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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines carbidkeramischen
Kontaktkörpers, welcher
eine Kontaktoberfläche
aufweist, bei welchem ein Vorkörper
hergestellt wird, aus dem Vorkörper
durch Pyrolyse und/oder Graphitierung ein offenporöser Kohlenstoffkörper hergestellt
wird und der Kohlenstoffkörper
durch Carbidbildnerinfiltration keramisiert wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen carbidkeramischen Kontaktkörper.
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Carbidkeramische
Kontaktkörper
werden beispielsweise als Reibkörper
oder Gleitkörper
eingesetzt. Reibkörper
wiederum finden beispielsweise Verwendung in Bremsen wie Aufzugsbremsen.
Gleitkörper
können
Verwendung finden beispielsweise in Gleitlagern.
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Aus
der
DE 100 45 881
A1 ist eine Sicherheitseinrichtung für einen Aufzug bekannt, welche ein
Bremsteil umfasst, das mindestens einen Reibkörper mit mindestens einer Reibfläche aufweist.
Der Reibkörper
weist als Reibwerkstoff einen faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff
auf, der Siliciumcarbid und als Verstärkungskomponente Kohlenstofffasern
enthält.
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Aus
der
EP 1 493 723 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken
aus Silciumcarbidkeramik bekannt, bei welchem aus einem cellulosehaltigen Werkstoff
ein poröser
Vorkörper
hergestellt wird, der poröse
Vorkörper
mittels Pyrolyse in einen offenporösen Kohlenstoffkörper umgewandelt
wird und der offenporöse
Kohlenstoffkörper
durch Infiltration von Silicium umfassenden Materialien in eine
Silicium umfassende Carbidkeramik, insbesondere Siliciumcarbidkeramik
umgewandelt wird. Zur Herstellung des Vorkörpers wird als Ausgangsbestandteil
mindestens cellulosehaltiges Pulver verwendet.
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Aus
der
EP 1 634 860 A2 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Carbidkeramikmaterials bekannt,
bei welchem aus einem Ausgangsmaterial, welches cellulosehaltiges
Pulver umfasst, ein poröser
Vorkörper
hergestellt wird, der Vorkörper
durch Pyrolyse in einen offenporösen
Kohlenstoffkörper umgewandelt
wird und der Kohlenstoffkörper
durch Infiltration von Silicium umfassenden Materialien in eine
Silicium umfassende Carbidkeramik umgewandelt wird. Zur Herstellung
des Ausgangsmaterials werden Kohlenstoff-Kurzfasern verwendet.
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Aus
der
EP 1 657 227 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Carbidkeramikmaterials mit definiertem
gradierten Phasenverteilungsprofil bekannt, bei welchem aus einem
Ausgangsmaterial, welches cellulosehaltiges Pulver umfasst, ein
poröser
Vorkörper
hergestellt wird, der Vorkörper
durch Pyrolyse in einen offenporösen
Kohlenstoffkörper
umgewandelt wird und der Kohlenstoffkörper durch Infiltration von Silicium
umfassenden Materialien in eine Silicium umfassende Carbidkeramik
umgewandelt wird. Der Vorkörper
wird mit einem definierten gradierten Dichteprofil hergestellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich ein carbidkeramischer Kontaktkörper mit
vorteilhaften Eigenschaften herstellen lässt.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
der Vorkörper
so hergestellt wird, dass er in einem oberflächennahen Bereich, in welchem
die Kontaktoberfläche
gebildet wird, geschlossene Poren aufweist, die bei der Pyrolyse
erhalten bleiben und die nicht durch Carbidbildner infiltrierbar
sind.
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Es
lässt sich
dadurch eine Vorstufe eines carbidkeramischen Kontaktkörpers herstellen,
welcher geschlossene Poren in einem oberflächennahen Bereich aufweist.
Durch mechanische Bearbeitung lassen sich diese Poren freilegen,
wobei eine Kontaktoberfläche
wie beispielsweise eine Reiboberfläche bereitstellbar ist, welche
einen hohen Reibwert bei geringem Verschleiß aufweist. Insbesondere lässt sich
eine Kontaktoberfläche
mit muldenförmigen
Vertiefungen herstellen, wobei diese Vertiefungen tribologisch vorteilhaft
sind. Die Vertiefungen können
Rückstände wie
Abrieb und Schmutzpartikel aufnehmen, um die Kontaktoberfläche sauber
zu halten. Sie können
auch definiert mit einem Funktionsmedium wie einem Gleitmedium und/oder
Korrosionsschutzmedium befüllt
werden.
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Weiterhin
lässt sich
eine Kontaktoberfläche mit
hohem Keramikanteil herstellen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die geschlossenen Poren in dem
Vorkörper
in einer Bindemittelmatrix eingeschlossen sind. Dadurch lässt sich
gewährleisten,
dass die Poren auch bei der Pyrolyse/Graphitierung und bei der Carbidbildnerinfiltration
geschlossen bleiben.
