DE102014103722A1

DE102014103722A1 - Verfahren zum Befestigen eines Metallblechs an einer Graphitstruktur mittels eines Hartlöt- und Weichlötverfahrens

Info

Publication number: DE102014103722A1
Application number: DE102014103722.7A
Authority: DE
Inventors: Jianjun Guo; Zhiping Zou; Zonghui ZHENG; Chihang TO
Original assignee: Johnson Electric SA; SHENZHEN JOINT WELDING MATERIAL CO; Shenzhen Joint Welding Material Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Joint Welding Material Co Ltd Cn; Johnson Electric International AG
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-09-25
Also published as: JP2014224030A; US20140287258A1; KR20140115276A

Abstract

Eine Anordnung umfasst eine Graphitstruktur (10), ein Metallblech (40) und eine Hartlotschicht (20), die auf einer Oberfläche der Graphitstruktur (10) angeordnet ist. Die Hartlotschicht (20) wird gebildet durch ein auf die Oberfläche der Graphitstruktur (10) gelötetes Hartlötmaterial und eine Weichlotschicht (30), die auf einer Oberfläche der Hartlotschicht (20) angeordnet ist und das Metallblech (40) mit der Hartlotschicht (20) verbindet. Es werden auch ein Verfahren zum Befestigen eines Metallblechs (20) an einer Kohlenstoffstruktur (10) und ein Verfahren zum Metallisieren einer Graphitstruktur (10) angegeben.

Description

HINTERGRUND
Bei bestimmten Produkten wie beispielsweise einem Kommutator muss Graphit mit einem Metallblech verbunden werden. Aktuell wird in der diesbezüglichen Industrie eine Nickel- oder Kupfermetallschicht auf der Graphitoberfläche gebildet. Dies geschieht durch die Anwendung eines Elektroplattierverfahrens oder eines Sputterverfahrens. Anschließend wird ein Lötmaterial verwendet, dessen Schmelzpunkt bei 450 Grad Celsius (°C) oder darunter liegt, wie zum Beispiel Zinn, um ein Kupferblech auf das Graphit zu löten. Da zwischen der Metallschicht und dem Graphit jedoch keine metallurgische Bindung besteht, fehlt der Verbindung zwischen der Metallschicht und dem Graphit bei einem durch dieses Verfahren hergestellten Kommutator eine ausreichende Festigkeit.
Alternativ wird zwischen dem Graphit und dem Kupferblech ein Hartlötmaterial mit einem Schmelzpunkt von 450°C oder höher aufgetragen, wobei das Graphit, das Kupferblech und das Hartlötmaterial in einem Hochtemperaturofen angeordnet und hartgelötet werden und das Kupferblech dadurch auf dem Graphit fixiert wird. Wegen der großen Unterschiede zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten von Kupfer und Graphit kann das Hartlötverfahren jedoch zur Bildung von großen Rissen in dem Graphit führen.
Hinzu kommt, dass das Kupfer des Kupferbleches durch das Hochtemperatur-Hartlötverfahren unter Umständen geschwächt oder enthärtet wird und dadurch für die Befestigung der Spulen weniger geeignet ist.
Es wird daher ein Verfahren zum Verbinden einer Graphitstruktur und eines Metallblechs benötigt, das auf die vorstehend genannten Probleme gerichtet ist.
ÜBERSICHT
Einige Ausführungsformen sind auf ein Verfahren zum Befestigen eines Metallblechs an einer Graphitstruktur gerichtet, umfassend: das Auftragen eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche der Graphitstruktur; das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur, um auf der Oberfläche der Graphitstruktur eine Hartlotschicht zu bilden; und das Weichverlöten des Metallblechs mit der Hartlotschicht. Einige Ausführungsformen sind auf eine Anordnung gerichtet, umfassend eine Graphitstruktur und ein Metallblech mit einer auf der Oberfläche der Graphitstruktur angeordneten Hartlotschicht und eine Weichlotschicht, die auf einer Oberfläche der Hartlotschicht angeordnet ist und das Metallblech an die Hartlotschicht bindet. Einige Ausführungsformen sind auf ein Verfahren zum Metallisieren einer Graphitstruktur gerichtet, umfassend die Schritte des Auftragens eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche der Graphitstruktur und des Hartverlötens des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen sind Konstruktion und Nutzen von Ausführungsformen dargestellt, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Um die Art und Weise zu verdeutlichen, wie die vorgenannten und weitere Vorteile und Aufgaben der Erfindung erzielt werden, erfolgt eine nähere Beschreibung der Ausführungsformen, die in den anliegenden Zeichnungen dargestellt sind. Diese Zeichnungen zeigen lediglich exemplarische Ausführungsformen, die nicht im Sinne einer Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche zu verstehen sind.
