Verfahren zur Herstellung eines oberflächenbeschichteten,

Bauteils, insbesondere eines Kontaktstücks für einen

Vakuumschalter, und Vorrichtung zur Durchführung dieses

Verfahrens.

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Herstellung eines oberflächenbeschichteten Bauteils, insbesondere eines Kontaktstücks für einen Vakuumschalter, gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Hierbei nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er etwa in DE-Al-3541584 beschrieben ist. Ein in dieser Patentveröffentlichung angegebenes Verfahren dient der Herstellung von Metall-Verbundwerkstoffen aus einem Grundwerkstoff mit wenigstens einem Metall und weiteren Wirkkomponenten. Hierbei wird ein Substrat aus dem Grundwerkstoff mittels Energiestrahlung örtlich gezielt bis in vorgegebene Tiefe geschmolzen und dem Schmelzvolumen die Wirkkomponente zugeführt. Hierzu bedarf es Strahlen mit äusserst hoher Strahlstromdichte, wie etwa Laserstrahlen, und spezieller Energieübertragungvorrichtungen, mit denen die Wirkkomponenten auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden können.

Aus CH-A5-661616 ist es bekannt, einen Chrom und Kupfer enthaltenden Sinterkörper im Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre einem konzentrierten, etwa durch einen Lichtbogen gebildeten, Wärmestrom mit einer Strahlstromdichte von 10 - 1000 kW/cm ² auszusetzen. Während der ca. 21 - 100 ms dauernden Einwirkung des Wärmestroms wird die Oberfläche des Werkstückes aufgeschmolzen. Durch anschliesendes Abkühlen des Sinterkörpers mit einer Geschwindigkeit von 10 ⁴ - 10 ⁵ °K/s wird sodann ein Kontaktstück für einen Vakuumschalter mit einer bis zu 3 mm starken Oberflächenschicht aus einem feindispersen und einen geringen Gasgehalt aufweisenden Kupfer-Chrom-Material gebildet. Solchermassen hergestellte Kontaktstücke steigern die Betriebszuverlässigkeit von Vakuumschaltern erheblich, bedingen jedoch bei der Herstellung grossflächiger Kontaktstücke einen erheblichen apparativen Aufwand.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenbeschichteten, Bauteils, insbesondere eines Kontaktstückes für einen Vakuumschalter, anzugeben, mit dem auch grossflächige Bauteile mit geringem apparativem Aufwand hergestellt werden können.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht mit geringem apparativem Aufwand die Herstellung hochbelastbarer oberflächenbeschichteter Bauteile. An die Wärmestromquelle werden hierbei geringe Anforderungen gestellt, da deren Strahlstromdichte gering gehalten werden kann. Bedingt durch die geringe Strahlstromdichte der Wärmestromquelle werden bei der Herstellung der Bauteile Verdampfen und Wegspritzen von Zusatzstoff weitgehend vermieden. Die

angestrebte Stöchiometrie der Oberflächenεchicht wird daher nicht beeinträchtigt. Es lassen sich problemlos Oberflächenschichten bis zu mehreren Millimetern erreichen. Solche Oberflächenschichten sind insbesondere bei Ausbildung als Kupfer-Chrom-Schicht hervorragend geeignet als Lichtbogenkontaktschicht der Kontaktstücke von Vakuumschalter .

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig.l eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig.2 eine Aufsicht auf einen senkrecht zur

Zeichenebene, vertikal geführten Schnitt durch ein in der Vorrichtung gemäss Fig.l befindliches Substrat 1 an einer Stelle, an der durch einen Energiestrom 12 ein lokal aufgeschmolzener Bereich 15 im Substrat 1 gebildet ist, und

Fig.3 eine Draufsicht auf die in Fig.2 geschnitten dargestellte Stelle des Substrates 1.

In den Figuren befindet sich ein Substrat 1 auf einer Auflagefläche 2 einer etwa als Tisch oder aber lediglich nur als säulenförmige Abstützung ausgebildeten Auflagevorrichtung 3. Das Substrat l ist beispielsweise eine Kupferscheibe von ca. 40 mm Durchmesser und ca. 8 mm Dicke, kann aber auch irgendein anderer geeigneter metallischer Körper sein. Die Auflagevorrichtung 3 besteht beispielsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, wie

