Kontaktmaterial auf Kupfer-Chrom-Basis (typisch 75:25 Masseprozent) ist weithin als bestes Material für Vakuum-Stromunterbrecher bekannt und wird überwiegend für diese Anwendung eingesetzt. Hergestellt wird Cu-Cr üblicherweise über pulvermetallurgische Methoden, sowohl über die klassische Press- und Sinter-Route als auch über kaltisostatisches Pressen und anschließendem Sintern in reduzierender Wasserstoffatmosphäre. In jüngster Vergangenheit wurde dieses Material, vor allem in China, über moderne Gießereiverfahren mit äußerst hohen Kühlraten hergestellt. Es gibt natürlich noch weitere Methoden, Cu-Cr Materialien herzustellen, diese Verfahren werden aber bisher aufgrund der hohen Kosten kaum eingesetzt. Im ersten Teil des Dissertationsprojektes wurden Cu-Cr Kontaktmaterialien über pulvermetallurgische Verfahren hergestellt (Matrizenpressen und Sintern) und verschiedene Einflussgrößen wie Presshilfsmittel, Ausgangspulver usw. untersucht. Die Notwendigkeit eines Presshilfsmittels führt zu höheren Gehalten an Verunreinigungen. Da eine sehr hohe Reinheit des Materials gefordert ist, wurde versucht, den Verunreinigungsgehalt so niedrig wie möglich zu halten. In weiterer Folge des Projektes wurde das Material selbst modifiziert, um einerseits die Eigenschaften oder die Prozesskette zu verbessern und andererseits, um einen effizienteren Herstellprozess bei gleichbleibenden Materialeigenschaften zu ermöglichen. Dies wurde durch Einbringung von verschiedensten Additiven und Durchführung unterschiedlicher Wärmebehandlungen versucht. Eine Vielzahl an unterschiedlichen Pulversystemen (Ausgangspulver - Gleitmittel - Additive) wurde ausgewählt und auf Eignung überprüft. In der Arbeit werden die Auswirkungen verschiedenster Parameter auf die mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften von Cu-Cr untersucht und diskutiert. Möglichkeiten zur Dichtesteigerung durch unterschiedliche Methoden wie Doppelpresstechniken, Langzeit-Sinterprozesse oder Sinteraktivierung werden gezeigt und angewendet. Der Einfluss verschiedenster Materialeigenschaften (wie Sinterdichte und Legierungselemente) und Prozessparameter (Wärmebehandlungstemperatur) auf die elektrische Leitfähigkeit wird gezeigt und erklärt. Abschließend ist ein Überblick über die Entwicklung eines Beschichtungsverfahrens für Chrompulver zu sehen. Im Standard-Fertigungsprozess konnte der Verunreinigungsgehalt durch Weiterentwicklung der Prozessführung (z.B. hohe Abkühlgeschwindigkeiten) merkbar gesenkt und die Oberflächenqualität verbessert werden. Durch Einführung einer Wärmebehandlung (Ausscheidungshärten) wurde die elektrische Leitfähigkeit beträchtlich gesteigert. Die fraktographische Analyse zeigte dass die Chromoxidhaut auf den Cr-Partikeln die Sinterfähigkeit negativ beeinflusst und die mechanischen Eigenschaften hauptsächlich durch die Kupfermatrix bestimmt sind. Die Verbesserung des Fertigungsprozesses sowie die Dotierung des Cu-Cr-Materials mit geringen Mengen Silizium ergab eine bedeutende Leistungssteigerung des Kontaktmaterials unter Schaltbedingungen.
de
Copper-chromium-alloys in different compositions (typical mass ratio 75-25) have proven to be the best material for vacuum interrupters and are nowadays widely used in the medium voltage/medium current range. The production of these Cu-Cr-alloys is usually done by cold isostatic pressing and subsequent sintering in hydrogen or by the typical PM-Route of pressing and sintering. Recently, these alloys have also been produced by casting methods with very high cooling rates (mostly in China). There are even more variants to produce this kind of materials, but until now these techniques are not yet cost efficient. The first step of this thesis was to produce copper-chromium contact materials through standard PM techniques (uniaxial die pressing and sintering) and to evaluate the influences of different parameters like lubricants, raw powders and others. The need of lubrication for the pressing step leads to a higher impurity content, and it had to be investigated if this negative effect can be reduced as much as possible. In the second step the contact material was modified to either be more cost effective or to generate better properties for its specific function or the processing steps. This was carried out by doping the material with specific elements or by applying different heat treatments. A lot of effort was put into the careful selection and detailed analysis of different powder systems (raw powders, lubricant, additives) and processing steps. Furthermore, the influence of different parameters on mechanical, electrical and chemical properties is analyzed and discussed. Possibilities to increase sintered density by various methods like double pressing techniques, long time sintering processes and "activated sintering" are shown. Also the influences of material properties (like sintered density and alloying elements) and process variables (annealing temperatures) on electrical conductivity are explained. Finally, a short overview on the development of a coating technology for chromium powders using the cementation method, which may offer an improvement for the sintering characteristic, is shown. By carefully developing and controlling the manufacturing process the impurity content was lowered significantly and the surface quality of the produced parts was increased. The introduction of an age hardening treatment led to 50% higher electrical conductivities. Fractographic analysis of tensile test specimens showed that the chromium oxide layer on the Cr-particles is inhibiting the sintering process, and insufficient bonding between the copper matrix and the chromium is thus obtained by the standard processing route. The mechanical properties are defined mostly by the copper matrix. In general, the switching behavior was improved significantly due to various improvements on the manufacturing process and the Cu-Cr-material (e.g. doping with small amounts of Si).