1 zeigt einen Querschnitt einer Graphitstruktur, eines Metallblechs und einer Bindeschicht, die die Graphitstruktur und das Metallblech verbindet, gemäß einigen Ausführungsformen;
2A, 2B sind jeweils Flussdiagramme zur Darstellung eines Verfahrens zum Verbinden einer Graphitstruktur und eines Metallblechs durch eine Bindeschicht gemäß einigen Ausführungsformen.
DETAILBESCHREIBUNG
Verschiedene Merkmale werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die Zeichnungsfiguren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und dass bau- und funktionsgleiche Elemente in sämtlichen Figuren gleich gekennzeichnet sind. Ebenfalls sollte beachtet werden, dass die Figuren, sofern in einer oder in mehreren speziellen Ausführungsformen oder in einem oder mehreren speziellen Ansprüchen nicht anders angegeben, lediglich dem Zweck der Beschreibung und Darstellung der Merkmale dienen, Die Zeichnungsfiguren und die vorliegend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sind keine erschöpfende Darstellung oder Beschreibung von verschiedenen anderen Ausführungsformen und stellen keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche oder des Schutzbereichs weiterer Ausführungsformen dar, die sich dem Fachmann angesichts der in vorliegender Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen erschließen. Ferner muss eine dargestellte Ausführungsform nicht sämtliche dargestellten Aspekte oder Vorteile enthalten.
Ein Aspekt oder ein Vorteil, der in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform beschrieben wird, ist nicht notwendigerweise auf diese Ausführungsform beschränkt und kann auch in anderen Ausführungsformen enthalten sein, selbst wenn dies so nicht dargestellt oder ausdrücklich beschrieben ist. Wenn im Laufe der vorliegenden Beschreibung auf ”einige Ausführungsformen” oder ”andere Ausführungsformen” Bezug genommen wird, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, ein bestimmtes Material, ein bestimmtes Verfahren oder eine bestimmte Charakteristik, die in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben sind, in mindestens einer Ausführungsform enthalten sind. Aus diesem Grund beziehen sich die Formulierungen ”in einigen Ausführungsformen”, ”in einer oder mehreren Ausführungsformen” oder ”in anderen Ausführungsformen” nicht notwendigerweise auf dieselbe(n) Ausführungsform(en).
1 zeigt einen Querschnitt einer Kohlenstoff- oder Graphitstruktur 10 (im Folgenden Graphitstruktur 10), eines Metallblechs 40 und einer Bindeschicht zwischen der Graphitstruktur 10 und dem Metallblech 40, die aus einer Hartlotschicht 20 und einer Weichlotschicht 30 besteht, gemäß einigen Ausführungsformen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Metallblech 40 aus Kupfer, Silber, Aluminium oder anderen Metallarten bestehen.
