Activated sintering and interface design in the Copper-Chromium system

Abstract

Kupfer-Chrom Pseudolegierungen finden breite Anwendung als Kontaktmaterial in Nieder- und Mittelspannungsschaltern. Sie besitzen vergleichsweise gute mechanische und elektrische Eigenschaften und haben ältere Systeme, wie etwa Kupfer-Wismut, im Bereich der Vakuumkontaktschalter in den vergangenen Jahrzehnten vollständig ersetzt. Üblicherweise wird das Kupfer-Chrom Material pulvermetallurgisch verarbeitet. Zwei große Probleme im Herstellungsprozess sind die Restporosität und die mangelnde Verbindung zwischen Kupfer und Chromphasen. In der vorliegenden Arbeit werden diese Probleme diskutiert, und es wird jeweils ein Vorschlag zur möglichen Verbesserung des Herstellungsverfahrens aufgezeigt. Um die Sinterdichte zu erhöhen, wurde die Kupferphase unter Luft gezielt oxidiert. Die Reduktion der entstandenen Kupferoxide während des Sinterns führt zu sinteraktiven, frischen Metalloberflächen. Diese Oberflächen ermöglichen die Erhöhung der Sinterdichte um etwa 1,5 %. Um die Verbindung zwischen den beiden metallischen Phasen zu verbessern wurde das Chrompulver unter Stickstoff nitriert. Der Einfluss der Chromnitridschicht auf die Sinterdichte und das Bruchverhalten wurde untersucht. Es zeigte sich, dass die Verbindung der Phasen durch diese Schicht verbessert werden kann.<br />

Copper-chromium pseudoalloys are commonly used as contact materials in low and medium voltage circuit breakers. In the last two decades, they have replaced other systems (eg. copper-bismuth) as contact materials in vacuum circuit breakers. Usually, the material is processed by powder metallurgical methods. Two major problems with powder metallurgy arise: the remaining porosity after sintering and the poor interphase bonding between the copper and chromium phases. This work discusses these problems and tries to present possible solutions.<br />To increase the sintered density, the copper phase was selectively oxidized in air. The following reduction of the resulting copper oxides during sintering yields fresh and clean metallic surfaces. These surfaces activate the sintering process and increase the density by 1,5 %. To enhance the bonding between the copper and chromium phases, the chromium powder was nitrided in nitrogen atmosphere. The inuence of the resulting chromium nitride layer on density and fracture behavior was investigated. It was found that the interphase connection between the two metallic phases was improved.