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Günstig ist
es insbesondere, wenn die geschlossenen Poren eine Größe zwischen
10 μm und 5
mm aufweisen. Dadurch lässt
sich ein Kontaktkörper
mit einer Kontaktoberfläche
herstellen, welche einen hohen Reibwert mit geringem Verschleiß aufweist.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass der Vorkörper durch Warmpressen oder
Spritzgießen
eines Ausgangsmaterials hergestellt wird. Dadurch lässt sich
dieser endkonturnah bezogen auf den herzustellenden carbidkeramischen
Kontaktkörper
herstellen.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst ein Ausgangsmaterial für
den Vorkörper
cellulosehaltiges Material und insbesondere cellulosehaltiges Pulver. Der
Vorkörper
lässt sich
dadurch auf einfache und kostengünstige
Weise herstellen. Ferner lässt
sich über
die Verwendung von feuchtem cellulosehaltigem Pulver auf einfache
Weise eine geschlossene Porosität
ausbilden.
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Günstigerweise
umfasst das Ausgangsmaterial ein Bindemittel, wobei das Bindemittel
vorzugsweise ein Harz und insbesondere Phenolharz ist. Durch Aushärtung des
Bindemittels unter Wärmebeaufschlagung
lässt sich
ein Vorkörper
herstellen.
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Es
kann vorgesehen sein, dass das Ausgangsmaterial Fasern umfasst.
Dadurch lässt
sich ein schadenstoleranter Kontaktkörper herstellen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist es vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial mindestens bereichsweise
einen Porenbildner und insbesondere einen organischen Porenbildner
umfasst. Dieser Porenbildner, welcher sich zersetzen kann, stellt
bei der Zersetzung ein Gas bereit, über welches die geschlossenen
Poren ausbildbar sind. Dem Ausgangsmaterial wird Porenbildner mindestens
bereichsweise zugemischt; das Ausgangsmaterial enthält, wenn es
in eine entsprechende Form wie beispielsweise eine Warmpressform
eingelegt ist, in einem oberflächennahen
Bereich einen höheren
Anteil an Porenbildner als außerhalb
des oberflächennahen
Bereichs.
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Insbesondere
wird der Porenbildner so gewählt,
dass er sich während
einer Topfzeit (solange das Bindemittel noch nicht ausgehärtet ist)
bei der Herstellung des Vorkörpers
zersetzt. Dadurch lassen sich die geschlossenen Poren herstellen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist das cellulosehaltige Pulver im Ausgangsmaterial mindestens
bereichsweise einen Feuchtegehalt größer 5% auf.
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Durch
das adsorptiv gebundene Wasser lassen sich Poren herstellen. Bei
Rufheizung desorbiert das Wasser und aufgrund des steigenden Dampfdrucks
bei steigender Temperatur wird das sich ausdehnende Gas (Wasserdampf)
in der umgebenden viskosen Bindemittelmatrix eingeschlossen und
es kommt zur Bildung geschlossener Poren. Das cellulosehaltige Pulver
weist mindestens bereichsweise einen Feuchtegehalt größer 5% auf.
Insbesondere wird das Ausgangsmaterial schichtweise in eine Form
wie beispielsweise eine Warmpressform eingelegt, wobei in einer
oberflächennahen
Schicht der Feuchtegehalt größer 5% ist
und außerhalb
des oberflächennahen
Bereichs das Ausgangsmaterial nicht befeuchtet ist.
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Der
Feuchtegehalt wird dabei beispielsweise durch Trocknen von angefeuchtetem
cellulosehaltigem Pulver oder einem angefeuchteten Gemisch, welches
cellulosehaltiges Pulver enthält,
eingestellt. Bei entsprechender Verfahrensführung lässt sich der Feuchtegehalt
definiert einstellen. Je nach Feuchtegehalt lässt sich die Porosität bezüglich Größe und/oder
Verteilung der geschlossenen Poren einstellen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Vorkörper so hergestellt wird, dass
die Porenbildung und insbesondere Gasbildung zur Herstellung der geschlossenen
Poren zwischen einer Erweichungstemperatur und einer Aushärtetemperatur
des Bindemittels erfolgt. Dadurch lässt sich garantieren, dass geschlossene
Poren hergestellt werden.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bindemittelanteil im Ausgangsmaterial
für den
Vorkörper
größer 5% ist.
Dadurch lässt
es sich sicherstellen, dass geschlossene Poren von einer Bindemittelmatrix
umgeben sind. Dadurch lässt
es sich gewährleisten,
dass die geschlossenen Poren auch bei der Pyrolyse/Graphitierung
erhalten bleiben.
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Insbesondere
liegt der Bindemittelanteil zwischen 20% und 30%, um einen optimierten
Kontaktkörper
herstellen zu können.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der Vorkörper mit gradiertem Dichteprofil
hergestellt wird. Ein Verfahren zur Herstellung eines Vorkörpers mit einem
definierten gradierten Dichteprofil ist in der
EP 1 657 227 A1 beschrieben,
auf die ausdrücklich
Bezug genommen wird. Über
die Herstellung mit einem gradierten Dichteprofil lässt sich
ein gradierter Keramikanteil in dem Kontaktkörper herstellen. Insbesondere
lässt sich
der Kontaktkörper
so herstellen, dass er in einem oberflächennahen Bereich einen erhöhten Keramikanteil
aufweist.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass zur Herstellung des Vorkörpers Ausgangsmaterial
geschichtet wird, wobei das Ausgangsmaterial in einem oberflächennahen
Bereich zur Ausbildung geschlossener Poren behandelt ist. Beispielsweise
enthält das
Ausgangsmaterial in dem oberflächennahen
Bereich Porenbildner oder es ist angefeuchtet. Dadurch lässt sich
gezielt die Ausbildung geschlossener Poren in einer oberflächennahen
Schicht des Vorkörpers
einstellen.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass das Dichteprofil so gewählt wird,
dass die Kohlenstoffdichte nach der Pyrolyse in einem oberflächennahen Bereich
bezogen auf die spätere
Kontaktoberfläche größer ist
als in einem Kernbereich. Dadurch lässt sich der Keramikanteil
in dem oberflächennahen
Bereich erhöhen,
um so eine Kontaktoberfläche
mit hohem Reibwert und geringem Verschleiß zu erhalten.