2A ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 400 zum Befestigen eines Metallblechs an einer Graphitstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt. Anhand eines Beispiels zeigt 1 einen Querschnitt eines Metallblechs 40, das durch die Anwendung des Verfahrens 400 auf der Graphitstruktur 10 befestigt wurde. Das Verfahren 400 beginnt bei Schritt 410, in dem ein Hartlötmaterial auf die Oberfläche der Graphitstruktur 10 aufgetragen wird. Das Hartlötmaterial kann mittels eines Siebdruckverfahrens oder eines Spritzverfahrens auf die Graphitstruktur 10 aufgetragen werden. In einigen Ausführungsformen wird die Graphitstruktur 10 vor dem Auftragen des Hartlötmaterials gereinigt. Das Reinigungsverfahren kann einen oder mehrere der folgenden Vorgänge umfassen: das Schleifen der Oberfläche der Graphitstruktur 10, die das Hartlötmaterial aufnehmen wird, das Spülen der Graphitstruktur 10 mit Alkohol unter Verwendung eines Mittels zur Erzeugung von Ultraschallwellen, das Eintauchen der Graphitstruktur 10 in Aceton und/oder das Trocknen der Graphitstruktur 10.
Anschließend wird in Schritt 420 die Graphitstruktur 10 mit dem aufgetragenen Hartlötmaterial hartverlötet. In einigen Ausführungsformen kann das Hartlöten in einem Vakuumofen erfolgen. Der Vakuumofen kann derart konfiguriert sein, dass der Vakuumgrad 1,0 × 10^–1 Pascal (Pa) oder mehr (z. B. 1,0 × 10^–3 Pa) und die Temperatur 800 Grad Celsius (°C) oder mehr beträgt, wobei die Graphitstruktur 10 und das Hartlötmaterial für eine Dauer von 10 bis 30 Minuten in dem Ofen verbleiben. Selbstverständlich kann die Dauer des Hartlötens 30 Minuten überschreiten, und selbstverständlich kann in anderen Ausführungsformen das Hartlöten in Öfen eines anderen Typs erfolgen. Wie 1 zeigt, bildet das aufgetragene Hartlötmaterial eine Hartlotschicht 20 über der Graphitstruktur 10.
In Schritt 430 wird ein Metallblech 40 auf eine Oberfläche der Hartlotschicht 20 auf der hartgelöteten Graphitstruktur 10 gelötet. 2B ist ein Flussdiagramm, das ein Weichlötverfahren, das dem Lötschritt 430 in dem Flussdiagramm 400 entsprechen kann, gemäß einigen Ausführungsformen darstellt. In Schritt 431 wird ein Weichlötmaterial auf eine Oberfläche der Hartlotschicht 20 auf der hartgelöteten Graphitstruktur 10 aufgetragen. In einigen Ausführungsformen kann das Weichlötmaterial pasten-, pulver- oder schlammförmig sein und mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Hartlotschicht 20 aufgetragen werden. In anderen Ausführungsformen ist das Weichlötmaterial ein massives Teil oder Blech, das auf eine Oberfläche des Metallblechs 40 gelegt wird, wobei die Form jener der Fläche des Metallblechs 40 entspricht.
Anschließend wird in Schritt 432 das Metallblech 40 auf die Oberseite des Weichlötmaterials gelegt. In Schritt 433 werden die Graphitstruktur 10, die die Hartlotschicht 40 trägt, das Weichlötmaterial und das Metallblech 40 für eine bestimmte Dauer in einer Lötumgebung angeordnet. In einigen Ausführungsformen ist die Lötumgebung derart konfiguriert, dass die Temperatur zwischen 130°C und 350°C und die Dauer zwischen 2 und 10 Minuten beträgt. Auf diese Weise wird das Metallblech 40 mit der Hartlotschicht 20 der Graphitstruktur 10 verlötet, wobei zwischen dem Metallblech 40 und der Hartlotschicht 20 eine Weichlotschicht 30 gebildet wird, wie in 1 dargestellt.
Obwohl 2B ein bestimmtes Lötverfahren 430 darstellt, das in einigen Ausführungsformen angewendet werden kann, können in verschiedenen anderen Ausführungsformen selbstverständlich andere Arten von Lötverfahren angewendet werden. Zum Beispiel kann das Metallblech 40 mit einem elektrischen Bügeleisen von Hand auf die Graphitstruktur 10 gelötet werden.
