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Die
Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer elektrischen Kontaktfläche
für ein elektrisches Kontaktelement, welches durch ein
Material aus einem metallischen Werkstoff als Matrix mit einer dispers darin
verteilten Phase gebildet ist,
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Ein
derartiges Bauteil lässt sich beispielsweise der
US 5,199,553 entnehmen.
Das Bauteil kann demnach aus einem Stromunterbrecher mit einem mechanischen
Schaltelement bestehen. Das Schaltelement weist eine Kontaktfläche
auf, die mit einem korrespondierenden Kontaktelement im Eingriff steht,
wenn der Stromkreis geschlossen ist. Soll der Stromkreis getrennt
werden, so wird das mechanische Schaltelement mit der betreffenden
Kontaktfläche von dem Kontaktelement entfernt. Hierbei
kann zwischen den elektrisch kontaktierenden Teilen eine reibende
Beanspruchung auftreten.
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Um
einen Verschleiß des Stromunterbrechers gemäß der
US 5,199,553 möglichst
gering zu halten, wird vorgeschlagen, die Kontaktfläche
aus Silber herzustellen. Das metallische Silber bildet eine Werkstoffmatrix
aus, in die außerdem Graphit in Form von Partikeln dispers
verteilt ist. Mit den Einlagerungen des Graphits lassen sich die
tribologischen Eigenschaften der Kontaktfläche weiter verbessern.
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Ein
anderer denkbarer Anwendungsfall der eingangs genannten Kontaktflächen
ist bei Stromschienen denkbar, welche zur Verteilung von elektrischer
Energie beispielsweise in industriellen Anlagen oder auf Schiffen
verwendet werden. Diese weisen Schienenverteilerkontakte auf, deren
Kontaktflächen mit Kontaktelementen diverser Stromabnehmer
verbunden werden können. Infolge der Längenausdehnung
der Stromverteilerschienen kann es in Abhängigkeit von
den herrschenden Betriebstemperaturen zu erheblichen Wärmedehnungen
der Stromverteilerschienen kommen. Dies bewirkt bei im Wesentlichen
ortsfesten Kontaktelementen der Stromabnehmer ein Reiben der Kontaktelemente
auf den Kontaktflächen. Um der dadurch bewirkten Verschleißbeanspruchung
Herr zu werden, können auch die Kontaktflächen
von Stromverteilerschienen als Silberschichten ausgeführt
werden.
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Werden
auf der Stromverteilerschiene jedoch sogenannte Ruhekontakte befestigt,
die beispielsweise durch eine Verschraubung an einer Relativbewegung
des Kontaktelementes auf der Kontaktfläche der Stromverteilerschiene
gehindert werden, so kommt als Material für die Kontaktfläche
beispielsweise eine Zinn- oder auch eine Kupferschicht in Betracht.
Diese zeichnen sich im Vergleich zu Silber durch eine wesentlich
höhere Duktilität aus, was bedeutet, dass sich
die Oberfläche des Kontaktelementes bei einem Kontaktschluss
mit einem Kontaktelement an dieses anpasst, wodurch eine größere
Kontaktoberfläche zustande kommt. Die Kontaktoberfläche
bezeichnet die tatsächlich zur Übertragung des Kontaktstroms
zur Verfügung stehende Oberfläche, die aufgrund
der Oberflächenrauhigkeit des Kontaktelementes und der
Kontaktfläche geringer ausfällt als deren geometrisch
bedingte nominelle Fläche. Für eine reibende Beanspruchung
sind weiche Metalle mit einer hohen Duktilität wie Kupfer
und Zinn wegen ihres ungünstigen Verschleißverhaltens
jedoch nicht geeignet.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Bauteil mit einer elektrischen
Kontaktfläche für ein elektrisches Kontaktelement
anzugeben, welches einerseits bei einer reibenden Beanspruchung
zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktfläche einen
ausreichend großen Verschleißwiderstand aufweist
und andererseits eine verhältnismäßig
große Kontaktoberfläche zur Übertragung
des Kontaktstroms zur Verfügung stellt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs
beschriebenen Bauteil dadurch gelöst, dass die Phase aus
einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht, der härter
ist als der Werkstoff der Matrix. Durch Verwendung eines Verbundwerkstoffes bei
gleichzeitiger Wahl geeigneter Materialien im Verbund lässt
sich nämlich vorteilhaft gleichzeitig ein guter Verschleißwiderstand,
der durch das Verbundmaterial gebildeten Kontaktflächen
und die Ausbildung von verhältnismäßig
großen Kontaktoberflächen bei Kontaktbildung erreichen.