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Es
ist dabei insbesondere vorgesehen, dass der Vorkörper mit geschlossenen Poren
und offenen Poren in dem oberflächennahen
Bereich hergestellt wird. Durch die offene Porosität lässt sich
später
eine Keramisierung auf einfache Weise durchführen.
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Insbesondere
beträgt
die geschlossene Porosität
in dem oberflächennahen
Bereich des Vorkörpers
zwischen 5 Flächen-%
und 60 Flächen-%,
um einen optimierten Kontaktkörper
herzustellen.
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Bei
einer Ausführungsform
wird eine Carbidbildnerinfiltration mit Silicium durchgeführt. Dadurch wird
ein Kontaktkörper
hergestellt, welcher eine Siliciumcarbidphase aufweist. Es kann
auch eine Siliciumphase von reinem Silicium vorliegen, welche aus dem
Silicium besteht, welches nicht mit Kohlenstoff reagiert hat.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn Kupfer als Bestandteil des Infiltrationsmaterials
verwendet wird. Es lässt
sich dadurch eine duktile Kupferphase herstellen, die zu vorteilhaften
Eigenschaften des Kontaktkörpers
führt.
Insbesondere ist dieser im Ganzen weniger spröde und weniger hart.
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Beispielsweise
erfolgt eine Carbidbildnerinfiltration über eine Metallschmelze. Der
Kupferanteil in einer Ausgangslegierung für die Infiltration beträgt dabei
mindestens 15 Massen-% insbesondere für Reibkörperanwendungen.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn eine mechanische Bearbeitung
eines hergestellten Kontaktkörpers
im Bereich der geschlossenen Poren zur Herstellung der Kontaktoberfläche erfolgt.
Die Bearbeitung erfolgt dabei derart, dass die geschlossenen Poren
freigelegt werden. Dadurch erhält
man eine Kontaktoberfläche
mit hohem Reibwert.
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Erfindungsgemäß wird ein
carbidkeramischer Kontaktkörper
bereitgestellt, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen carbidkeramischen
Kontaktkörper
mit hohem Reibwert und geringem Verschleiß bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der carbidkeramische Kontaktkörper eine carbidkeramische
Oberflächenschicht
umfasst, welche durch mechanische Bearbeitung einer carbidkeramischen
Oberflächenschicht
mit geschlossenen Poren hergestellt ist.
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Der
carbidkeramische Kontaktkörper
weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläuterten
Vorteile auf.
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Durch
die Freilegung der geschlossenen Poren weist der carbidkeramische
Kontaktkörper
eine Kontaktoberfläche
mit Vertiefungen auf.
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Es
ist günstig,
wenn der carbidkeramische Kontaktkörper eine Kupferphase umfasst.
Die Kupferphase ist duktil. Der carbidkeramische Kontaktkörper ist
dadurch im Ganzen weniger spröde
und hart, wobei er an der Oberflächenschicht
eine hohe Härte aufweist.
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Insbesondere
weist der carbidkeramische Kontaktkörper einen Kernbereich außerhalb
der Oberflächenschicht
auf, welcher einen geringeren Keramikanteil aufweist als die Oberflächenschicht. Der
Kontaktkörper
als Ganzes ist dadurch weniger spröde und hart.
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Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn ein Kupferanteil im Kernbereich größer ist als in der Oberflächenschicht.
Die Kupferphase im carbidkeramischen Kontaktkörper ist duktil. Der carbidkeramische
Kontaktkörper
ist dadurch als Ganzes weniger spröde und hart und damit schadenstoleranter,
wobei eine harte und verschleißfeste
Oberflächenschicht bereitgestellt
wird, welche günstig
für tribologische Anwendungen
ist.
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Es
ist dann ebenfalls günstig,
wenn ein Faseranteil im Kernbereich größer ist als in der Oberflächenschicht.
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Günstig ist
es, wenn keine Fasern und/oder kein Kohlenstoff an der Oberfläche des
carbidkeramischen Kontaktkörpers
vorliegen. Damit kann auch bei thermischer Belastung des Kontaktkörpers keine Oxidation
(an der Oberfläche)
stattfinden.