Es wird auf 1 Bezug genommen. Nach dem Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Graphitstruktur 10 in Schritt 420 werden aktive Elemente in dem Hartlötmaterial (wie zum Beispiel Titan, Chrom, Zirkonium und/oder Silizium) chemischen Reaktionen mit dem Kohlenstoffelement auf der Oberfläche der Graphitstruktur 10 unterzogen, wodurch auf der Oberfläche der Graphitstruktur 10 die Hartlotschicht 20 gebildet wird. Die Hartlotschicht 20 umfasst zwei Schichten: eine an das Innere der Graphitstruktur 10 angrenzende Reaktionsschicht 22, die durch chemische Reaktionen zwischen dem Hartlötmaterial und dem Kohlenstoff der Graphitstruktur 10 entsteht, und eine Bindeschicht 24 in Oberflächennähe der Graphitstruktur 10, die durch ein thermisches Verfahren überwiegend aus dem Hartlötmaterial gebildet wird.
Aufgrund von metallurgischen Reaktionen entsteht eine feste Bindung der Reaktionsschicht 22 mit dem Kohlenstoff in der Graphitstruktur 10 und mit der Bindeschicht 44, die vorwiegend Metallelemente enthält. Dadurch bildet das hartgelötete Hartlötmaterial auf der Oberfläche der Graphitstruktur 10 eine solide Metallschicht 22, die durch chemische Reaktionen fest mit dem Kohlenstoff in der Graphitstruktur 10 und mit der Bindeschicht 24, die fest an die Reaktionsschicht 22 gebunden ist, verbunden wird. Die Oberfläche der Graphitstruktur 10 wird dadurch metallisiert und die anschließende Bindung zwischen der Metallschicht 40 und der Graphitstruktur 10 durch den Lötvorgang in Schritt 430 erleichtert.
Da das Metallblech 40 außerdem in einer Umgebung mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur mit der Hartlotschicht 20 weichverlötet wird, wird das Metallblech 40 dadurch nicht enthärtet, und es werden Risse in der Graphitstruktur 10 verhindert, die infolge des großen Unterschieds zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten des Metalls des Metallblechs 40 und des Graphits der Graphitstruktur 10 sonst entstehen würden.
Nachstehend werden verschiedene spezielle Ausführungsformen beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen können verschiedene Materialien und Konfigurationen verwendet werden. Die folgenden Ausführungsformen dienen lediglich Darstellungszwecken und sind nicht im Sinne einer Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche zu verstehen.
Ausführungsform 1
In einer ersten Ausführungsform besteht das Metallblech 40 aus Kupfer, während das Hartlötmaterial ein Titan-Kupfer-Silber-Gemisch enthält. Zum Beispiel kann das Hartlötmaterialgemisch etwa 69% Massenanteile Silber, 27% Massenanteile Kupfer und 4% Massenanteile Titan enthalten. Das Hartlötmaterial wird mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Graphitstruktur 10 aufgetragen. In dem Siebdruckverfahren wird vorzugsweise ein Polyestersieb verwendet, dessen Dicke von 0,5 Millimeter (mm) oder weniger beträgt, so dass das Sieb während des Druckprozesses über die gewünschte Elastizität verfügen kann.
In Schritt 420 wird gemäß der ersten Ausführungsform die das Hartlötmaterial tragende Graphitstruktur 10 für eine Dauer zwischen 13 und 17 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, dessen Vakuumgrad zwischen 1,0 × 10^–1 Pa und 4,0 × 10^–2 Pa und dessen Temperatur zwischen 800°C und 900°C beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vakuumofen konfiguriert für einen Vakuumgrad von etwa 6,0 × 10^–2 Pa und eine Temperatur von 850°C und eine Ofenzeit von 15 Minuten. In einigen Ausführungsformen ist die Ofentemperatur derart ausgelegt, dass sie nach dem Anordnen der Graphitstruktur 10 in dem Ofen um etwa 10° pro Minute erhöht wird, bis die Zieltemperatur von 850°C erreicht ist. Die Temperatur in dem Ofen wird über die Dauer der Ofenzeit (z. B. 15 Minuten) auf der Zieltemperatur gehalten. Anschließend wird die Graphitstruktur 10 gekühlt.
