DE102012220583A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffbauteils sowie Kohleschleifstück - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffbauteils sowie ein Kohleschleifstück, insbesondere Bürste, Schleifring oder Kommutator, wobei das Kohlenstoffbauteil zur Übertragung elektrischer Energie dient, wobei das Kohlenstoffbauteil einen Körper (10) aufweist, wobei ein Kontaktabschnitt (12) des Körpers durch Wärmebehandlung von Kohlenstoffmaterial ausgebildet wird, und wobei der Kontaktabschnitt mit einem metallischen Anschlussabschnitt (13) beschichtet wird, wobei der metallische Anschlussabschnitt mit einer zur Verbindung mit einem Leiter ausgebildeten Anschlussfläche (15) ausgebildet wird, wobei der Anschlussabschnitt durch eine metallische Beschichtung des Kontaktabschnittes mittels Atmosphärendruckplasma ausgebildet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffbauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Kohleschleifstück, insbesondere Bürste, Schleifring oder Kommutator, wobei das Kohlenstoffbauteil zur Übertragung elektrischer Energie dient, wobei das Kohlenstoffbauteil einen Körper aufweist, wobei ein Kontaktabschnitt des Körpers durch Wärmebehandlung von Kohlenstoffmaterial ausgebildet wird, und wobei der Kontaktabschnitt mit einem metallischen Anschlussabschnitt beschichtet wird, wobei der metallische Anschlussabschnitt mit einer zur Verbindung mit einem Leiter ausgebildeten Anschlussfläche ausgebildet wird.
  • Derartige Kohlenstoffbauteile bzw. Kohle- oder Grafitschleifstücke sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden in vielen elektrischen oder elektromechanischen Geräten bzw. Anwendungen eingesetzt. Insbesondere der metallische Anschlussabschnitt dient zur Kontaktierung oder Verbindung des Kohlenstoffbauteils mit einem Leiter oder einem als Leiter ausgebildeten Halteelement eines Kohleschleifstücks. Der Anschlussabschnitt wird durch elektrolytische Verfahren ausgebildet, wobei sehr viele Verfahrensschritte erforderlich sind. So ist das Kohlenstoffmaterial des Kontaktabschnittes vorzubehandeln, damit galvanische Schichten daran haften können. Insgesamt wird dadurch die Herstellung des Kohlenstoffbauteils vergleichsweise teuer. Derartig beschichtete Kohlenstoffbauteile bzw. Kohleschleifstücke werden in der Elektrotechnik, in Elektromotoren als Schleifring oder Kommutator, als Bürste oder bei sonstigen elektrischen Gleitkontakten, wie z. B. als Schleifleiste für Stromabnehmer, verwendet.
  • Neben elektrolytischen Verfahren kann der Anschlussabschnitt auch durch ein Pressverfahren hergestellt werden, bei dem eine metallhaltige Schicht bzw. der Anschlussabschnitt zeitgleich mit einer Kohlenstoffschicht bzw. dem Kontaktabschnitt verpresst wird. Dabei ist jedoch zur Ausbildung der metallhaltigen Schicht eine ausreichend hohe Temperatur erforderlich, was eine Verwendung der Kohlenstoffschicht bzw. des Kontaktabschnittes stark einschränkt. Zur Bindung der Kohlenstoffschicht werden regelmäßig Polymere verwendet, bei denen durch eine starke Erwärmung eine Materialveränderung eintritt. So ist es kaum möglich, mit diesem Verfahren polymergebundene Kohlenstoffschichten mit einer hochmetallhaltigen Schicht hoher Festigkeit im Verbund herzustellen. Auch ist eine Prozessführung eines derartigen Pressverfahrens durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kohlenstoffmaterials und des metallhaltigen Materials schwierig und erfordert aufwändige Maßnahmen zur Qualitätssicherung.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffbauteils sowie ein Kohleschleifstück vorzuschlagen, das eine vergleichsweise kostengünstige und einfache Herstellung eines Kohlenstoffbauteils ermöglicht, ohne dass das Kohlenstoffbauteil aufgrund des Herstellungsverfahrens bedingte Nachteile aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Kohleschleifstück mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffbauteils, wird ein Kohlenstoffbauteil ausgebildet, welches zur Übertragung elektrischer Energie dient, wobei das Kohlenstoffbauteil einen Körper aufweist, wobei ein Kontaktabschnitt des Körpers durch Wärmebehandlung von Kohlenstoffmaterial ausgebildet wird, und wobei der Kontaktabschnitt mit einem metallischen Anschlussabschnitt beschichtet wird, wobei der metallische Anschlussabschnitt mit einer zur Verbindung mit einem Leiter ausgebildeten Anschlussfläche ausgebildet wird.