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Insbesondere
weist der carbidkeramische Kontaktkörper Vertiefungen an einer
Kontaktoberfläche
auf. Diese Vertiefungen, die insbesondere muldenförmig sind,
sind durch die Freilegung der geschlossenen Poren entstanden. Die
Vertiefungen können
beispielsweise Abrieb bei einem Reibkörper aufnehmen, so dass sich
verbesserte Reibungseigenschaften ergeben. Sie können auch Schmutzteile usw.
aufnehmen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist es vorgesehen, dass in den Vertiefungen des carbidkeramischen
Kontaktkörpers
ein Funktionsmedium angeordnet ist. Bei dem Funktionsmedium kann
es sich beispielsweise um ein Gleitmedium handeln, welches Gleiteigenschaften
verbessert. Es ist beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch
möglich,
dass ein Korrosionsschutzmedium in Vertiefungen angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein carbidkeramischer Kontaktkörper
bereitgestellt, welcher eine carbidkeramische Oberflächenschicht,
einen Kernbereich und eine Kupferphase umfasst, wobei der Keramikanteil
in der Oberflächenschicht
größer ist als
in dem Kernbereich, und wobei der Kupferanteil in dem Kernbereich
größer ist
als in der Oberflächenschicht.
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Ein
solcher carbidkeramischer Kontaktkörper weist vorteilhafte tribologische
Eigenschaften auf.
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Wenn
Silicium als Carbidbildner eingesetzt wird, dann ist der carbidkeramische
Kontaktkörper ein
SiC-Si-Cu-C-Verbundkeramikkörper.
Er umfasst eine SiC-Phase, eine Si-Phase aus nicht reagiertem Silicium,
eine Kupferphase und eine Kohlenstoffphase aus nicht keramisiertem
Kohlenstoff. Wenn das Ausgangsmaterial ein cellulosehaltiges Pulver
ist, dann ist diese Verbundkeramik biomorph.
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Es
ist insbesondere vorteilhaft, wenn der carbidkeramische Kontaktkörper eine
Kupferphase mit einem Volumenanteil aufweist, welcher zwischen 10 %
und 40% liegt (einschließlich
der Grenzen), eine Siliciumphase mit einem Volumenanteil von 30%
bis 55% aufweist (einschließlich
der Grenzen), eine Siliciumcarbidphase mit einem Volumenanteil zwischen 5%
und 25% aufweist (einschließlich
der Grenzen) und eine Kohlenstoffphase mit einem Volumenanteil von
5% bis 15% (einschließlich
der Grenzen) aufweist. Dadurch erhält man einen Kontaktkörper mit optimierten
Eigenschaften.
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Insbesondere
sind die Siliciumcarbidanteile an einer Oberfläche größer als zur Kontaktkörpermitte
hin; die carbidkeramische Phase ist reibwirksam. Zur Kontaktkörpermitte
hin ist es günstig,
wenn die Kupferphase, welche duktil ist, einen höheren Anteil aufweist.
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Die
oben genannten Mengenangaben sind insbesondere bezogen auf eine
Ausgangslegierung, mittels welcher die Carbidbildung durchgeführt wird, welche
eine Kupferanteil zwischen 25 Massen-% und 75 Massen-% (einschließlich der
Grenzen) aufweist.
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Insbesondere
ist dabei ein Faseranteil im Kernbereich größer als in der Oberflächenschicht, um
bei vorteilhaften Gesamteigenschaften des Körpers einen tribologisch vorteilhaften
Oberflächenbereich
zu erhalten.
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Der
carbidkeramische Kontaktkörper
ist insbesondere als Reibkörper
für eine
Reibungsanwendung oder Gleitkörper
für eine
Gleitanwendung ausgestaltet.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Vorkörpers in
Schnittansicht;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen carbidkeramischen
Kontaktkörpers
in Schnittansicht;
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3 einen
Anschliff einer Kontaktoberfläche
eines erfindungsgemäßen carbidkeramischen Kontaktkörpers im
Auflichtmikroskop mit 40-facher Vergrößerung, wobei die angegebene
Größenskala 500 μm ist;
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4 eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Anschliffs einer Kontaktoberfläche eines
weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen carbidkeramischen
Kontaktkörpers mit
2000-facher Vergrößerung;
und
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5 eine
Diffraktometeraufnahme einer Kontaktoberflächenschicht eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen carbidkeramischen Kontaktkörpers.
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Ein
erfindungsgemäßer Kontaktkörper, welcher
in schematischer Darstellung in Schnittansicht in 2 gezeigt
und dort mit 10 bezeichnet ist, ist aus einem carbidkeramischen
Material hergestellt. Er weist eine Kontaktoberfläche 12 auf.
Der Kontaktkörper 10 dient
beispielsweise als Reibkörper.
Entsprechend ist die Kontaktoberfläche 12 eine Reibfläche.
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Solche
Reibkörper
werden beispielsweise bei Aufzugbremsen eingesetzt. In der
DE 100 45 881 A1 ist
eine Sicherheitseinrichtung für
einen Aufzug mit einem Bremsteil beschrieben, das mindestens einen
Reibkörper
mit einer Reibfläche
aufweist. Der Kontaktkörper
10 lässt sich
als Reibkörper
einsetzen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist der Kontaktkörper 10 ein
Gleitkörper
und die Kontaktoberfläche 12 ist
dann entsprechend eine Gleitfläche. Ein
Gegenstück
ist an diesem Gleitkörper
insbesondere reibend geführt.
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Der
carbidkeramische Kontaktkörper 10 wird aus
einem Vorkörper 14 hergestellt
(1).
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Der
Vorkörper 14 wird
aus einem Ausgangsmaterial hergestellt, welches ein Gemisch aus
einem kohlenstoffhaltigen Material und einem Bindemittel ist. Das
kohlenstoffhaltige Material ist insbesondere ein cellulosehaltiges
Material und insbesondere ein cellulosehaltiges Pulver (Holzpulver).