Das in Schritt 430 verwendete Lötmaterial umfasst eine Zinnpaste, die mittels Siebdruck auf die Oberfläche der Hartlotschicht 20 aufgetragen wird. In dem Siebdruckverfahren wird vorzugsweise ein Metallsieb verwendet, dessen Dicke 1 mm oder weniger beträgt, so dass das Sieb beim Aufdrucken des Lötmaterials über die gewünschte Flexibilität verfügen kann. Die hartgelötete Graphitstruktur 10, die Paste und das Kupferblech 40 werden für die Dauer von 2 bis 4 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 250°C und 350° angeordnet und anschließend gekühlt. Das Kupferblech 40 wird dadurch mit der Oberfläche der Hartlotschicht 20 verlötet, wobei die Lötpaste die Weichlotschicht 30 bildet.
Ausführungsform 2
In einer zweiten Ausführungsform besteht das Metallblech 40 aus Kupfer, und das Hartlötmaterial entspricht dem Typ BNi₂ gemäß den Richtlinien der American Welding Society (AWS). Der Auftrag erfolgt mittels eines Spritzverfahrens.
In Schritt 420 wird die Graphitstruktur 10, die die Schicht des Hartlötmaterials entsprechend dem Typ BNi₂ trägt, für die Dauer von 25 bis 35 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, wobei der Ofen für einen Vakuumgrad zwischen 2,0 × 10^–2 Pa und 8 × 10^–3 Pa und eine Temperatur zwischen 1050°C und 1150°C konfiguriert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Vakuumgrad und die Temperatur des Ofens jeweils ausgelegt auf 1,00 × 10^–2 Pa und 1100°C, und die Graphitstruktur 10 wird für eine Dauer von 30 Minuten in dem Ofen angeordnet. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur des Ofens nach dem Anordnen der Graphitstruktur 10 in dem Ofen um etwa 15°C pro Minute erhöht, bis die Zieltemperatur von 1100°C erreicht ist, woraufhin die Ofenzeit von 30 Minuten beginnt. Anschließend wird die Graphitstruktur 10 gekühlt.
In Schritt 430 wird auf die Hartlotschicht 20 eine Lötpaste aufgetragen, die einen Schlamm aus Zinn (Sn) und Bismut (Bi) enthält. In einigen Ausführungsformen enthält der Zinn-Bismut-Schlamm etwa 42% Massenanteile Zinn und 58% Massenanteile Bismut (Sn-58Bi). Die Lötpaste kann mittels Siebdruck aufgetragen werden, wobei vorzugsweise ein Stahlsieb verwendet wird, dessen Dicke 1 mm oder weniger beträgt, damit beim Drucken die gewünschte Flexibilität des Siebs erreicht werden kann.
Die hartgelötete Graphitstruktur 10, die Paste und das Kupferblech 40 werden für eine Dauer von 4 bis 6 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 150°C und 250°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Kupferblech 40 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 20 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 30 bildet.
Ausführungsform 3
In einer dritten Ausführungsform umfasst das Metallblech 40 Silber, und das Lötmaterial kann Titan, Zirkonium, Kupfer und Nickel enthalten und wird gleichmäßig auf die Oberfläche der Graphitstruktur 10 gespritzt. In einigen Ausführungsformen enthält das Hartlötmaterial etwa 40% Massenanteile Titan, 20% Massenanteile Zirkonium, 20% Massenanteile Kupfer und 20% Massenanteile Nickel.
In Schritt 420 wird die Graphitstruktur 10, die die Hartlötmaterialschicht aufweist, für die Dauer von 20 bis 30 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, wobei der Vakuumofen konfiguriert ist für einen Druck zwischen 1,0 × 10^–2 Pa und 3 × 10^–3 Pa und eine Temperatur zwischen 900°C und 1000°C. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Druck ausgelegt auf 8 × 10^–3 Pa und die Temperatur auf 930°C, wobei die Graphitstruktur 10, die das Hartlötmaterial trägt, für eine Dauer von 20 Minuten in dem Ofen verbleibt. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur des Ofens nach dem Anordnen der Graphitstruktur 10 in dem Ofen um etwa 15°C pro Minute erhöht, bis 950°C erreicht sind, woraufhin die Ofenzeit von 30 Minuten beginnt.
