DE10222284A1 - Bauteilpaarung und Verfahren zur Einstellung der Materialfließfähigkeit zumindest eines Bauteils einer Bauteilpaarung - Google Patents

Abstract

Um bei einer Bauteilpaarung zweier Bauteile (2, 4) eine hohe und langzeitbeständige Verbindung, insbesondere elektrische Kontaktverbindung, zu gewährleisten, ist bei einem der Bauteile (4) eine Anordnung mehrerer Schichten (6A, 6B) aus unterschiedlichen Materialien zur Einstellung der Materialfließfähigkeit vorgesehen. Die Schichten (6A, 6B) werden insbesondere mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere dem Flammspritzen, aufgebracht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Bauteilpaarung sowie ein Verfahren zur Einstellung der Materialfließfähigkeit zumindest eines Bauteils der Bauteilpaarung.
• Bei einer Bauteilpaarung, beispielsweise einer Bauteilpaarung zur Übertragung von mechanischen Kräften oder einer elektrischen Kontaktverbindung zwischen zwei Kontaktteilen, wird die Qualität, insbesondere das Langzeitverhalten, der Bauteilpaarung durch die bei jedem Material zwangsläufig bei Belastung auftretende Materialfließfähigkeit beeinflusst. Unter Materialfließfähigkeit wird hierbei die Eigenschaft verstanden, dass das Material bei einer Druck-, Zug- oder Scherbeanspruchung der einwirkenden Kraft durch plastische oder elastische Verformung ausweicht. Der Grad der Materialfließfähigkeit hängt dabei entscheidend von der Wahl des Materials ab. Neben der Materialwahl sind auch äußere Einflussfaktoren entscheidend, wie beispielsweise die Temperatur oder der Kontakt mit bestimmten Medien, wie Gasen oder Flüssigkeiten.
• Die Materialfließfähigkeit führt in der Regel dazu, dass insbesondere über längere Zeiträume hinweg die Eigenschaften der Bauteilpaarung sich meist zum Negativen ändern. Bei mechanischen Verbindungen zwischen zwei Bauteilpaaren kann dies zu einer Lockerung der Verbindung führen. Bei einer elektrischen Kontaktverbindung besteht die Gefahr der Reduzierung der Kontaktsicherheit und der Zunahme des Übergangswiderstands, wodurch höhere Temperaturen auftreten können, welche die Materialfließfähigkeit zusätzlich erhöhen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine sichere und langzeitstabile Bauteilpaarung zu ermöglichen.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Bauteilpaarung mit zumindest zwei miteinander verbundenen Bauteilen, wobei die Materialfließfähigkeit zumindest eines der Bauteile durch die Anordnung mehrerer Schichten unterschiedlicher Materialien bestimmt ist. Die Schichten sind dabei vorzugsweise nach Art einer Schichtenfolge übereinander angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anordnung unterschiedlicher Schichten nebeneinander möglich.
• Dieser Ausgestaltung liegt die Idee zu Grunde, durch Kombination unterschiedlicher Schichten das Gesamtfließverhalten geeignet einzustellen. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass sich das Fließverhalten von dünnen Schichten deutlich zu dem Fließverhalten von dicken Bauteilen unterscheidet. Bei dicken Bauteilen können nämlich beispielsweise bei einem Metall die einzelnen Kristallebenen gegeneinander gleiten, so dass das Material eine recht hohe Fließfähigkeit aufweist. Dieses makroskopische Fließverhalten ist bei dünnen Schichten deutlich eingeschränkt, da keine oder nur sehr wenige aneinander vorbeigleitbare Kristallebenen vorhanden sind. Zudem spielen auf Grund der dünnen Schichten Oberflächeneffekte eine deutlich größere Bedeutung als bei dicken Bauteilen. Durch die Anordnung mehrerer Schichten unterschiedlicher Materialien und damit unterschiedlicher Materialfließfähigkeit kann sowohl eine geringe als auch eine beispielsweise in Teilbereichen gewünschte hohe Fließfähigkeit eingestellt werden.
• In einer zweckdienlichen Ausgestaltung sind die Schichten mit einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere dem so genannten Flammspritzen, erzeugt.
• Das thermische Spritzen ist beispielsweise in der DIN 32530 aufgeführt. Unter thermischem Spritzen wird ein strahlgebundenes thermisch-kinetisches Auftragsverfahren verstanden, bei dem allgemein ein Teilchenstrom, nämlich das aufzubringende Material, mit kinetischer Energie und nach Wärmezufuhr auf ein Trägerbauteil gerichtet wird. Der Begriff thermisch ist dabei insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die Teilchen des Teilchenstroms insbesondere erweichen, anschmelzen oder schmelzen, oder dass sie zumindest so weit erwärmt werden, dass sie eine thermische Veränderung der Oberfläche des Trägerbauteils hervorrufen. Die thermische Veränderung kann in einer Reduzierung der Oberflächenhärte, einem Erweichen oder einem Anschmelzen der Oberfläche bestehen. Der Begriff kinetisch ist dahingehend zu verstehen, dass der Impuls der Teilchen ausreichend hoch ist, so dass sie beim Auftreffen auf die Oberfläche in diese - gegebenenfalls zuvor erweichte Oberfläche - zumindest teilweise eingepresst werden. Durch das thermische Spritzverfahren wird dadurch eine sehr gute Verbindung des aufgespritzten Materials mit dem Träger oder einer bereits aufgebrachten Beschichtung erhalten, da die aufgespritzten Partikel quasi einen mikroskalischen Formschluss bilden.