Dadurch ist der hergestellte Kontaktkörper 10 ein biomorpher
carbidkeramischer Kontaktkörper.
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Das
Ausgangsmaterial kann weitere Bestandteile umfassen wie beispielsweise
Fasern.
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In
der
EP 1 634 860 A2 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Carbidkeramikmaterials beschrieben,
bei dem zur Herstellung des Ausgangsmaterials Kohlenstoff-Kurzfasern
verwendet werden. Auf diese Druckschrift wird ausdrücklich Bezug
genommen.
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Als
weitere Additive können
beispielsweise Porenbildner vorgesehen sein, wie unten noch näher beschrieben.
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Bei
dem Bindemittel handelt es sich insbesondere um ein Harz und insbesondere
um ein Phenolharz.
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Der
Vorkörper 14 wird
aus dem Ausgangsmaterial über
Aushärtung
des Bindemittels hergestellt. Beispielsweise wird der Vorkörper 14 durch Spritzgießen oder
mittels Warmpressen hergestellt. Bei der Warmpressung wird das Ausgangsmaterial
in ein Gesenk gebracht.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass der Vorkörper 14 so
hergestellt wird, dass er in einem oberflächennahen Bereich 16 geschlossene
Poren 18 aufweist. Der oberflächennahe Bereich 16 ist
ein Bereich des Vorkörpers 14,
an dem später
(nach Pyrolyse und Keramisierung) die Kontaktoberfläche 12 hergestellt
wird.
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Die
geschlossenen Poren 18 werden so hergestellt, dass sie
von Bindemittelmaterial umgeben sind und während der Pyrolyse nicht "aufgebrochen" werden. Sie können dann
bei der Carbidbildnerinfiltration eines durch die Pyrolyse hergestellten
Kohlenstoffkörpers
nicht mit Carbidbildner in Kontakt kommen, d.h. sie bleiben während des
ganzen Herstellungsverfahrens geschlossen.
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Bei
einer Ausführungsform
werden die geschlossenen Poren 18 dadurch hergestellt,
dass dem (trockenen) Ausgangsmaterial ein organischer Porenbildner
zugemischt wird. Der Porenbildner ist so ausgewählt, dass er sich innerhalb
der Topfzeit des Ausgangsmaterials bei der Herstellung des Vorkörpers 14 (insbesondere
beim Pressvorgang bzw. Spritzgießvorgang) zersetzt und dabei
die geschlossenen Poren 18 hinterlassen werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird für das
Ausgangsmaterial Holzpulver mit einem Feuchtegehalt von mindestens
5% eingesetzt. Es ist dann kein organischer Porenbildner mehr notwendig,
da durch die Desorption von gebundenem Wasser geschlossene Poren 18 herstellbar
sind.
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Angefeuchtetes
Ausgangsmaterial kann beispielsweise dadurch hergestellt werden,
dass Feuchtgranulate eingesetzt werden. Feuchtgranulate wiederum
lassen sich aus trockenen Ausgangsmaterialmischungen herstellen,
indem Wasser zugemischt wird und anschließend eine definierte Restfeuchte
beispielsweise durch Trocknen gezielt eingestellt wird.
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Bei
der Herstellung des Vorkörpers 14 durch Wärmebeaufschlagung
wird das adsorptiv gebundene Wasser in dem cellulosehaltigen Pulver
desorbiert. Insbesondere erfolgt eine Desorption in einer Aufheizphase
einer Presse, in welcher der Vorkörper 14 hergestellt
wird. Die Desorption muss vor dem Aushärten des Bindemittels erfolgen.
Durch den steigenden Dampfdruck bei steigender Temperatur wird das
sich ausdehnende Gas, nämlich
der Wasserdampf, in der umgebenden viskosen Bindemittelmatrix eingeschlossen
und es kommt zur Porenbildung. Der Dampfdruck beträgt beispielsweise
bei 25°C
32 mbar, bei 80°C
473 mbar und bei 150°C
4,76 bar.
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Die
Verfahrensführung
ist derart, dass die Gasbildung (Wasserdampfbildung) und damit die
Porenbildung zwischen einer Erweichungstemperatur des Bindemittels
und einer Aushärtetemperatur
des Bindemittels erfolgt und damit innerhalb der Topfzeit der Bindemittelmatrix
erfolgt. Bei Phenolharz liegt die Erweichungstemperatur bei ca.
80°C und
die Aushärtetemperatur
bei ca. 150°C.
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Für die Herstellung
geschlossener Poren 18 ist es wichtig, dass der Bindemittelanteil
genügend groß ist und
insbesondere bei größer 5% im
Ausgangsmaterial liegt. Bevorzugterweise liegt der Bindemittelanteil
bei 20% bis 30%.
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Es
ist dabei vorgesehen, dass die geschlossenen Poren 18 eine
Größe im Bereich
zwischen 10 μm
und 5 mm aufweisen.
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Der
Vorkörper 14 weist
zusätzlich
zu den geschlossenen Poren 18 auch eine offene Porosität auf. Die
gesamte offene Porosität
an einer Oberfläche 20 des
Vorkörpers 14 sollte
im Bereich zwischen 5% und 30 Flächen-%
betragen.
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Die
offenen Poren sind später
mit Carbidbildner infiltrierbar, während die geschlossenen Poren 18 nicht
infiltrierbar sind.
