, was beispielsweise in der DE-A-29 14 186, der DE-A-34 06 535 5 und der EP-A-0 184 854 beschrieben ist. Die Konzentration der Komponenten ist bei diesem Verfahren in weiten Grenzen wähl¬ bar und die Kontur der Rohlinge kann nahe an die Endform ge¬ legt werden, da ausgedehnte Hohlraumsysteme im Material, wie sie bei schlechten Tränkwerkstoffen entstehen können, nicht 0 auftreten. Dafür besitzen derartige Werkstoffe allerdings eine Restporosität, die üblicherweise zwischen 4 % und 8 % liegt und die sich nachteilig bei ihrem Einsatz als Kontaktmaterial von Kontaktstücken für Vakuumschaltröhren auswirkt. Dies liegt darin begründet^ daß mit zunehmender Porosität die Gefahr von 5 Spätdurchschlägen wächst und sich die Schaltleistungsgrenze erniedrigt, wobei sich weiterhin die Schweißneigung erhöht.

Aus der EP-A-0 184 854 ist es bereits bekannt, die Pulverkör¬ per nicht durch Festphasensintern, sondern durch Heißpressen

20 zu verdichten, wodurch sich Werkstoffe mit vernachlässigbar geringer Restporosität ergeben, welche die obengenannten Nach¬ teile vermeiden. Allerdings ist dieser Herstellungsweg, der unter Vakuum oder in hochreinem Schutzgas stattfinden muß, kostenintensiv und damit relativ unwirtschaftlich.

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Gemäß der DE-A-37 29 033 ist eine weitere Herstellungsart für CuCr-Kontaktwerkstoffe bekannt, bei dem ein Festphasen-Sinter¬ schritt mit einem heißisostatischen Flüssigphasen-Preßschritt (HIP) kombiniert ist. Dabei wird von Sinterkörpern relativ ge-

30 ringer Verdichtung ausgegangen - wobei 80 % der theoretischen Dichte bereits als ausreichend angegeben werden - und bei Tem¬ peraturen von ca. 200 ^* C oberhalb des Schmelzpunktes der leit¬ fähigen Komponente Kupfer isostatisch heißgepreßt. Die Sinter¬ körper müssen hierzu unter Vakuum gekapselt werden, um zu

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verhindern, daß Luft bzw. Gas in den Werkstoffporen einge¬ schlossen werden kann und daß eine Oxidation des Chrom durch den Anteil von Restsauerstoff im Druckgas erfolgt. Außerdem kann die Kapselung einer Verunreinigung der Innenarmaturen der Preßvorrichtung durch eine austretende Flüssigphase ver- meiden.

Wie beim einachsigen Heißpressen ergeben sich auch beim iso¬ statischen Heißpressen (HIP) vernachlässigbar geringe Rest¬ porositäten. Für eine industrielle Fertigung hoher Stückzahlen ist jedoch das angegebene HIP-Verfahren unwirtschaftlich. Das Kapseln der Sinterkörper unter Vakuum bedeutet einen kostenin¬ tensiven Fertigungsschritt; das Heißpressen in flüssiger Phase, wie es die DE-A-37 29 033 als besonders vorteilhaft angibt, erfordert aufwendige Zerspanarbeiten zum Herstellen der Kon- taktauflagen.

