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O. Schrott:
"Pulvermetallurgisch hergestellter Wolframkarbid/Silber-Kontaktwerkstoff für Vakuum-Schalter. Verbesserung der Homogenität";
Betreuer/in(nen): H. Hauser; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2002.

Die Anwendungsbereiche von Elektrischen Schaltgeräten sind Energieerzeugung,
-übertragung, -verteilung und -verbrauch. Zur Energieverteilung verwendet
man Mittelspannungssehaltgeräte, wobei heute vor allem Vakuumn-Schalter
(bis 52 kV) eingesetzt werden. Diese zeichnen sich durch kompakten Aufbau
und Wartungsfreiheit aus.

Aus technischen Anforderungen an Elektrische Schaltgeräte und Kontaktwerkstoffe
lassen sich viele einander widersprüchliche Materialeigenschaften ableiten.
Für Hoch- und Mittelspannungssehalter werden nach pulvermetallurgischen Verfahren
hergestellte Kontaktwerkstoffe verwendet, welche aus einer hochschmelzenden
sowie einer elektrisch und thermisch gut leitenden Komponente bestehen
(Verbundwerkstoffe). Die Rohstoffe der Pulvermetallurgie sind Metallpulver,
aber auch Pulver von chemischen Verbindungen (z.B. Karbide); die
Verfahrensschritte sind Mischen und Mahlen, Pressen, Sintern (zeitkritische
Wärmebehandlung unterhalb des Schmelzpunktes). Zur Herstellung von
pulvermetallurgischen Kontaktwerkstoffen wird oft das Tränkverfahren
angewendet, bei dem ein aus hochschmelzendem Metall oder Metallkarbid und
geringen Mengen gut leitenden Metalls bestehender poröser Preßling
vorgesintert und anschließend mit flüssigem gut leitendem Metall getränkt
wird.

Von Leistungsschaltern erwartet man die sichere Unterbrechung hoher
Kurzschlußströme, bei Schützen (Häufigkeitsschalter) stehen lange
Lebensdauer und kleine Abreißströme (Chopping-Ströme) im Vordergrund.
Während in Vakuum-Leistungsschaltern Kupfer/Chrom (Cu/Cr) als
Kontaktwerkstoff eingesetzt wird, ist für Vakuum-Schütze Wolframkarbid/Silber
(WC/Ag) aufgrund hoher Abbrandfestigkeit und geringster Chopping-Ströme
besonders geeignet.

Die Mikrostruktur der Kontaktwerkstoffe hat wesentlichen Einfluß auf die
physikalischen Eigenschaften und das Schaltverhalten der Kontakte. Forderungen
an elektrische Kontakte wie hohe Abbrandfestigkeit und geringe Verschweißneigung,
gute elektrische und thermische Leitfähigkeit oder hohe Härte können im
allgemeinen durch feinkörnige und homogene Mikrostruktur erfüllt werden. In
der vorliegenden Arbeit werden Versuche zur Verbesserung der Homogenität von
WC/40Ag-Kontaktwerkstoffen (40 Gewichtsprozente Ag) dokumentiert, bei
deren Herstellung sowohl das Sinter- als auch das Tränkverfahren zur
Anwendung kamen. Es wurden die Auswahl der Rohstoffe sowie das
Misch- und Mahlverfahren variiert, wobei Mischer, Kugelmühle und
Planetenkugelmühle zur Verfügung standen. Die Versuche wurden in einem
Labor des Technologiezentrums der PLANSEE AG in Reutte (Österreich)
begonnen und in einer Produktionsanlage der ELEKTRO-METALL AG in Seon
(Schweiz) fortgesetzt. Den einzelnen Verfahrensschritten der
Pulvermetallurgie entsprechend, wurden Rohstoffe, Ansätze und Preßlinge
analysiert. Zur Beurteilung der Homogenität der gesinterten bzw. getränkten
Kontaktwerkstoffe wurden Gefügebilder in den Vergrößerungen 200:1 und
1000:1 herangezogen. Getränkte Proben, deren Ansätze in der
Planetenkugelmühle gemahlen wurden, lieferten die besten Ergebnisse. Dabei
wurde festgestellt, daß sich die Homogenität bei steigender Mahlzeit
vorerst verbessert, bei weiterer Erhöhung aber wieder verschlechtert
(Kornvergröberung durch Kaltverschweißen der Pulverpartikel).
Somit konnte eine besonders günstige Mahlzeit angegeben werden.

Electrical switchgears are used in the fields of power generation,
transmission, distribution, and consumption. Today, vaccuum switches
(up to 52 kV) are the most important switchgears for power distribution.
They have compact construction and are maintenancefree.

Technical requirements for electrical switches and contact materials lead to
contradictory material properties. In high and medium voltage switchgears,
powder metallurgical contact materials are used. They consist of a component
with a high melting point and a component with good electrical and thermal
conductivity (composite material). The raw materials of the powder
metallurgy are metal powders and also powders of chemical compounds (e.g.
carbides). The steps of the powder metallurgical process are mixing and
milling, pressing, and sintering (time critical heat treatment below the
melting point). For the production of powder metallurgical contact materials,
the infiltration method is frequently used. A mixture of the metal or metal
carbide with the high melting point and a little quantity of the metal with
the good conductivity is pressed to a porous structure, presintered and
finally infiltrated by the liquid well conducting component.

Circuit breakers must be able to interrupt high short-cireuit currents, the
expected properties of contactors are a long lifetime and little chopping
currents. Copper chromium (Cu/Cr) contact materials are used in vacuum
circuit breakers, tungsten carbide silver (WC/Ag) is probably the best
choice for vacuum contactors because of its high erosion resistance and
little chopping currents.

The microstructure of the contact materials have an important influence on
the physical characteristics and the switching performance of the contacts.
In general, the requirements for electrical contacts such as high erosion
resistance, little welding tendency, good electrical and thermal conductivity,
or high hardness can be met by a fine-grained and homogenous microstructure.
In this thesis, experiments on the improvement of the homogeneity of WC/40Ag
contact materials (40 weight percent Ag) are described. For the manufacture of
the samples both sintering and infiltration methods were applied. As well the
choice of the raw materials as the mixing and milling process were varied. Mixer,
ball mill, and planetary ball mill were available. The experiments were started
in a lab of the Technology Centre of PLANSEE in Reutte (Austria) and were
continued in a manufacturing plant of ELEKTRO-METALL in Seon (Switzerland).
Corresponding to the steps of the powder metallurgical process, raw
materials, mixed and milled powders, and pressed samples were analysed.
The homogeneity of the sintered resp. infiltrated contact materials was
discussed by inspecting micrographs with the magnifications 200:1 and 1000:1.
Milling the powders with the planetary ball mill and using the infiltration
method led to the best results. First of all, it could be observed that
raising the milling time improved the homogeneity, but too long milling
times resulted in bad homogeneity (grain coarsening by cold welding of the
powder particles). A medium milling time brought success.