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Der
Kontaktkörper
10 kann
so hergestellt werden, dass er ein gradiertes Dichteprofil aufweist. Dies
ist in der
EP 1 657
227 A1 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Durch Gradierung des Dichteprofils lassen sich gezielt in bestimmten
Bereichen des herzustellenden Kontaktkörpers
10 unterschiedliche
Keramikanteile einstellen. Insbesondere lässt sich eine Oberflächenschicht
22 an dem
carbidkeramischen Kontaktkörper
10 ausbilden, welcher
im Vergleich zu einem Kernbereich
24 einen erhöhten Keramikgehalt
aufweist. Dazu wird eine erhöhte
Dichte in dem oberflächennahen
Bereich
16 des Vorkörpers
14 hergestellt.
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Diese
erhöhte
Dichte wird beispielsweise mittels entsprechender Zusammensetzung
des Ausgangsmaterials eingestellt oder über Beeinflussung des Verdichtungswiderstands
(siehe
EP 1 657 227 A1 ).
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Der
hergestellte Vorkörper 14 wird
pyrolysiert. Bei der Pyrolyse wird der Vorkörper 14 unter Luftabschluss
und insbesondere in einer Inertgasatmosphäre (wie beispielsweise Stickstoffatmosphäre) aufgeheizt.
Vorzugsweise wird die Pyrolyse unter Normaldruck durchgeführt. Die
Pyrolyse des Vorkörpers 14 erfolgt
mindestens bis zu derjenigen Temperatur, bei der die Carbidbildnerinfiltration
stattfindet.
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Es
kann dabei auch eine Graphitierung des Vorkörpers 14 bis zu einer
Maximaltemperatur von ca. 2800°C
vorgesehen sein, wenn Restkohlenstoff erhalten bleibt und sich nicht
vollständig
mit dem Carbidbildner – nach
der Carbidbildnerinfiltration – zu Carbid
umsetzt.
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Durch
die Pyrolyse wird aus dem Vorkörper 14 ein
Kohlenstoffkörper
hergestellt, welcher eine offene Porosität aufweist. Die geschlossenen
Poren 18 bleiben im Wesentlichen erhalten. Die Porosität in dem
Kohlenstoffkörper
ist gradiert. In einer Oberflächenschicht
hat man eine hohe Porosität,
während die
Porosität
in einem Kernbereich niedriger ist. Die Oberflächenschicht bildet dann die
Oberflächenschicht 22 des
carbidkeramischen Kontaktkörpers 10 und
der Kernbereich bildet dann den Kernbereich 24 des carbidkeramischen
Kontaktkörpers 10.
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Es
erfolgt dann die Keramisierung über
Carbidbildnerinfiltration. Kohlenstoff reagiert mit dem Carbidbildner
zu Carbid. Wenn als Carbidbildner Silicium eingesetzt wird, dann
bildet sich Siliciumcarbid. Die offenen Poren werden bei der Carbidbildnerinfiltration
auch mit dem Carbidbildner ausgefüllt. Restkohlenstoff in der
Form von Kohlenstofffasern oder Graphit/Kohlenstoffpartikeln ist
dabei fein verteilt.
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Bei
der Carbidbildnerinfiltration kann dem Carbidbildner auch ein metallisches
Material und insbesondere Kupfer zugesetzt werden. Dadurch erhält man eine
Kupferphase in dem carbidkeramischen Kontaktkörper 10, durch welche
dieser vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
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Es
ist dabei vorgesehen, dass der Kupferanteil in einer Ausgangslegierung,
mittels welcher die Carbidbildnerinfiltration durchgeführt wird,
mindestens 30 Massen-% beträgt.
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Es
können
auch Zusätze
von Magnesium, Aluminium, Zinn oder Zink zur Schmelzpunkterniedrigung
und zur Senkung des Viskosität
bei der Carbidbildnerinfiltration verwendet werden. Bei der Verwendung
solcher Zusätze
bilden sich Mischphasen aus, die vorteilhafte Eigenschaften aufweisen
können.
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Die
Carbidbildnerinfiltration wird insbesondere bei einem Druck kleiner
10 mbar und insbesondere kleiner 3 mbar durchgeführt oder bei einem leichten Überdruck
von ca. 1030 mbar unter der Verwendung von Inertgas.
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Die
Prozesstemperaturen bei der Carbidbildnerinfiltration liegen über dem
Schmelzpunkt der Ausgangslegierung oder um 200 K darüber.
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Es
ist dabei grundsätzlich
auch möglich, dass
vorlegierte Pulver verwendbar sind.
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Das
Ausgangsmaterial für
die Carbidbildnerinfiltration weist als Pulver bzw. Granulat beispielsweise
einen Korngrößenbereich
zwischen 0,1 mm und 20 mm auf. Bevorzugt werden Korngrößen im Bereich
zwischen 1 mm und 10 mm. Kleine Körner sind zu sauerstoffreich
und hemmen die Durchmischung in der Schmelze und die Carbidbildnerinfiltration.
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Das
Angebot bzw. das Aufschmelzen des Carbidbildnermaterials (mit Kupferzusatz)
erfolgt allseitig auf der Oberfläche
des Kohlenstoffkörpers.
