BESCHREIBUNG
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Verbinden von kohlefaserverstärktem Graphit mit einem metallischen Trägerwerkstoff nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aus.
Der direkten Verwendung von Graphit als Werkstoff stehen in vielen Fällen seine ungenügenden mechanischen Eigenschaften entgegen. Daher werden zahlreiche Graphit/Metall-Verbundwerkstoffe und -Konstruktionen vorgeschlagen. Es ist bekannt, Graphit mit einem metallischen Trägermaterial durch Löten mittels eines Hochtemperaturlots unter Vakuum zu verbinden. Dabei ist auf den Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Graphit und dem Trägermetall zu achten, um die Wärmespannungen im Betrieb möglichst klein halten zu können. Es eignen sich daher nur ganz bestimmte Metalle als Trägerwerkstoffe. Unter diesen hat sich vorab Molybdän als Grundwerkstoff bewährt. Als Hochtemperaturlote werden meistens solche auf Cu- oder Ag-Basis verwendet (vgl.
z.B. DE-A-2 527 325 und DE-A-2 527 326).
Kohlefaserverstärkter Graphit wird seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften wegen mehr und mehr in der Technik, speziell in der Hochtemperaturtechnik verwendet. Er muss jedoch gegen Oxydation geschützt werden und verlangt an den Kraftübertragungsstellen entsprechende Halterungen und Fassungen. Es besteht daher ein grosses Bedürfnis nach geeigneten Verfahren zur Herstellung von Verbindungen mit Metallen, Verbundwerkstoffen und Verbundkonstruktionen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von kohlefaserverstärktem Graphit mit einem metallischen Trägerwerkstoff anzugeben, welches sich durch Einfachheit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit auszeichnet und die Herstellung temperaturwechselbeständiger Verbundwerkstoffe und -Konstruktionen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt (Aufriss) durch eine Vorrichtung und die zu verbindenden Bauelement,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine aus mehreren Bauelementen zusammengesetzte Hilfsdüse für einen SF6-Schalter.
In Fig. list schematisch ein Schnitt (Aufriss) durch eine Vorrichtung zum Löten und durch die zu verbindenden Bauelemente dargestellt. list ein Schutztiegel aus gesintertem Al203. Auf dessen Boden befindet sich ein kohlefaserverstärktes Graphitplättchen 2.
Auf der Oberfläche von 2 sind Cr-Partikel 3 in Form einer Paste oder eines Pulvers aufgetragen. Auf diese Schicht ist die eigentliche Lotfolie 4, z.B. eine Cu/Sn/Ti-Legierung mit 10 Gew.-% Sn und 3 Gew.-% Ti, Rest Cu, gelegt. 5 ist ein mit den Graphitplättchen 2 zu verbindendes Molybdänplättchen. Letzteres kann, falls notwendig, zusätzlich mit einem Gewicht belastet sein (nicht gezeichnet).
Fig. 2 stellt den Längsschnitt durch eine aus mehreren Bauelementen zusammengesetzte rotationssymmetrische Hilfsdüse für einen elektrischen SF6-Schalter dar. 6 ist eine mit einem Gewinde 11 versehene, abgesetzte Hülse aus Stahl: Im vorliegenden Beispiel ein niedriglegierter Stahl mit ca. 0,3 Gew.-% C, 2,5 Gew.-% Cr sowie weiteren geringen Zusätzen an Mo und V. 7 ist ein konischer Einsatz aus Graphit, 8 eine kohlefaserverstärkte Graphitkappe. Letztere ist mittels eines Graphitklebers 9 stirnseitig auf den konischen Einsatz 7 aufgeleimt. 10 ist ein Ring aus einer W/Cu-Legierung (z.B. 80 Gew. % W, 20 Gew.-% Cu), welcher als Abschluss dient. Dieser Ring 10 ist mittels Gewinde 11 auf der Hülse 6 aus Stahl aufgeschraubt. Die gelöteten Flächen zwischen den Bauteilen 7 und 8 aus Graphit einerseits und der Hülse 6 aus Stahl andererseits sind mit dem Bezugszeichen 12 versehen.
Ausführungsbeispiel 1:
Siehe Fig. 1.
Ein kohlefaserverstärktes Graphitplättchen 2 wurde mittels eines Hochtemperaturlotes mit einem Molybdänplättchen 5 verbunden.