Die Phase sorgt durch ihre hohe Härte für eine
Erhöhung des Verschleißwiderstandes, da härtere
Werkstoffe einer reibenden Beanspruchung einen höheren
Widerstand gegen Abrieb entgegensetzen. Um jedoch die Leitfähigkeit
des Materials nicht zu sehr herabzusetzen, und auch keine Verminderung
der Kontaktoberfläche durch an der Oberfläche
befindliche Teile der Phase hinnehmen zu müssen, wird die
Phase aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff hergestellt.
Um bei einer Kontaktbildung eine möglichst große
Kontaktoberfläche ausbilden zu können, ist der
Werkstoff der Matrix im Vergleich zur Phase weicher. Dies bedeutet,
dass die an sich für Ruhekontakte zum Einsatz kommenden
Metalllegierungen Verwendung finden können, da der geforderte
Verschleißwiderstand durch das Einbringen der Phase erreicht
wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Matrix aus einem Metall mit einer Bruchdehnung von > 15% bevorzugt > 30% bestehet. Die
Bruchdehnung wird allgemein als Maß für die Duktilität
eines Werkstoffes verwendet. Je stärker ein Metall bis
zum Eintreten des Bruches dehnbar ist, desto stärker lässt
es sich verfor men. In Anbetracht der Tatsache, dass die Vergrößerung
der Kontaktoberfläche durch Mikroverformungen im Bereich
der Kontaktfläche und damit durch eine Glättung
der Oberflächenrauhigkeit zustande kommt, ist es vorteilhaft,
möglichst duktile Werkstoffe für die Matrix des
Materials zum Einsatz kommen zu lassen.
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Als
weiterer Werkstoffkennwert ist bei der Wahl des Werkstoffes für
die Matrix die Streckgrenze zu berücksichtigen. Dieser
Kennwert gibt an, ab welcher Gefügespannung ein Fließen
des metallischen Gefüges zu verzeichnen ist, wodurch beim
Aufsetzen des Kontaktelementes auf die Kontaktfläche des Bauteils
eine Vergleichmäßigung der Oberfläche,
d. h. eine Verringerung ihrer Rauhigkeit und damit eine Vergrößerung
der zur Verfügung stehenden Kontaktoberfläche
eintritt. Vorzugsweise werden als Material für die Matrix
Metalle oder deren Legierungen mit einer Streckgrenze unterhalb
von 150 N/mm2 verwendet.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Matrix
aus Kupfer, Zinn, Indium oder einer mindestens eines dieser Metalle
enthaltenden Legierung besteht. Es hat sich gezeigt, dass derartige
Matrixmaterialien für eine elektrische Kontaktierung hervorragend
geeignet sind. Für die Phase können andererseits
vorteilhaft Nickel, Kobalt, Molybdän oder eine mindestens
eines dieser Metalle enthaltende Legierung verwendet werden. Diese
Materialien bewirken vorteilhaft eine spürbare Verbesserung
des Verschleißwiderstandes, da diese Materialien härter
als der Matrixwerkstoff sind.