Weiterhin ist in der DE-A-35 43 486 ein heißisostatisches Pres¬ sen gekapselter Preßlinge für die Herstellung von Kontakt¬ werkstoffen auf der Basis von Kupfer und Chrom erwähnt. In dieser Druckschrift wird jedoch hervorgehoben, daß dieses Ver¬ fahren nicht als empfehlenswertes Fertigungsverfahren anzusehen ist, sondern lediglich als Verfahren zur Herstellung restporen- armer Vergleichsproben, d.h. nur für Spezialf lle, wofür ein entsprechender Aufwand gerechtfertigt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstel¬ lung von CuCr-Kontaktstücken für Vakuumschalter aus CuCr-Werk- stoff anzugeben, das eine gute Werkstoffqualität mit einem Rest¬ porenanteil < 1 % liefert und das zugleich kostengünstig und wirtschaftlich bei der Fertigung der Kontaktstücke aus dem Werkstoff arbeitet. Insbesondere sollen damit eine Formteil¬ technik mit Konturen nahe der Endform angewandt und auf aufwen¬ dige Maßnahmen wie einer Vakuumkapselung verzichtet werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ver¬ dichtung des Pulverpreßlings in zwei Stufen erfolgt, wobei die erste Stufe ein Sinterprozeß ist mit einer Verdichtung bis zu einer geschlossenen Porosität des Sinterkörpers und die zweite Stufe ein heißisostatischer Preßvorgang (HIP) ist, bei dem die Werkstücke ungekapselt auf die Enddichte von mindestens 99 % Raumerfüllung gebracht werden.

Eine geschlossene Porosität wird beim erfindungsgemäß herge¬ stellten CuCr-Werkstoff mit hinreichender Sicherheit ab etwa 95 % Raumerfüllung erreicht. Die geschlossene Porosität ist bei nicht gekapselten Werkstücken für einen HIP-Vorgang not¬ wendig, um die erfindungsgemäß angegebene nahezu vollständige Verdichtung zu erreichen.

Vorteilhafterweise kann beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Mischung aus Cu- und Cr-Pulver zu einem solchen Rohling ver¬ preßt werden, dessen Form bereits möglichst nahe der Geometrie des gewünschten Kontaktstückes oder der benötigten Kontaktauf¬ lage gewählt ist. Dieser Rohling wird unter Vakuum und/oder unter reduzierender Atmosphäre nach den angegebenen Zwei-Stu¬ fen-Prozeß in fester Cu-Phase gesintert und abschließend iso¬ statisch in fester Cu-Phase heißgepreßt. Entscheidend ist bei dieser Verfahrensabfolge, daß das heißisostatische Pressen entgegen der bisherigen Auffassung ohne Kapselung der CuCr- Werkstücke auskommt. In Versuchen konnte im einzelnen gezeigt werden, daß auch ohne Kapselung der CuCr-Preßlinge beim erfindungsgemäßen Verfahrensablauf im Inneren des Materials weder zusätzliche Gase eingeschlossen werden noch das Chrom oxidiert. Es wurde gefunden, daß eine Oxidation des Chroms durch den 0 ₂ -Restgehalt im Druckgas nur auf den Oberflächen der Werkstücke stattfindet. Diese Außenflächen werden bei der Fertigstellung der Kontaktstücke jedoch ohnehin entfernt. Durch die Sinterung des Rohlings unter Vakuum oder reduzieren-

der Atmosphäre wird bereits vor dem Heißpressen eine Verminde¬ rung des Gasgehaltes erzielt. Dies ist jedoch beim heißiso- statischen Pressen gekapselter Pulvermischungen oder kaltiso- statisch gepreßter und anschließend gekapselter Rohlinge nicht der Fall.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kontaktstücke haben eine hohe Werkstoffqualität durch die homogene Vertei¬ lung der Komponenten, ihre hohe Verdichtung und extrem niedrige Porositäten. Daraus und aus der mittels des heißisostatischen Verdichtungsprozesses erzielten Verdichtung und Verfestigung des Werkstoffes ergeben sich die verlangten guten Kontakteigen¬ schaften wie hohe Ausschaltleistung, dielektrische Festigkeit und Abbrandfestigkeit.