  • Bei dem Verfahren wird der Kontaktabschnitt durch Pressen und einer eventuell nachfolgenden Wärmebehandlung von Kohlenstoffmaterial ausgebildet. Grundsätzlich ist es zwar möglich, auch auf andere Weise hergestellte Kohlenstoffmaterialien mit dem Verfahren zu beschichten, mittels eines Pressverfahrens hergestellte Kontaktabschnitte sind jedoch besonders kostengünstig und einfach herstellbar. Auch ist es dann möglich, auf eine Materialzusammensetzung des Kontaktabschnittes durch Zugabe weiterer Materialien Einfluss zu nehmen und so für einen jeweiligen Anwendungsfall wünschenswerte Eigenschaften des Kontaktabschnittes auszubilden.
  • Beim Atmosphärendruckplasma oder auch AD-Plasma bzw. Normaldruckplasma, wird die metallische Beschichtung bei einer den Kontaktabschnitt umgebenden, natürlichen Atmosphäre bzw. einem sogenannten Normaldruck aufgebracht. Im Gegensatz zu einem Niederdruckplasma oder Hochdruckplasma ist beim Atmosphärendruckplasma kein Reaktionsgefäß, welches für eine Aufrechterhaltung eines zum Atmosphärendruck unterschiedlichen Druckniveaus oder abweichender Gasatmosphären sorgt, erforderlich. Eine Beschichtung mittels Atmosphärendruckplasma ist allein aus diesem Grund schon besonders kostengünstig und einfach durchzuführen. Wie sich weiter herausgestellt hat, ist ein derartiges Beschichtungsverfahren besonders vorteilhaft zur metallischen Beschichtung von Kohlestoffbauteilen einsetzbar, da eine Polymerbindung eines Kohlenstoffs des Kontaktabschnittes durch das Verfahren nicht wesentlich beeinflusst wird. Auch ist keine besondere oder kostenaufwändige Behandlung einer zu beschichtenden Oberfläche des Kontaktabschnittes notwendig, so dass das metallische Beschichtungsmaterial ohne großen verfahrenstechnischen Aufwand auf die dafür vorgesehene Oberfläche des Kontaktabschnittes mittels Atmosphärendruckplasma zur Ausbildung des metallischen Anschlussabschnittes aufgebracht werden kann. Insgesamt wird durch das Atmosphärendruckplasma das Bindungsmaterial der Kohlenstoffschicht nicht so weit erhitzt, dass eine Schwächung oder Zerstörung eines Bindungsgefüges erfolgt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann das Kohlenstoffbauteil zur Übertragung elektrischer Energie auf ein relativ zum Kohlenstoffbauteil bewegbares Gegenstück dienen, wobei der Kontaktabschnitt dann aus einem konsumierbaren Kohlenstoffmaterial mit einer zur Anlage am Gegenstück ausgebildeten Kontaktfläche ausgebildet werden kann. So kann besonders einfach beispielsweise ein Kohleschleifstück ausgebildet werden.
  • Weiter ist es möglich, eine Oberfläche des Kontaktabschnittes nahezu vollständig mit der metallischen Beschichtung zu versehen, jedoch kann vorzugsweise die metallische Beschichtung alleine auf eine der Kontaktfläche gegenüberliegende Seitenfläche des Kontaktabschnittes aufgebracht werden. Bei einer Bürste kann dies eine rückwärtige, der Kontaktfläche abgewandte Seitenfläche, und bei einem Schleifring oder Kommutator eine radiale Innenfläche und/oder eine Kreisringfläche sein. Für eine Anwendung kann sich durch eine solche Beschichtung bei einer Bürste der große Vorteil eines geringen elektrischen Widerstandes ergeben, obwohl das Kohlenstoffbauteil fast vollständig aus Kohlenstoff besteht und daher sehr gute Laufeigenschaften aufweist. Dies kann zu einer Leistungssteigerung eines Motors führen bei gleich guter Kommutierung.