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Besonders
vorteilhaft ist jedoch, wenn eine Phase aus Carbon Nanotubes (im
Folgenden CNT) Verwendung findet. Unter Carbon Nanotubes sollen sowohl
single wall- als auch multi wall-Na notubes verstanden werden. Diese
weisen eine oder mehrere rohrförmig geschlossene Schichten
von Kohlenstoffatomen auf, die jeweils einlagig sind und in denen
die Kohlenstoffatome hexagonal angeordnet sind. Es hat sich gezeigt,
dass CNT, wenn diese in eine Metallische Matrix eingebunden sind,
eine spürbare Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit
bewirken. Gleichzeitig lässt sich aufgrund der hohen mechanischen
Stabilität der beschriebenen Strukturen auch eine Verbesserung
des Verschleißwiderstandes der mit CNT dotierten Schichten
feststellen, so dass die so gebildeten Kontaktflächen sowohl
den Anforderungen an die elektrische Übertragung als auch
den Anforderungen an einen höhen Verschleißwiderstand
genügen.
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Eine
Herstellung des erfindungsgemäßen Materials mit
CNT lässt sich beispielsweise der
US 2007/036978 A1 entnehmen.
Es ist möglich, die CNT in einem Elektrolyt zu dispergieren
und anschließend das Matrixmaterial aus dem Elektrolyten
elektrochemisch abzuscheiden. Hierbei werden die CNT in die Matrix
eingebaut. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Verbundschicht
mittels Kaltgasspritzen herzustellen. Hierbei wird ein Strahl von
Partikeln des Matrixwerkstoffes mit Überschallgeschwindigkeit
auf die zu beschichtenden Kontaktflächen geleitet, wobei deren
kinetische Energie ausreicht, um auf der Kontaktfläche
die gewünschte Schicht auszubilden. Die CNT können
in Form von mikropartikulären Agglomeraten oder als Schicht
auf den Teilchen des Matrixwerkstoffes mitverarbeitet werden. Anstelle
der CNT können auch Partikel eines metallischen Werkstoffes,
welcher die härtere Phase in der Matrix ausbildet, zugemischt
werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Stromverteilerschiene mit Schienenverteilerkontakten,
welche als Kontaktflächen gemäß einem
der vorangehenden Ansprüche ausgeführt sind. Diese Stromverteilerschiene
löst die eingangs angegebene Aufgabe, wobei die Schienenverteilerkontakte
vorteilhaft das Anforderungsprofil erfüllen, einerseits
die Übertragung eines vergleichsweise hohen Kontaktstromes
zu gewährleisten und andererseits bei einer Relativbewegung
zwischen dem Schienenverteilerkontakt und einem angeschlossenen
Kontaktelement (beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder Maschinenvibrationen,
Microfretting) einen genügenden Verschleißwiderstand
entgegenzusetzen.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente
sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden
nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede
zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 bis 3 ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Bauteils als Ausschnitt, in dem die Kontaktfläche vor,
während und nach der ersten Kontaktierung mit einem Kontaktelement
dargestellt ist,
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4 ein
anderes Ausführungsbeispiel der Kontaktfläche
unter Einsatz von CNT und
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5 schematisch
ein Ausführungsbeispiel einer Stromverteilerschiene mit
einem Kontaktelement.
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In 1 ist
der Ausschnitt eines Bauteils 11 dargestellt, welches zur
Ausbildung einer Kontaktfläche 12 mit einer Schicht 13 versehen
wurde. Die Schicht 13 weist eine Matrix 14 auf,
in der eine Phase 15 dispers verteilt ist. Die Matrix 14 besteht
aus einem Matrixwerkstoff, vorzugsweise Kupfer oder Zinn oder einer
Legierung dieser Metalle. Die Phase ist ebenfalls metallisch und
besteht beispielsweise aus Nickel.
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Die
Schicht wurde durch Kaltgasspritzen hergestellt, wobei ein Gemisch
von Partikeln aus Nickel und Partikeln aus dem Matrixwerkstoff Kupfer verwendet
wurde. Da die Nickelpartikel härter sind, kann ihre partikuläre
Struktur in der Schicht 13 noch erkannt werden. Diese verformen
sich nämlich beim Aufprall des Kaltgasstrahls weniger,
während der Matrixwerkstoff so stark verformt wird, dass
sich ein weitgehend homogenes Gefüge als Matrix der Schicht
ausbildet.