Das kohlefaserverstärkte Graphitplättchen 2 hatte 30 x 40 mm Seitenlänge und 10 mm Dicke. Es wurde flach auf den Boden eines Schutztiegels 1 aus Al203 gelegt und mit einer Paste, bestehend aus einer Aufschlämmung von Cr-Partikeln 3 in Toluol bedeckt. Die Cr Partikel 3 hatten eine Korngrösse von weniger als 40 ,um. Hierauf wurde das Ganze getrocknet, um das Lösungsmittel auszutreiben.
Die Pulverschicht der Cr-Partikel 3 mass durchschnittlich ca.
0,25 mm. Nun wurde eine Lotfolie 4 mit den Abmessungen 30 x 40 mm und einer Dicke von 0,3 mm auf die Pulverschicht gelegt und mit einem Molybdänplättchen 5 von 30 x 40 x 8 mm belastet.
Das Hochtemperaturlot hatte die nachfolgende Zusammensetzung:
Sn = 10Gew.-%
Ti= 3Gew.-%
Cu = Rest
Die Lotfolie 4 wurde durch Vakuumschmelzen der Komponenten und Warmwalzen hergestellt. Nun wurde das Ganze in einen Vakuumschmelzofen eingebracht und induktiv auf eine Temperatur von 950 C erhitzt und während 5 min auf dieser Temperatur gehalten. Nach der Abkühlung wurde das Verbund-Werkstück einer Zugprobe unterworfen, welche eine ausgezeichnete Haftfestigkeit ergab.
Das Belegen des kohlefaserverstärkten Graphitplättchens 2 mit Cr-Partikeln 3 dient zur Erhöhung der Benetzbarkeit desselben durch das Hochtemperaturlot. Es können dafür ganz allgemein karbidbildende Elemente wie Cr, Ti etc. verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 2:
Siehe Fig. 2.
Es wurde eine rotationssymmetrische Hilfsdüse für einen elektrischen SF6-Schalter unter anderem durch Löten von kohlefaserverstärktem Graphit und Stahl hergestellt. Zunächst wurde aus einem Rundstab eine kohlefaserverstärkte Graphitkappe 8 herausgedreht.
Dann wurde dieses Bauteil auf seiner äusseren Mantelfläche mit einer Lotschicht überzogen. Dabei wurde wie folgt verfahren: Im Vakuumschmelzofen wurde eine Schmelze der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Sn = 20 Gew.-%
Ti = 10 Gew.-%
Cu = Rest
Zwecks Halterung und Abdeckung der Innenfläche wurde in die Graphitkappe 8 ein auf deren Innenseite genau passendes, oben mit einer Aufhängevorrichtung versehenes gewöhnliches Graphitstück von unten eingeschoben. Das Ganze wurde nun im oberen Teil der Induktionsspule des Vakuumofens vorgewärmt, in die Schmelze abgesenkt, dort bei einer Temperatur von 950" C während 10 min belassen und langsam wieder aus der Schmelze gezogen.
Dabei wurde der Ofen vor dem Eintauchen des Bauteils in die Schmelze kurz mit Argon geflutet, wieder evakuiert und nach dem Herausnehmen und während des Abkühlens des Bauteils nochmals mit Argon geflutet.
Ein zylindrisches Werkstück aus gewöhnlichem Graphit (Marke V 263 der Fa. Steinemann, Otelfingen, Schweiz) mit dem Aussendurchmesser und der Länge des Mantels des konischen Einsatzes 7 wurde nach dem oben beschriebenen Tauchverfahren auf seiner Mantelfläche mit Hochtemperaturlot belegt. Nachher wurde das Material im Kern herausgedreht und ein Bauelement gemäss konischem Einsatz 7 gefertigt. Der halbe Öffnungswinkel der innenliegenden Kegelfläche betrug 2030. Nun wurden die Stücke 7 und 8 an ihren Stirnseiten mittels Graphitkleber 9 zusammengeklebt und die vorgefertigte Hülse 6 aus Stahl auf den konischen Einsatz 7 aus Graphit und die kohlefaserverstärkte Graphitkappe 8 aufgeschrumpft. Der Stahl enthielt neben 0,3 Gew.-% C und 2,5 Gew.-% Cr noch geringe Mengen von Mo und V.