Die Kostengünstigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich insbesondere durch den Wegfall der Vakuumkapsel und wei¬ terhin dadurch, daß durch das Sintern und Heißpressen in fester Phase die Kontur des Preßlings bereits sehr nahe der gewünsch¬ ten Endform gewählt werden kann, so daß nur noch eine geringe Oberflächennachbearbeitung erforderlich ist. Damit ist glei¬ chermaßen eine Minimierung an Materialeinsatz gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich vorteilhafterweise so ausführen, daß ein kombinierter Sinter-HIP-Prozeß einge- setzt wird, bei dem Pulverpreßkörper aus Kupfer und Chrom zunächst im Vakuum oder unter H ₂ porenarm gesintert und an¬ schließend im gleichen Arbeitsgang isostatisch heißgepreßt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhafterweise auch Verbundteile gefertigt werden: Beispielsweise können Kontaktauflagen aus CuCr zugleich mit den Kontaktträgern aus Cu als Zweischicht- oder Zweibereichsteile in einem Verfah-

rensablauf hergestellt werden. Damit läßt sich der Fertiguπgs- schritt des Verbindens - wie üblicherweise das Hartlöten im Vakuum - einsparen. Dies ist insbesondere bei Verwendung von Unterlagen aus massivem Cu ein wesentlicher Vorteil, da diese Unterlagen durch einen Sinterprozeß allein nicht hinreichend mit dem Pulverpreßkörper verbunden werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Beispielen, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen 0

FIG 1 ein erstes Koπtaktstück im Schnitt,

FIG 2 ein zweites Kontaktstück in perspektivischer Ansicht, FIG 3 ein Kontaktstück mit Kontaktstückunterlage in perspek¬ tivischer Ansicht und 5 FIG 4 und FIG 5 Gefügebilder des Werkstoffes vor und nach dem heißisostatischen Pressen.

Beispiel 1:

Elektrolytisch erzeugtes Cr-Pulver der Teilchengrößenverteilung 0 < 63 μm wird mit Cu-Pulver der Teilchengrößenverteilung < 40 μm im Verhältnis 40:60 trocken gemischt und zu Ringen der Abmes¬ sung (jι 600/φ. 35 x 6 mm einachsig mit einem Preßdruck von 800 MPa verpreßt. Die Preßlinge werden bei 1030"C 1 h unter Wasserstoff mit einem Taupunkt -70"C und anschließend 7 h

_3_ unter Hochvakuum mit einem Druck p < 10 ^" mbar gesintert. Die Sinterkörper werden anschließend bei 950 ^β C 3 h mit 1200 bar unter Argon heißisostatisch gepreßt. Durch einfaches Über¬ drehen der Rohlinge können die gewünschten Kontaktringe er¬ halten werden.

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Beispiel 2:

Auf eine Unterlage von Cu-Pulver der Teilchengrößenverteilung

< 63 μ wird ein Pulvergemisch aus 25 m% aluminothermisch er-

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zeugtem Cr-Pulver mit Teilchengrößenverteilungen zwischen 45 und 125 μm und 75 m% Cu-Pulver der Teilchengrößenverteilung < 40 μm mit einem Druck von 600 MPa gepreßt. Es entsteht ein Zweischichtpreßkörper 1 gemäß FIG 1 mit scheibenförmiger Cu- Schicht 2 und kegelstumpfförmiger CuCr-Auflage 3 mit Kontakt¬ fläche 4. Der Preßkörper 1 wird bei 1050 ^β C 6 h unter Hochvakuum bei einem Druck < 10 ^" mbar gesintert und anschließend bei 980 ^β C und 1000 bar Argon ca. 3 h heißisostatisch gepreßt.

In einer Variante dieses Beispiels kann der Pulverpreßling ne- ben dem Kupfer und Chrom weiterhin auch hochschmelzende Kompo¬ nenten wie Eisen (Fe), Titan (Ti), Zirkon (Zr), Niob (Nb), Tan¬ tal (Ta), Molybdän (Mo) bzw. auch Legierungen davon enthalten. Zusätzlich können auch leichtverdampfliche Zusätze wie Selen (Se), Tellur (Te), Wismut (Bi), Antimon (Sb) oder deren Ver- bindungen enthalten sein.