vorzugsweise Kupfer oder Silber, und weist eine auf einer etwa mit Wasser gekühlten Drehvorrichtung 4 gelagerte Stütze 5 auf. 6 bezeichnet eine Wärmestromquelle. Diese Wärmestromquelle sendet mit Vorteil energiereiche Korpuskularstrahlen, wie Elektronen- oder Ionenstrahlen aus, kann aber auch als Hallgenerator oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung ausgebildet sein. Mit Vorteil weist diese Wärmestromquelle eine Strahlstromdichte von wenigen bis zu einigen hundert Kilowatt pro Quadratzentimeter auf. Mit Vorteil verfügt die Wärmestromquelle über eine Gesamtleistung von einigen hundert Watt bis zu ca. 20 Kilowatt. 7 bezeichnet eine Zusatzstoff-Zufuhrvorrichtung zur Aufnahme eines pulverförmigen Zusatzstoffes 8, welcher in Richtung der Pfeile 9 unter Bildung einer Pulverschicht 10 auf die Oberfläche des Substrates 1 herabgerieselt wird. Der Zusatzstoff hat vorzugsweise geringere Wärmeleitfähigkeit als das Substrat 1 und kann bei der Herstellung eines Kontaktstückes für einen Vakuumschalter mit einer überwiegend aus Kupfer bestehenden Rückseite Chrom oder eine Legierung auf der Basis Chrom und Kupfer enthalten.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun wie folgt ausgeführt:

Soll als Bauteil beispielsweise ein Kontaktstück für einen Vakuumschalter hergestellt werden, so befinden sich das dann überwiegend Kupfer enthaltende Substrat 1, der dann überwiegend Chrompulver enthaltende Zusatzstoff 8 und die etwa auf der Basis von Elektronenstrahlen arbeitende Wärmestromquelle 6 in einem Vakuum von ca. 10~ ⁶ mbar. Die Auflagevorrichtung 3 dreht sich hierbei derart um eine Achse 11, dass ein mittlerer Vorschub des Substrates l gegenüber der Wärmestromquelle 6 von beispielsweise 5 - 10 cm/s erreicht wird. Ein von der Wärmestromquelle 6 emittierter Energiestrom 12 fällt gleichzeitig auf einen

Teil der Substratoberfläche. Dieser Energiestrom hat beim Auftreffen eine Ausdehnung von beispielsweise 0,25 bis 1 cm ² und weist an der Auftreffstelle eine Stromdichte von beispielsweise 20 kW/cm ² auf.

Der Energiestrom 12 wird nahezu vollständig vom Substrat 1 absorbiert und führt daher dem Substrat 1 Wärme zu. Die dem Substrat 1 zugeführte Wärme wird aus dem Auftreffbereich des Energiestromes 12 durch Wärmeleitung in das gesamte Substrat 1 geführt. Hierdurch und durch die Rotation des Substrates 1 sowie durch eine etwaige Pendelung des Energiestromes wird eine Überhitzung des Auftreffbereiches vermieden. Auf diese Weise wird das Substrat 1 auf eine Temperatur vorgewärmt, welche erheblich über Raumtemperatur jedoch unter seiner Schmelztemperatur liegt. Bei der zuvor beschriebenen Kupferscheibe beträgt diese Vorwärmtemperatur ca. 700 - 1000 °C. Während des Vorwärmens des Substrates 1 wird die abgegebene Leistung der Wärmestromquelle 6 reduziert. Nach Erreichen der Vorwärmtemperatur weist der Strahl 12 eine Stromdichte von nur noch einigen kW/cm ² auf.

Bedingt durch Wärmestrahlung von der Oberfläche (durch Pfeile 13 angedeutet) und Wärmeleitung in die Auflagefläche 2 (durch Pfeile 14 angedeutet) bleibt diese Vorwärmtemperatur während der nachfolgend beschriebenen Phase des erfindungsgemässen Verfahrens nahezu unverändert. Hierbei kann die Vorwärmtemperatur bei vorgegebener Leistung der Wärmestromquelle 6 durch geeignete Wärmeableitung über die Auflagevorrichtung 3 eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann die Auflagefläche 2 durch geeignete Vergrösserung oder Verkleinerung des Querschnitts der Stütze 5 auf der erwünschte Temperatur gehalten werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es zu empfehlen, die Einstellung der erwünschten Temperatur dadurch zu erreichen,dass zwischen dem Substrat 1 und der zu einer Kühlung führenden Stütze 5 ein Teil 17 aus einem

gegenüber dem übrigen Material der Auflagevorrichtung 3 vergleichsweise schlecht wärmeleitendem Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, angeordnet wird. Die geeignete Einstellung der Temperatur lässt sich selbstverständlich auch durch gemeinsame Anwendung beider zuvor beschriebener Massnahmen erreichen.Bei einem im wesentlichen Kupfer enthaltenden und unmittelbar auf der Auflagefläche 2 aufliegenden Substrat 1 sollte die Auflagefläche 2 eine Temperatur von 500 - 600 °C aufweisen.