  • Der Kontaktabschnitt kann zumindest 80 Gewichtsprozent Kohlenstoff, vorzugsweise zumindest 95 Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweisen bzw. aus einem derartigen Material ausgebildet werden. Dadurch besteht dann der Kontaktabschnitt zu einem Großteil aus Kohlenstoff, was bei einer Verwendung des Körpers als Kohleschleifstück wünschenswert ist.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens kann ein thermoplastisches Bindemittel für das Kohlenstoffmaterial verwendet werden. Da beim Aufbringen der metallischen Beschichtung mittels des Atmosphärendruckplasmas das thermoplastische Bindemittel keinen unzuträglichen Temperaturen ausgesetzt ist, ist die Verwendung des thermoplastischen Bindemittels ohne Einschränkung zur Ausbildung des Kontaktabschnittes möglich.
  • Als ein Bindemittel können beispielsweise Polyphenylensulfid, Polyamid oder Polyetheretherketon verwendet werden. Derartige Bindemittel haben sich als besonders geeignet zur Herstellung des Kontaktabschnittes in Verbindung mit der metallischen Beschichtung erwiesen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann ein duroplastisches Bindemittel für das Kohlenstoffmaterial verwendet werden. Auch hier liegt dann im Wesentlichen keine Einschränkung bei der Verwendung des duroplastischen Bindemittels durch die metallische Beschichtung mittels Atmosphärendruckplasma vor.
  • Als ein duroplastisches Bindemittel kann beispielsweise Phenolharz, Epoxidharz oder Melaminharz verwendet werden.
  • Auch ist es möglich, das Bindemittel, wie z. B. Phenolharz oder Pech, durch eine Temperaturbehandlung in einem weiteren Verfahrensschritt zu verkoken und so in Kohlenstoff umzuwandeln. Diese Verkokung des Bindemittels kann in einem gesteuerten Prozess mittels Temperaturbehandlung erfolgen. Insgesamt wird es so möglich, einen Kohlenstoffanteil des Kontaktabschnittes noch weiter zu erhöhen und gegebenenfalls eine Bindung des Kohlenstoffmaterials des Kontaktabschnittes noch weiter zu verbessern.
  • Auch kann vor der metallischen Beschichtung eine Grafitierung des Kontaktabschnittes durchgeführt werden. Die Grafitierung kann beispielsweise durch eine Wärmebehandlung des Kontaktabschnittes mit Temperaturen von mindestens 2000°C erfolgen. Durch die Grafitierung können die Material- und Bindungseigenschaften des Kontaktabschnittes verbessert werden, wodurch auch eine bessere Haftung der metallischen Beschichtung erzielt werden kann.
  • Die metallische Beschichtung kann aus einer Metalllegierung ausgebildet werden. Grundsätzlich ist es zwar möglich, die metallische Beschichtung aus einem im Wesentlichen sortenreinen Metall auszubilden, jedoch kann je nach Anwendungsfall auch eine entsprechend angepasste Metalllegierung, wie z. B. Messing, verwendet bzw. ausgebildet werden.
  • Weiter kann die Beschichtung aus mehreren Schichten ausgebildet werden bzw. mehrere Schichten aufweisen. Beispielsweise kann zunächst eine erste Schicht mit einem ersten Metall auf den Kontaktabschnitt und nachfolgend eine zweite Schicht mit einem zweiten Metall auf die erste Schicht aufgebracht werden. So kann für die mit dem Kontaktabschnitt verbundene erste Schicht ein Metall oder eine Legierung von Metallen ausgewählt werden, die sich besonders gut für eine Verbindung mit Kohlenstoffmaterial eignet. Für die auf die erste Schicht aufgebrachte weitere Schicht oder Schichten können Metalle oder Legierungen ausgewählt werden, die sich beispielsweise gut zur Ausbildung eines elektrischen Anschlusses bzw. der Anschlussfläche eignen. Der Anschlussabschnitt wird dann durch mehrere metallische Schichten ausgebildet.