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Die
Masse der zugeführten
Metallschmelze ist abhängig
von der Porosität
der Probe. Die Masse beträgt üblicherweise
ca. 200% bis 700% bezogen auf die Masse des Kohlenstoffs im Kohlenstoffkörper.
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Als
Ergebnis erhält
man einen carbidkeramischen Körper,
aus welchem der Kontaktkörper 10 mit der
Kontaktoberfläche 12 durch
Oberflächenbearbeitung hergestellt
wird. Die Oberflächenbearbeitung
erfolgt dabei derart, dass die geschlossenen Poren 18 an
der Oberflächenschicht 22 "freigelegt" werden, um eine
Kontaktoberfläche 12 mit
entsprechend hoher Rauhigkeit zu erhalten (2). Dadurch
entstehen muldenförmige
Vertiefungen 26 an der Kontaktoberfläche 12. Diese können beispielsweise
Abrieb aufnehmen. Sie können
auch mit einem Funktionsmedium wie Gleitmedium und/oder Korrosionsschutzmedium
gefüllt
werden.
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Der
hergestellte Kontaktkörper 10 enthält unterschiedliche
Phasen: eine Kohlenstoffphase mit einem Faseranteil (an Kohlenstofffasern),
eine Carbidphase, eine Carbidbildnerphase (aus nichtreagiertem Carbidbildner)
und eine Kupferphase. Wenn Silicium als Carbidbildner verwendet
wird, dann erhält
man eine Siliciumcarbid-Phase und eine Siliciumphase. Der Kontaktkörper 10 besteht
dann aus biomorphem SiC-Si-Cu-C-Verbundkeramikmaterial.
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Die
Phasenanteile betragen für
die Kupferphase 10 Volumen-% bis 40 Volumen-%, für die Siliciumphase 30 Volumen-%
bis 55 Volumen-%, für
die Siliciumcarbidphase 5 Volumen-% bis 25 Volumen-% und für die Kohlenstoffphase
5 Volumen-% bis 15 Volumen-%. Die Ausgangslegierung für die Carbidbildnerinfiltration
weist einen Massenanteil von 25% bis 75% an Kupfer auf.
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Mit
zunehmendem Anteil an Kupfer in einer Ausgangslegierung erhöht sich
der Anteil an der Kupferphase im hergestellten Kontaktkörper 10 und
es reduziert sich der Anteil an freiem Silicium im Verbundgefüge. Die
Siliciumcarbid-Anteile und Kohienstoffanteile sind im Wesentlichen
unabhängig
von dem Kupferanteil in der Ausgangslegierung.
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Oberflächennahe
Bereiche können
bei einem gradiert aufgebauten Vorkörper (beispielsweise in einem "Holzwerkstoff"-Zustand) oder als
Kohlenstoffkörper
eine höhere
Dichte aufweisen. Dadurch können
sich an der Oberfläche
Bereiche mit einem erhöhten
Anteil an Siliciumcarbid durch Konvertierung von Kohlenstoff ausbilden.
Die aufgrund einer höheren
offenen Porosität
im Probeinneren verursachte geringere Dichte kann durch die Siliciumphase
und Kupferphase gefüllt
werden.
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Der
Kontaktkörper 10 wird
dabei so hergestellt, dass der Keramikanteil in der Oberflächenschicht 22 größer ist
als in dem Kernbereich 24. Ferner ist der Kupferanteil
im Kernbereich 24 größer als in
der Oberflächenschicht 22.
Weiterhin ist der Kohlenstoffanteil in dem Kernbereich 24 größer als
in der Oberflächenschicht 22.
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Dadurch
erhält
man einen Kontaktkörper 10 mit
einer wirksamen Kontaktoberfläche 12,
welche einen hohen Reibwert mit geringem Verschleiß aufweist.
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Durch
die duktile Kupferphase in dem Kernbereich 24 weist der
Kontaktkörper 10 vorteilhafte
Eigenschaften auf. Er ist als Ganzes weniger hart und spröde, als
wenn diese Kupferphase nicht vorgesehen ist. Die Risszähigkeit
(KIC-Wert) liegt zwischen ca. 3 MPam1/2 und
5,5 MPam1/2. Die Risszähigkeit steigt mit dem Kupferphasen-Volumengehalt
zur Kontaktkörpermitte
hin an.
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Der
Kontaktkörper 10 ist
insbesondere dadurch hergestellt, dass er aus einem gradierten Vorkörper 14 (welcher
insbesondere durch Pressen in Endkontur hergestellt ist) hergestellt
wird, wobei der Vorkörper 14 wiederum
durch Verwendung von Holzpulvermischungen hergestellt wird. Für die Carbidbildnerinfiltration
wird eine binäre
Kupfer-Carbidbildner-Legierung eingesetzt. Die Carbidbildnerinfiltration
erfolgt an einem pyrolysierten oder graphitierten Vorkörper. Der
Kontaktkörper 10 weist
einen erhöhten
Kupferanteil in dem Kernbereich 24 außerhalb der Oberflächenschicht 22 auf.