Sobald die Vorwärmtemperatur erreicht ist, reicht die vom Energiestrom 12 in das Substrat 1 geführte vergleichsweise geringe Energie aus, um das Material des Substrates in einem lokalen Bereich 15 aufzuschmelzen. Nach Aufschmelzen des lokalen Bereiches 15 wird die Pulverschicht 10 auf die Oberfläche des Substrates 1 gebracht. Bei Verwendung eines Chrompulvers mit einer mittleren Teilchengrösse von ca. 100 μm, welches aus der Zusatzstoff-Zufuhrvorrichtung 7 in Richtung der Pfeile 9 auf die Substratoberfläche gerieselt wird, beträgt die durch loses Pulver gebildete Auflage typischerweise 25 - 50 mg/cm ² . Der lokale Bereich 15 wird durch Rotation der Auflagevorrichtung 3 zur und durch die Pulverschicht 10 geführt. Im lokal aufgeschmolzenen Bereich befindliches flüssiges Material, beispielsweise Kupfer, benetzt hierbei in der Pulverschicht 10 befindliches Pulver bzw. tränkt durch überwiegend wirksame Kapillarkräfte die Pulverschicht 10. Diese Wirkung kann bei Bedarf durch weitere Zusatzstoffe erhöht werden.

Es entsteht so eine Chrom und Kupfer enthaltende Oberflächenschicht 16, deren zuvor erläuterter Bildungsmechanismus besonders gut aus den Figuren 2 und 3 zu ersehen ist. Da der Energiestrom 12 eine vergleichsweise geringe Energiedichte aufweist, wird eine Überhitzung sowohl der im lokalen Bereich 15 befindlichen Kupferschmelze als auch des Chrompulvers vermieden. Da das

Chrompulver lediglich auf der Oberfläche des Substrates 1 aufliegt, ist nämlich sein Wärmekontakt zum Substrat gering und ein intensiver Energiestrom würde daher eine extreme Überhitzung hervorrufen. Ein Verdampfen bzw. Verspritzen von Chrompulver entfällt daher weitgehend.

Durch Rotation der Auflagevorrichtung 3 oder der Wärmestromquelle 6 und der Zusatzstoff-Zufuhrvorrichtung 7 um die zentral durch den Auflagetisch 3 geführte, vertikal erstreckte Achse 11 sowie durch zusätzlich radial, vorzugsweise pendelnd, ausgeführte Bewegungen von Wärmestromquelle 6 und Zusatzstoff-Zufuhrvorrichtung 7 kann erreicht werden, dass nahezu die gesamte Oberfläche des Substrats 1 sukzessive aufgeschmolzen und beschichtet wird.Das Aufschmelzen des Substrates 1 kann selbstverständlich auch durch eine in einer horizontalen xy-Ebene erfolgende translatorische Verschiebung ausgeführt werden, wobei beispielsweise die Wärmestromquelle 6 in x- und y-Richtung zwischen den Kanten des Substrates 1 hin- und hergeführt wird, und die Auflagefläche 2 etwa in y- Richtung verschoben wird. Hierbei sollte die Zusatzstoff- Zuführvorrichtung 7 entsprechend ihrer Verschiebung bei rotierendem Substrat 1 bewegt werden. Nach vollständigem Überfahren der freiliegenden Oberfläche des Substrates l kann auf diese Weise eine ca. 50 - 100 μ dicke Oberflächenschicht 16 erzeugt werden. Diese Schicht zeichnet sich unter anderem auch dadurch aus, dass wegen des vergleichsweise langsam und grossflächig erfolgenden Aufsch elzens das Substrat l und damit auch die Oberflächenschicht 16 weitgehend gasfrei sind.

Ist der Querschnitt des Energiestromes 12 gering, so kann eine nahezu vollständige Beschichtung der Oberfläche dadurch erreicht werden, dass etwa die Wärmestromquelle 6 zusätzlich quer zur und/oder in Verschiebungsrichtung des Substrates l periodisch hin und her bewegt wird.

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Durch zyklisches Wiederholen des vorstehend beschriebenen Verfahrensschrittes können so problemlos Schichtdicken bis zu mehreren Millimetern erzeugt werden. Durch geeignete Steuerung der Leistung und der Stromdichte des Energiestromes 12, der Aufheizzeit des lokalen Bereiches 15 und/oder der Menge des zugeführten Zusatzstoffes 8 können unterschiedliche Schichtdicken und/oder vorgegebene Oberflächenprofile hergestellt werden. Mit solchermassen hergestellten Kontaktstücken ausgerüstete Vakuumschalter weisen gegenüber Vakuumschaltern mit vergleichbaren Abmessungen aber mit nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Kontaktstücken wesentlich verbesserte Abschaltleistungen auf.

Weitere Verbesserungen der Abschaltleistungen können gegebenenfalls noch dadurch erzielt werden, dass die Oberflächenschicht 16 wenigstens über einen Teil ihrer Aussenfläche und ausgehend von ihrer Aussenfläche zumindest über einen Teil ihrer Tiefe kurzzeitig auf eine wesentlich über der Schmelztemperatur des Substrates 1 liegende Temperatur erwärmt wird.