  • So kann die metallische Beschichtung aus zumindest einer ersten Schicht aus Kupfer und einer zweiten Schicht aus Zinn ausgebildet werden.
  • Kupfer eignet sich besonders gut zur Verbindung mit dem Kontaktabschnitt aus Kohlenstoffmaterial, wobei das Kupfer leicht mit Zinn beschichtet bzw. benetzt werden kann. In diesem Fall ist es noch nicht einmal erforderlich, das Zinn mittels Atmosphärendruckplasma auf das Kupfer bzw. die Kupferschicht aufzubringen, da dies durch ein einfaches Lötverfahren erfolgen kann.
  • Weiter kann eine Schicht aus Kupfer mit einer Dicke von ≤ 1000 μm, bevorzugt ≤ 250 μm, und besonders bevorzugt ≤ 50 μm und/oder eine Schicht aus Zinn mit einer Dicke von ≤ 30 μm ausgebildet werden. Derartige Schichtdicken haben sich für eine Funktion des Anschlussabschnittes als ausreichend und geeignet erwiesen.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Kontaktabschnitt quaderförmig ausgebildet werden. So ist es dann beispielsweise möglich, das Kohlenstoffbauteil als ein Kohleschleifstück bzw. eine Kohlebürste auszubilden.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Verfahrens kann der Kontaktabschnitt ringförmig ausgebildet werden. Das Kohlenstoffbauteil kann dann als ein Kohleschleifstück bzw. ein Schleifring oder ein Kommutator ausgebildet werden.
  • Weiter kann im Rahmen des Verfahrens ein elektrischer Leiter mit der metallischen Beschichtung durch Klemmen, Löten oder Schweißen verbunden werden. So kann der Körper an der metallischen Beschichtung beispielsweise mit einer Litze verlötet werden. Weiter ist es möglich, einen metallischen Träger an der metallischen Beschichtung zu klemmen oder mit dieser stoffschlüssig zu verbinden, so dass mittels des metallischen Trägers neben einer Übertragung elektrischer Energie auch eine Befestigung des Kohlenstoffbauteils in der dafür vorgesehenen Position erfolgen kann.
  • Weiter betrifft die Erfindung ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Kohleschleifstück, insbesondere Bürste, Schleifring oder Kommutator, wobei das Kohleschleifstück einen Körper aufweist, der aus einem konsumierbaren Kontaktabschnitt mit einer zur Anlage am Gegenstück ausgebildeten Kontaktfläche und einem metallischen Anschlussabschnitt mit einer zur Verbindung mit einem Leiter ausgebildeten Anschlussfläche ausgebildet wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des Kohleschleifstücks ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 zurückbezogenen Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe umfasst ein erfindungsgemäßes Kohleschleifstück. Bei der Kraftstoffpumpe können sowohl Bürsten als auch ein Schleifring bzw. ein Kommutator mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet sein.
  • Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen Körper 10 bzw. Schleifkörper für einen hier nicht näher dargestellten Kommutator in einer Längsschnittansicht. Der Körper 10 ist relativ zu einer Längsachse 11 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Weiter ist der Körper 10 aus einem konsumierbaren bzw. verschleißbaren Kontaktabschnitt 12 aus einem Kohlenstoffmaterial und einem metallischen Anschlussabschnitt 13 ausgebildet. Der Kontaktabschnitt 12 bildet eine kreisringförmige Kontaktfläche 14 aus, die mit Kohlebürsten zur Übertragung elektrischer Energie kontaktiert werden kann. Der Anschlussabschnitt 13 bildet eine der Kontaktfläche 14 gegenüberliegende Anschlussfläche 15 aus. Die Anschlussfläche 15 ist zur Verbindung mit einem hier nicht gezeigten metallischen Trägerelement vorgesehen, so dass der Körper 10 zusammen mit dem Trägerelement einen Kommutator bildet.