Durch das Aufschrumpfen wird eine grössere Sicherheit bei stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Werkstoffe erzielt. Das Ganze wurde hierauf in einen Vakuumofen eingesetzt und bei 9500 C während 10 min gelötet. Nach dem Abkühlen wurde noch ein Ring 10 aus einer W/Cu-Legierung (80 Gew.-% W, 20 Gew.-% Cu) mittels Gewinde 11 auf die Hülse 6 aufgeschraubt. Die gelöteten Flächen 12 dieser Verbundkonstruktion sind durch fette Linien hervorgehoben.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Ganz allgemein kann das Verfahren zum Verbinden von kohlefaserverstärktem Graphit mit einem metallischen Trägerwerkstoff mittels Hochtemperaturlot auf alle dazu geeigneten Werkstoffe angewendet werden. Als Hochtemperaturlote werden solche auf Cu- und/oder Ag-Basis mit mindestens einem karbidbildenden Element, ausgewählt aus der Gruppe Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf in einer Höhe von 1 bis 10 Gew.-% verwendet. Das Lot kann in geschmolzener Form durch Eintauchen in eine Schmelze, in Pulver-, Folienoder Filmform oder durch Aufdampfen auf den kohlefaserverstärkten Graphit aufgebracht werden. Während des Lötvorgangs wird der Trägerwerkstoff durch Gravitation, Federkraft oder thermomechanische Kräfte (z.B. Schrumpfen) gegen die Lotfläche gepresst.
Sowohl zum Aufbringen der Lotschicht wie zur Durchführung des Lötprozesses kann vorteilhafterweise ein Vakuum(Schmelz-) Ofen benutzt werden.
Zur Verbesserung der Benetzbarkeit des kohlefaserverstärkten Graphits wird vorzugsweise auf die zu lötende Fläche vor dem Löten eine Schicht aus Partikeln eines karbidbildenden Elements (Cr, Ti) in Pulver-, Pasten- oder anderer Form, z.B. Aufschlämmung in einem Alkohol (Toluol, Äthanol etc.) aufgebracht.
Ausser den in den Beispielen angegebenen Loten eignet sich ferner ein Lot folgender Zusammensetzung:
Cr = 1 Gew.-%
Cu = Rest.
DESCRIPTION
The invention is based on a method for connecting carbon fiber-reinforced graphite with a metallic carrier material according to the preamble of claim 1.
The direct use of graphite as a material is in many cases opposed by its inadequate mechanical properties. Therefore, numerous graphite / metal composites and constructions are proposed. It is known to connect graphite to a metallic carrier material by soldering using a high-temperature solder under vacuum. The difference in the coefficients of thermal expansion between graphite and the carrier metal must be observed in order to keep the thermal stresses during operation as low as possible. Only very specific metals are therefore suitable as carrier materials. Among these, molybdenum has proven itself as the basic material. Cu-based or Ag-based ones are mostly used as high-temperature solders (cf.
e.g. DE-A-2 527 325 and DE-A-2 527 326).
Carbon fiber reinforced graphite is used more and more in technology, especially in high temperature technology, because of its excellent mechanical properties. However, it must be protected against oxidation and requires appropriate brackets and sockets at the power transmission points. There is therefore a great need for suitable processes for producing connections with metals, composite materials and composite structures.
The invention has for its object to provide a method for connecting carbon fiber reinforced graphite with a metallic carrier material, which is characterized by simplicity, reliability and reproducibility and ensures the production of temperature-resistant composite materials and constructions.
This object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1.
The invention is described on the basis of the following exemplary embodiments which are explained in more detail by means of figures.
It shows:
1 shows a section (elevation) through a device and the component to be connected,
Fig. 2 shows a longitudinal section through an auxiliary nozzle composed of several components for an SF6 switch.
In Fig. List schematically shows a section (elevation) through a device for soldering and through the components to be connected. a protective crucible made of sintered Al203. A carbon fiber-reinforced graphite plate 2 is located on the bottom thereof.
Cr particles 3 in the form of a paste or a powder are applied to the surface of FIG. The actual solder foil 4, e.g. a Cu / Sn / Ti alloy with 10 wt .-% Sn and 3 wt .-% Ti, the rest of Cu. 5 is a molybdenum plate to be connected to the graphite plates 2. If necessary, the latter can also be loaded with a weight (not shown).
2 shows the longitudinal section through a rotationally symmetrical auxiliary nozzle composed of several components for an electrical SF6 switch. 6 is a stepped sleeve made of steel provided with a thread 11: in the present example a low-alloy steel with approx. 0.3 wt. % C, 2.5% by weight Cr and other small additions of Mo and V. 7 is a conical insert made of graphite, 8 is a carbon fiber reinforced graphite cap. The latter is glued to the front of the conical insert 7 by means of a graphite adhesive 9. 10 is a ring made of a W / Cu alloy (e.g. 80% by weight W, 20% by weight Cu), which serves as a closure. This ring 10 is screwed onto the sleeve 6 made of steel by means of a thread 11. The soldered surfaces between the components 7 and 8 made of graphite on the one hand and the sleeve 6 made of steel on the other are provided with the reference number 12.