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Der 1 lässt
sich weiterhin eine übertrieben dargestellte Oberflächenrauhigkeit
RZ1 entnehmen. Diese Oberflächenrauhigkeit
liegt direkt nach Herstellung der Kontaktfläche 12 vor
einer ersten Kontaktierung mit einem Kontaktelement vor. Wird gemäß 2 ein
Kontaktelement 16 auf die Kontaktfläche 12 aufgesetzt,
so wird aufgrund der Duktilität des Matrixwerkstoffes eine
Mikroverformung an der Oberfläche erreicht, deren plastischer
Anteil durch einen Vergleich der 1 und 3 deutlich
wird. Durch Abflachung des Rauhigkeitsprofils ergibt sich nämlich
eine mittlere Rauhigkeit RZ2, die kleiner
als RZ1 ist. Als Folge hiervon vergrößert
sich die effektiv zur Übertragung eines elektrischen Stromes
zur Verfügung stehende Kontaktoberfläche, die
denjenigen Teil der Kontaktfläche 12 gemäß 2 darstellt,
der am Kontaktelement 16 anliegt.
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Der 2 lässt
sich auch der Mechanismus entnehmen, demgemäß der
Verschleißwiderstand der Kontaktfläche 12 vergrößert
wird. Von der Phase 15 ist zu diesem Zweck das spezielle
Partikel 15a zu betrachten, welches einen Teil der Kontaktfläche 12 bildet.
Da dieses Partikel elektrisch leitend ist, bildet es auch gleichzeitig
einen Teil der zur Verfügung stehenden Kontaktoberfläche
zur Übertragung eines elektrischen Stromes. Außerdem
wirkt dieses Partikel verschleißmindernd bei einer Relativbewegung 17 zwischen
Kontaktfläche 12 und Kontaktelement 16.
Hierdurch wird auch der Abtrag der an sich weniger verschleißbeständigen
Matrix 14 verzögert. Bei dem nicht zu verhindernden,
jedoch verlangsamten Verschleiß kommen nach und nach auch
weitere oberflächennahe Partikel 15b zur Wirkung,
die bei einer Abtragung der Matrix 14 nach und nach freigelegt werden.
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In 4 ist
eine Matrix 14 dargestellt, die als Phase CNT 18 enthält.
Wie zu 2 beschrieben, bilden diese einen Teil der Kontaktfläche 12,
die hierdurch eine Verbesserung des Verschleißwiderstandes
erfährt. Gleichzeitig ist in 4 der die
Leitfähigkeit der Matrix verbessernde Effekt angedeutet.
Entlang der Ausrichtung der CNT entsteht nämlich eine Art
Leitpfad mit verringertem elektrischem Widerstand, der strichpunktiert
durch einen Doppelpfeil 19 angedeutet ist. Dieser Effekt
setzt sich bis zur Kontaktfläche fort, so dass die zur
Verfügung stehende Kontaktoberfläche vorteilhaft
mit einer höheren Stromdichte beaufschlagt werden kann.
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Gemäß
5 ist
eine Stromschiene
20 schematisch dargestellt. Diese weist
eine ortsfeste Lagerung
21 auf und ist mittig durch ein
Kontaktelement
16 an einem nicht näher dargestellten
Schienenverteilerkontakt im Punkt P kontaktiert. Angedeutet ist
weiterhin eine wärmeabhängige Längenänderung Δl
der Stromschiene
20. Diese führt dazu, dass der
Punkt P um den Betrag
versetzt wird. Hierdurch
entsteht eine abrasiven Verschleiß bewirkende Relativbewegung
zwischen dem Kontaktelement
16 und dem Schienenverteilerkontakt.
Diesem wird durch die oben beschriebenen Maßnahmen entgegengewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5199553 [0002, 0003]
- - US 2007/036978 A1 [0012]