In Schritt 430 wird ein Lotstück, dessen Form jener der Graphitstruktur 10 entspricht, über der Hartlotschicht 40 angeordnet. Die Verwendung eines Lotstücks kann das Zusammensetzen erleichtern. Das Lotstück kann Zinn und Kupfer enthalten, zum Beispiel 98% Zinn, 2% Kupfer (Sn-2Cu).
Die hartgelötete Graphitstruktur 10, das Lotstück und das Silberblech 40 werden für eine Dauer von 7 bis 10 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 300°C und 350°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Silberblech 40 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 20 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 30 bildet.
Ausführungsform 4
In einer vierten Ausführungsform besteht das Metallblech 40 aus Aluminium. Es wird ein Hartlötmaterial entsprechend dem Typ BNi₂ gemäß den Richtlinien der American Welding Society (AWS) verwendet. Das Hartlötmaterial kann mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Graphitstruktur 10 aufgetragen werden. In dem Siebdruckverfahren wird vorzugsweise ein Polyestersieb verwendet, dessen Dicke von 0,5 mm oder weniger beträgt, so dass das Sieb während des Druckprozesses über eine bessere Elastizität verfügen kann.
In Schritt 420 wird die Graphitstruktur 10, die die Schicht des Hartlötmaterials entsprechend dem Typ BNi₂ trägt, für eine Dauer von 25 bis 35 Minuten in einem Vakuumofen angeordnet, wobei der Ofen für einen Vakuumgrad zwischen 3,0 × 10^–3 Pa und 1,0 × 10^–3 Pa und eine Temperatur zwischen 1100°C und 1200°C konfiguriert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Vakuumgrad und die Temperatur des Ofens jeweils ausgelegt auf 1,0 × 10^–3 Pa und 1200°C, und die Graphitstruktur 10 wird für eine Dauer von 30 Minuten in dem Ofen angeordnet. In einigen Ausführungsformen wird die Temperatur des Ofens nach dem Anordnen der Graphitstruktur 10 in dem Ofen um etwa 20°C pro Minute erhöht, bis 1200°C erreicht sind, woraufhin die Ofenzeit von 20 Minuten beginnt.
In Schritt 430 wird ein Lotstück, dessen Form jener der Graphitstruktur 10 entspricht, über der Hartlotschicht 20 angeordnet. Die Verwendung eines Lotstücks kann im Vergleich zu einem Auftrag einer Lötpaste oder eines Lötschlamms das Zusammensetzen erleichtern. Das Lotstück kann Zinn und Kupfer enthalten, zum Beispiel 98% Zinn, 2% Kupfer (Sn-2Cu).
Die hartgelötete Graphitstruktur 10, die Paste und das Aluminiumblech 40 werden für eine Dauer von 3 bis 5 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 270°C und 300°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Aluminiumblech 40 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 20 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 30 bildet.
Ausführungsform 5
In einer fünften Ausführungsform umfasst das Metallblech 20 Kupfer. Das Hartlötmaterial ist Hartlötmaterial des Typs BNi₇ gemäß den Richtlinien der American Welding Society (AWS), das mittels eines Siebdruckverfahrens auf eine Oberfläche der Graphitstruktur 10 aufgetragen wird, wobei in dem Siebdruckverfahren vorzugsweise ein Polyestersieb verwendet wird, dessen Dicke 0,5 mm oder weniger beträgt.
Die Graphitstruktur 10 mit dem aufgetragenen BNi₇ Hartlötmaterial wird in einem Ammoniakzersetzungs-Siebbandofen angeordnet, wobei die Bandgeschwindigkeit 1 bis 8 Meter pro Sekunde (m/s) beträgt und die maximale Temperatur zwischen 800°C und 1000°C liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bandgeschwindigkeit des Siebbandofens auf etwa 0,4 m/s und die maximale Temperatur auf 1000°C ausgelegt. In einigen Ausführungsformen ist der Siebbandofen ein Schutzatmosphärenofen oder ein Ofen mit gesteuerter Atmosphäre. Die Schutzatmosphäre kann Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder ein Gemisch derselben enthalten, wobei verschiedene Gase verschiedenen Temperaturen entsprechen können. Es versteht sich daher, dass der Temperaturbereich nicht auf den vorstehend angegebenen Temperaturbereich beschränkt ist.