Example 1:
See Figure 1.
A carbon fiber-reinforced graphite plate 2 was connected to a molybdenum plate 5 by means of a high-temperature solder.
The carbon fiber-reinforced graphite plate 2 had a side length of 30 × 40 mm and a thickness of 10 mm. It was placed flat on the bottom of a protective crucible 1 made of Al203 and covered with a paste consisting of a slurry of Cr particles 3 in toluene. The Cr particles 3 had a grain size of less than 40 μm. The whole was then dried to drive off the solvent.
The powder layer of the Cr particles 3 averaged approximately
0.25 mm. Now a solder foil 4 with the dimensions 30 x 40 mm and a thickness of 0.3 mm was placed on the powder layer and loaded with a molybdenum plate 5 of 30 x 40 x 8 mm.
The high-temperature solder had the following composition:
Sn = 10% by weight
Ti = 3% by weight
Cu = rest
The solder foil 4 was produced by vacuum melting the components and hot rolling. The whole was then placed in a vacuum melting furnace and inductively heated to a temperature of 950 ° C. and held at this temperature for 5 minutes. After cooling, the composite workpiece was subjected to a tensile test, which gave excellent adhesive strength.
The coating of the carbon fiber-reinforced graphite plate 2 with Cr particles 3 serves to increase the wettability thereof by the high-temperature solder. In general, carbide-forming elements such as Cr, Ti etc. can be used for this.
Example 2:
See Figure 2.
A rotationally symmetrical auxiliary nozzle for an electrical SF6 switch was manufactured, among other things, by soldering carbon fiber-reinforced graphite and steel. First, a carbon fiber reinforced graphite cap 8 was screwed out of a round rod.
Then this component was coated with a solder layer on its outer surface. The procedure was as follows: A melt of the following composition was produced in the vacuum melting furnace:
Sn = 20% by weight
Ti = 10% by weight
Cu = rest
For the purpose of holding and covering the inner surface, a graphite cap 8 was inserted into the graphite cap 8 from the bottom, with a graphite piece that fits exactly on the inside and has a hanging device at the top. The whole was now preheated in the upper part of the induction coil of the vacuum furnace, lowered into the melt, left there at a temperature of 950 ° C. for 10 minutes and slowly pulled out of the melt again.
The furnace was briefly flooded with argon before the component was immersed in the melt, evacuated again and flooded again with argon after removal and while the component was cooling.
A cylindrical workpiece made of ordinary graphite (brand V 263 from Steinemann, Otelfingen, Switzerland) with the outside diameter and length of the jacket of the conical insert 7 was coated with high-temperature solder on its jacket surface using the immersion process described above. Afterwards, the material was turned out in the core and a component made according to conical insert 7. Half the opening angle of the inner conical surface was 2030. Now the pieces 7 and 8 were glued together at their end faces by means of graphite adhesive 9 and the prefabricated sleeve 6 made of steel was shrunk onto the conical insert 7 made of graphite and the carbon fiber reinforced graphite cap 8. In addition to 0.3% by weight of C and 2.5% by weight of Cr, the steel also contained small amounts of Mo and V.
By shrinking on, greater security is achieved with widely differing expansion coefficients of the materials to be joined. The whole was then placed in a vacuum oven and soldered at 9500 C for 10 minutes. After cooling, a ring 10 made of a W / Cu alloy (80% by weight W, 20% by weight Cu) was screwed onto the sleeve 6 by means of a thread 11. The soldered surfaces 12 of this composite construction are highlighted by bold lines.
The invention is not restricted to the exemplary embodiments.
In general, the method for connecting carbon fiber-reinforced graphite with a metallic carrier material by means of high-temperature solder can be applied to all suitable materials. High-temperature solders are those based on Cu and / or Ag with at least one carbide-forming element selected from the group Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf at a height of 1 to 10% by weight. % used. The solder can be applied to the carbon fiber reinforced graphite in molten form by immersion in a melt, in powder, foil or film form or by vapor deposition. During the soldering process, the carrier material is pressed against the solder surface by gravitation, spring force or thermomechanical forces (e.g. shrinking).
A vacuum (melting) furnace can advantageously be used both for applying the solder layer and for carrying out the soldering process.
In order to improve the wettability of the carbon fiber reinforced graphite, a layer of particles of a carbide-forming element (Cr, Ti) in powder, paste or other form, e.g. Slurry applied in an alcohol (toluene, ethanol, etc.).
In addition to the solders specified in the examples, a solder of the following composition is also suitable:
Cr = 1% by weight
Cu = rest.