Beispiel 3:

Eine Pulvermischung entsprechend Beispiel 1 wird mit einem Druck von 600 MPa zu Scheiben verpreßt und unter Hochvakuum mit einem Druck < 10 ^~4 mbar bei ca. 1060°C bereits in der HIP- Vorrichtung für etwa 4 h gesintert. Unmittelbar anschließend wird mit 500 bar Argon bei 1030 ^β C etwa 2 h lang heißisostatisch gepreßt.

Beispiel 4:

Eine Pulvermischung aus 60 m% Cu-Pulver mit Teilchengrößen < 63 μm und 40 m% Cr-Pulver mit Teilchengrößen < 150 μm wird mit 750 MPa zu kegelstumpfförmig abgeschrägten Kontaktschei¬ ben 5 gemäß FIG 2 mit Kontaktflächen 6 gepreßt. Beim Preß- Vorgang werden zugleich Schlitzkonturen 7 senkrecht zur Pre߬ richtung eingeprägt. Sinterung und HIP-Prozeß werden wie im Beispiel 2 geführt.

Wie unter Beispiel 2 beschrieben, kann als Variante auch ein schichtförmiger Aufbau mit einer CuCr-Pulvermischung für die Kontaktauflage und eine Cu-Pulverschicht zur Erzeugung einer gut lötfähigen Unterlage verwendet werden.

Beispiel 5:

Eine Pulvermischung entsprechend Beispiel 4 wird mit 800 MPa zu einer flachen zylindrischen Kontaktauflage 8 gemäß FIG 3 gepreßt und vor dem Sintern auf eine scheibenförmige Unterlage 9 aus sauerstoffarmem bzw. sauerstoffreiem (OFHC) Kupfer ge- legt. Während des Sinterprozesses, der bei 1060 ^β C für ca. 5 h durchgeführt wird, verbinden sich der Preßkörper 8 und die Cu-Scheibe 9 über Sinterbrücken. Bei einem sich anschließenden isostatischen Heißpreßschritt entsprechend Beispiel 1 werden der Preßkörper 8 und die Kupferscheibe 9 stoffschlüssig ver- bunden, wodurch eine ausreichende Festigkeit an der Grenz¬ schicht entsteht. Die Kupferunterlage läßt sich beim bestim¬ mungsgemäßen Gebrauch des Kontaktstückes als Kontaktträger oder auch unmittelbar als Stromzuführungsbolzen 10 ausbilden.

Beim beschriebenen Herstellungsverfahren für Kontaktstücke ist zur Gewährleistung hoher Werkstoffqualität die Kombination des Sinter- und Heißpreß-Schrittes entscheidend. Durch die ge¬ schlossene Porosität nach dem Sintern kann beim HIP-Vorgang erreicht werden, daß keine merkliche Lufteinlagerung in den Werkstoff auftritt, was sich durch Messungen anhand nachfol¬ gender Tabelle bestätigen läßt:

0 ₂ /ppm N ₂ /ppπι

CuCr40, Sinterzustand 534 14 CuCr40, Heißpreßzustand 532 19

Sauerstoff und Stickstoffgehalt liegen also vor und nach dem heißisostatischen Pressen der ungekapselten Werkstücke in der gleichen Größenordnung.

Aus den zugehörigen Gefügebildern wird deutlich, daß jeweils in eine Kupfermatrix 11 Chrompartikel 12 eingebettet sind, wo¬ bei in FIG 4 im Sinterzustand gelegentlich noch Leerstellen 13 auftreten. Diese sind allerdings wegen der geschlossenen Poro¬ sitäten nach außen hin abgeschlossen. FIG 5 bestätigt dagegen, daß durch die weitere isostatische Verdichtung die Leerstellen 13 im CuCr-Werkstoff völlig beseitigt sind. Damit liegt nunmehr ein nahezu dichter Werkstoff mit einer Raumerfüllung von mehr als 99 % vor, der in vergleichsweise einfacher Weise herge¬ stellt wurde.