In Schritt 440 wird ein Lotstück, dessen Form jener der Graphitstruktur 10 entspricht, über der Hartlotschicht 40 angeordnet. Die Verwendung eines Lotstücks kann im Vergleich zu einem Auftrag einer Lötpaste oder eines Lötschlamms das Zusammensetzen erleichtern. Das Lotstück kann Zinn und Indium enthalten, zum Beispiel 49% Zinn, 51% Indium (Sn-51In).
Die hartgelötete Graphitstruktur 10, die Paste und das Kupferblech 40 werden für eine Dauer von 3 bis 5 Minuten in einer Lötumgebung mit einer Temperatur zwischen 130°C und 230°C angeordnet und anschließend gekühlt. Dadurch wird das Kupferblech 40 mit der Oberfläche der Hartlotschicht 20 verlötet, wobei die Lötpaste eine Weichlotschicht 30 bildet.
In der vorstehenden Beschreibung wurden verschieden Aspekte mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass innerhalb des Rahmens der verschiedenen, vorliegend beschriebenen Ausführungsformen Modifikationen und Änderungen möglich sind. Zum Beispiel wurden die vorstehend beschriebenen Systeme und Module mit Bezug auf bestimmte Anordnungen von Komponenten beschrieben. Dennoch können die Ordnung und die räumliche Beziehung zwischen den beschriebenen Komponenten ohne Einfluss auf den Umfang, die Funktion und die Wirksamkeit der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen geändert werden. Auch wenn spezielle Merkmale dargestellt und beschrieben wurden, werden dadurch weder der Schutzumfang der Ansprüche noch der Schutzumfang anderer Ausführungsformen eingeschränkt. Der Fachmann wird vielmehr erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikation möglich sind, ohne den Rahmen der vorliegend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen zu verlassen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen daher lediglich dem Zweck der Erläuterung und der Darstellung und sind nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehen. Die beschriebenen Ausführungsformen umfassen Alternativen, Modifikationen und Äquivalente.

Claims

Verfahren zum Befestigen eines Metallblechs an einer Graphitstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: das Auftragen eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche der Kohlenstoffstruktur; das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur zum Bilden einer Hartlotschicht auf der Oberfläche der Kohlenstoffstruktur; und das Weichverlöten des Metallblechs mit der Hartlotschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffstruktur Graphit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend das Reinigen der Oberfläche der Kohlenstoffstruktur vor dem Auftragen des Hartlötmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Auftrag eines Hartlötmaterials das Auftragen des Hartlötmaterials mittels Siebdruck auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Siebdrucken des Hartlötmaterials das Drucken durch ein Polyestersieb umfasst, dessen Dicke 0,5 Millimeter oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Auftrag eines Hartlötmaterials das Aufspritzen des Hartlötmaterials auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur das Anordnen des Kohlenstoffs mit dem aufgetragenen Hartlötmaterial in einer Umgebung mit einem Vakuumgrad von 1,0 × 10^–1 Pa oder höher und einer vorgegebenen Temperatur von 800°C oder höher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur ein Erhöhen der Temperatur der Umgebung mit einer Rate zwischen 10°C und 20°C pro Minute bis zum Erreichen der vorgegebenen Temperatur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur in einem Ofen unter Schutzatmosphäre mit einer Temperatur von 800°C oder höher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur in einem Ofen unter Schutzatmosphäre das Füllen der Schutzatmosphäre des Ofens mit Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, einem Ammoniakzersetzungsgas oder einer Kombination dieser Gase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Weichlöten des Metallblechs auf die Hartlötschicht umfasst: das Auftragen eines Weichlötmaterials auf die Oberfläche der Hartlotschicht; das Anordnen des Metallblechs über dem Weichlötmaterial; und das Anordnen der Kohlenstoffstruktur und des Metallblechs für eine Dauer zwischen 2 und 10 Minuten in einer Umgebung mit einer Temperatur zwischen 130°C und 350°C.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Auftrag eines Weichlötmaterials das Anordnen einer festen Schicht des Weichlötmaterials, die eine der Form der Kohlenstoffstruktur entsprechende Form aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Auftrag eines Weichlötmaterials das Auftragen einer Lötpaste oder eines Lötpulvers auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Auftrag von Weichlötmaterial das Siebdrucken der Hartlotschicht auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Siebdrucken des Weichlötmaterials das Siebdrucken durch eine Stahlsieb umfasst, dessen Dicke 1 Millimeter oder weniger beträgt.