  • Eine Herstellung des Körper 10 erfolgt zunächst durch die Ausbildung des Kontaktabschnittes 12 durch Sintern eines Kohlenstoffmaterials zusammen mit einem Bindemittel auf Polymerbasis. Der Kontaktabschnitt 12 wird dann auf einer der Kontaktfläche 14 gegenüberliegenden Seitenfläche 16 des Kontaktabschnittes 12 mittels Atmosphärendruckplasma mit einer ersten Schicht 17 beschichtet, welche im Wesentlichen aus Kupfer besteht. Nachfolgend wird auf der ersten Schicht 17 eine zweite Schicht 18 mittels Atmosphärendruckplasma aufgebracht, die im Wesentlichen aus Zinn besteht. Die zweite Schicht 18 bildet folglich die Anschlussfläche 15 aus.
  • Weiter ist in dem Körper 10 eine Durchgangsöffnung 19 zur Aufnahme einer hier nicht näher dargestellten Achse eines Läufers ausgebildet.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffbauteils, wobei das Kohlenstoffbauteil zur Übertragung elektrischer Energie dient, wobei das Kohlenstoffbauteil einen Körper (10) aufweist, wobei ein Kontaktabschnitt (12) des Körpers durch Wärmebehandlung von Kohlenstoffmaterial ausgebildet wird, und wobei der Kontaktabschnitt mit einem metallischen Anschlussabschnitt (13) beschichtet wird, wobei der metallische Anschlussabschnitt mit einer zur Verbindung mit einem Leiter ausgebildeten Anschlussfläche (15) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussabschnitt durch eine metallische Beschichtung des Kontaktabschnittes mittels Atmosphärendruckplasma ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffbauteil zur Übertragung elektrischer Energie auf ein relativ zum Kohlenstoffbauteil bewegbares Gegenstück dient, wobei der Kontaktabschnitt (12) aus einem konsumierbaren Kohlenstoffmaterial mit einer zur Anlage am Gegenstück ausgebildeten Kontaktfläche (14) ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf eine der Kontaktfläche (14) gegenüberliegende Seitenfläche (16) des Kontaktabschnittes (12) aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktabschnitt (12) zumindest 80 Gewichtsprozent Kohlenstoff, vorzugsweise zumindest 95 Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastisches Bindemittel für das Kohlenstoffmaterial verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Polyphenylensulfid, Polyamid oder Polyetheretherketon verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein duroplastisches Bindemittel für das Kohlenstoffmaterial verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Phenolharz, Epoxidharz oder Melaminharz verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel durch eine Temperaturbehandlung verkokt und in Kohlenstoff umgewandelt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Beschichtung eine Grafitierung des Kontaktabschnittes (12) durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einer Metalllegierung ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mehreren Schichten (17, 18) ausgebildet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus zumindest einer ersten Schicht (17) aus Kupfer und einer zweiten Schicht (18) aus Zinn ausgebildet wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (17) aus Kupfer mit einer Dicke von ≤ 1000 μm, bevorzugt ≤ 250 μm, und besonders bevorzugt ≤ 50 μm und/oder eine Schicht (18) aus Zinn mit einer Dicke von ≤ 30 μm ausgebildet wird.
  15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktabschnitt quaderförmig ausgebildet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktabschnitt (12) ringförmig ausgebildet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Leiter mit der Beschichtung durch Klemmen, Löten oder Schweißen verbunden wird.
  18. Kohleschleifstück, insbesondere Bürste, Schleifring oder Kommutator, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kohleschleifstück einen Körper (10) aufweist, der aus einem konsumierbaren Kontaktabschnitt (12) mit einer zur Anlage am Gegenstück ausgebildeten Kontaktfläche (14) und einem metallischen Anschlussabschnitt (13) mit einer zur Verbindung mit einem Leiter ausgebildeten Anschlussfläche (15) ausgebildet wird.
  19. Kraftstoffpumpe mit einem Kohleschleifstück nach Anspruch 18.
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