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Bei
einem konkreten Ausführungsbeispiel werden
Reibbeläge
für Sicherheitsbremsen
in Aufzügen
hergestellt. Eine typische Abmessung eines solchen Reibbelags (Reibkörper) liegt
bei einer Länge von
ca. 60 mm bis 80 mm, einer Breite von ca. 20 mm bis 25 mm und einer
Dicke von ca. 6 mm und 8 mm. Es kann dabei vorgesehen sein, dass
der entsprechende Reibkörper,
welcher rechteckig ist, mit mindestens zwei durchgängigen Aufnahmebohrungen versehen
ist. Ferner können
Quernuten vorgesehen sein, um den Schmutz von der Reibfläche (Kontaktoberfläche 12)
aufnehmen und abführen
zu können. Die
Funktion der Quernuten kann auch durch die Vertiefungen übernommen
werden. Die Vertiefungen können
eine Tiefe von 0,01 mm bis 5 mm aufweisen. Solche Tiefen entsprechen
den Porengrößen, wenn die
Poren durch mechanische Schleifbearbeitung angeschnitten werden.
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Der
Vorkörper 14 wird
aus einem Holzwerkstoff mittels eines metallischen Pressgesenks
hergestellt. Beispielsweise wird eine Holzpulvermischung aus Pulverharz,
Holzmehl und Pechfasern hergestellt und gepresst. Für eine obere
Lage wird dabei eine Mischung mit einer höheren Restfeuchte von ca. 10% verwendet,
um die geschlossenen Poren 18 herzustellen.
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Durch
das Beheizen einer oberen Stempelfläche kann das Pressgut beim
Zusammenfahren der Presse einseitig höher verdichtet werden, so dass sich
in dem oberflächennahen
Bereich 16 eine geringere offene Porosität ausbildet
als außerhalb
dieses oberflächennahen
Bereichs 16. Gleichzeitig wird in diesem oberflächennahen
Bereich 16 die geschlossene Porosität erzeugt.
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Der
hochverdichtete und gleichzeitig mit geschlossenen Poren 18 versehene
oberflächennahe Bereich 16 ist
für die
Ausbildung der tribologisch wirksamen Kontaktoberfläche 12 an
dem Kontaktkörper 10 vorgesehen.
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Die
Kontaktoberfläche 12 weist
einen hohen Keramikanteil und Poren auf, um einen hohen Reibwert
und geringen Verschleiß zu
erzielen.
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Der
so hergestellte Vorkörper 14 wird
während
der nachfolgenden Pyrolyse bei ca. 1650°C mit einer Graphitplatte beschwert,
um einen Verzug zu vermeiden.
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Der
pyrolysierte Vorkörper
(Kohlenstoffkörper)
ist offenporös.
Er wird dann mit einer Kupfer-Silicium-Legierung mit einem Kupferanteil
von 50 Massen-% infiltriert. Dadurch erhält man einen Metall-Keramik-Verbundwerkstoff
mit einer duktilen Kupfermatrix. Der Kupferanteil ist dabei in dem
Kernbereich 24 höher
als in der Oberflächenschicht 22.
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Zur
Carbidbildnerinfiltration wird eine Mischung aus Kupfergranulat
mit einer Korngröße von ca.
1 mm bis 10 mm und Siliciumgranulat mit einer Korngröße von ca.
1 mm für
jedes Bauteil eingewogen und gleichmäßig um den Kohlenstoffkörper positioniert.
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Der
hergestellte Kontaktkörper 10 weist
eine chemische Zusammensetzung mit Kupfer, Siliciumcarbid und Restsilicium
sowie Pechfasern auf, wobei von der Oberfläche zu dem Kernbereich 24 (Bauteilmitte)
hin der Siliciumcarbid-Keramikanteil
abnimmt und der duktile Kupferanteil zunimmt.
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Durch
mechanisches Bearbeiten der Oberfläche werden die Infiltrationsrückstände entfernt
und die offenen Poren freigelegt und dadurch die Kontaktoberfläche 12 hergestellt.
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In 3 ist
ein Anschliff einer Kontaktoberfläche im Auflichtmikroskop mit
40-facher Vergrößerung eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kontaktkörpers 10 gezeigt.
Die hellen Phasen sind durch Si, SiC und die Kupferphase η gebildet.
Die dunklen Phasen sind offene Poren und Restkohlenstoffgebilde.
Die Porengröße beträgt bis ca. 500 μm.
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Die
angegebene Längenskala
ist 500 μm.
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In 4 ist
eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Anschliffs einer
Kontaktoberfläche
eines erfindungsgemäßen Kontaktkörpers 10 mit
2000-facher Vergrößerung gezeigt.
Es wurde dabei ein nahezu porenfreier Bereich untersucht, entsprechend
einer hellen Phase gemäß 3.
Die Phasenverteilung beträgt
in Flächenprozent: 50%-iger
Anteil der Kupferphase η,
48%-iger Anteil von Si und SiC und 2%-iger Anteil an Restkohlenstoff und
Poren.
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In 5 ist
eine Diffraktometeraufnahme eines oberflächennahen Bereichs 16 an
der Kontaktoberfläche 12 gezeigt.
Es sind dabei die Messsignale für
die Siliciumcarbid-Phase, die Siliciumphase und die η-Kupferphase
gezeigt.
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Der
entsprechende carbidkeramische Kontaktkörper, welcher in den 3 und 4 gezeigt und
von welchem die Diffraktometeraufnahme gemäß 5 gemacht
wurde, ist eine biomorphe Verbundkeramikprobe, wobei der pyrolysierte
biomorphe Kohlenstoffkörper
mit einer CU50Si50-Legierung drucklos über die Schmelzphase infiltriert
wurde.