Anordnung, umfassend eine Kohlenstoffstruktur und ein Metallblech, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung umfasst: eine Hartlotschicht, die auf einer Oberfläche der Kohlenstoffstruktur angeordnet ist, wobei die Hartlotschicht gebildet ist durch das Hartlöten eines Hartlötmaterials auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur; und eine Weichlotschicht, die auf einer Oberfläche der Hartlotschicht angeordnet ist und das Metallblech mit der Hartlotschicht verbindet.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei die Kohlenstoffstruktur Graphit umfasst.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei die Hartlotschicht eine an die Kohlenstoffstruktur angrenzende Reaktionsschicht und eine an die Weichlotschicht angrenzende Bindeschicht umfasst, wobei die Reaktionsschicht gebildet ist durch chemische Reaktionen zwischen dem Hartlötmaterial und dem Kohlenstoff und wobei die Bindeschicht gebildet ist durch Reaktionen der Hartlötmaterialelemente.
Verfahren zum Metallisieren einer Oberfläche einer Kohlenstoffstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: das Auftragen eines Hartlötmaterials auf eine Oberfläche der Kohlenstoffstruktur; und das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das Reinigen der Oberfläche der Kohlenstoffstruktur vor dem Auftragen des Hartlötmaterials.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Kohlenstoffstruktur eine Kohlenstoffstruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das vor dem Auftragen des Hartlötmaterials auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur ferner umfasst: das Schleifen der Oberfläche der Kohlenstoffstruktur, das Spülen der Kohlenstoffstruktur in Alkohol unter Verwendung eines Mittels zum Erzeugen von Ultraschallwellen, das Eintauchen der Kohlenstoffstruktur in Aceton und das Trocknen der Kohlenstoffstruktur.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Hartlötmaterial unter Anwendung eines Siebdruckverfahrens auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei in dem Siebdruckverfahren ein Polyestersieb verwendet wird, das eine Dicke von 0,5 mm oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Hartlötmaterial auf die Oberfläche der Kohlenstoffstruktur aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur das Anordnen des Kohlenstoffs mit dem aufgetragenen Hartlötmaterial in einer Umgebung mit einem Vakuumgrad von 1,0 × 10^–1 Pa oder höher und einer Zieltemperatur von 800°C oder höher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Umgebung derart konfiguriert ist, dass die Temperatur mit einer Rate zwischen 10°C und 20°C pro Minute erhöht wird, bis die Zieltemperatur erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur das Hartverlöten des Hartlötmaterials und der Kohlenstoffstruktur in einem Ofen unter Schutzatmosphäre mit einer Temperatur von 800°C oder höher umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Ofen mit Schutzatmosphäre mit Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniakzersetzungs oder einer Kombination dieser Gase gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das hartgelötete Hartlötmaterial eine Hartlotschicht bildet, die eine an die Kohlenstoffstruktur angrenzende Reaktionsschicht und eine an die Weichlotschicht angrenzende Bindeschicht umfasst, wobei die Reaktionsschicht gebildet wird durch chemische Reaktionen zwischen dem Hartlötmaterial und dem Kohlenstoff und wobei die Bindeschicht gebildet wird durch Reaktionen der Hartlötmaterialelemente.