• Ein wesentlicher Vorteil des thermisch-kinetischen Auftragsverfahrens besteht in seiner hohen Flexibilität sowie seiner einfachen und kostengünstigen Handhabung. Mit dem Spritzverfahren lassen sich nahezu beliebige Materialien, wie Kunststoff, Keramik oder Metall, spritzen. Durch geeignete Einstellung von Verfahrensparametern lassen sich zudem die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften der erzeugten Schichten, wie beispielsweise Dicke, geometrische Struktur und Dichte, über einen sehr weiten Bereich variieren. Insbesondere lassen sich auch sehr dünne Schichten erreichen. Ein weiterer Vorteil des thermischen Spritzens ist darin zu sehen, dass keine gesundheitsgefährdenden oder umweltschädlichen Materialien notwendig sind und auch nicht eingesetzt werden, wie dies beispielsweise beim galvanischen Beschichten der Fall ist. Zur Ausbildung einer geometrischen Struktur kann der Teilchenstrahl durch Blenden, elektromagnetische Strahlen oder durch ummantelte Strömungen zielgerichtet geführt werden. Durch diese hohe Variabilität lassen sich daher mit diesem Verfahren auf einfache und kostengünstige Weise die gewünschten Eigenschaften einstellen.
• Beim Auftragen einer Schicht auf einer darunter liegenden Schicht oder auf ein Trägerbauteil kann zudem vorgesehen sein, zunächst eine Keim- oder Haftvermittlerschicht aufzutragen, und erst auf diese dann die Schicht aufzubringen. Durch diese Maßnahme wird eine besonders gute Haftung zwischen den zwei aufeinander folgenden Schichten ausgebildet. Zudem können durch eine geeignete Materialwahl der Keimschicht die elektrischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Übergangswiderstand zwischen den beiden Schichten, eingestellt werden. Zur Erzeugung der Keimschicht werden beispielsweise mit dem Spritzverfahren Pulverpartikel aus einem geeigneten Material aufgetragen. Auf diese Keimschicht wird dann die eigentlich aufzutragende Schicht aufgebracht. Zur Erzeugung der Keimschicht kann alternativ auch ein zusätzlicher Zwischenschritt vorgesehen sein, bei dem die Oberfläche der unteren Schicht behandelt wird, so dass sie in den behandelten Bereichen eine erhöhte Haftung aufweist. Die Veränderung der Hafteigenschaft der Oberfläche der unteren Schicht wird beispielsweise durch Auftragen eines geeigneten Lacks erzielt. Zur Ausbildung der Keimschicht werden dabei insbesondere die Maßnahmen ergriffen, wie sie in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP 02/01896 der Anmelderin vom 22.02.2002 beschrieben sind.
• Als thermisches Spritzverfahren eignet sich insbesondere das so genannte Flammspritzen. Bei diesem Spritzverfahren wird das aufzubringende Material zumindest teilweise aufgeschmolzen, so dass auf Grund des Wärmeeintrags das Trägermaterial, auf das aufgespritzt wird, vorzugsweise zumindest teilweise anschmilzt, so dass eine innige und vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung erzeugt wird. Mit dem Flammspritzen ist ein besonders schnelles und wirtschaftliches Auftragen der Leiterbahn mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand möglich.
• Neben dem Flammspritzen eignet sich auch das so genannte Kaltgasspritzen. Dieses Verfahren ist auch unter dem Begriff Strahlplattieren bekannt. Bei dem Verfahren prallen Teilchen mit sehr hoher kinetischer Energie auf das Trägerbauteil auf. Die Teilchen werden dabei teilweise bis auf Schallgeschwindigkeit oder darüber beschleunigt. Der Durchmesser der Teilchen liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 100 µm. Mit dem Kaltgasspritzen ist ein Masseauftrag mit einer hohen Rate möglich. Auf Grund der hohen kinetischen Energie sind vergleichsweise niedrige Temperaturen ausreichend, so dass die Temperaturbelastung des Trägermaterials, auf das aufgespritzt wird, sowie des Spritzwerkstoffs, also der Teilchen, gering ist.
• Vorzugsweise haben die Schichten jeweils eine Einzelschichtdicke etwa zwischen 10 µm und 80 µm bis hin zu 200 µm. Derartig dünne Schichten weisen kein oder nur noch ein sehr geringes Fließverhalten auf. Die Gesamtfließfähigkeit des Schichtaufbaus wird unter anderem durch die Materialwahl und durch die Wahl der Dicke der einzelnen Schichten eingestellt. Die Gesamtfließfähigkeit des Schichtaufbaus wird dabei neben der Fließfähigkeit der Einzelschichten auch durch die Fließfähigkeit zwischen den Schichten bestimmt. Durch die Wahl der Paarung von benachbarten Schichten und die in der Regel damit zwangsweise verbundene Haftfähigkeit zwischen den Schichten ist die Fließfähigkeit zwischen den einzelnen Schichten beeinflussbar. Dies bedeutet, dass auch durch die Wahl der speziellen Schichtfolge das Gesamtfließverhalten bestimmt wird. Um ein möglichst geringes Gesamtfließverhalten zu erzielen bieten sich daher Haftvermittlerschichten zwischen solchen Schichten an, die eine ungeeignete Haftung zueinander haben.
• Oftmals ist es erforderlich, insbesondere in einem Teilbereich eine definierte Fließfähigkeit einzustellen. Das ist beispielsweise derjenige Teilbereich des ersten Bauteils, mit dem das zweite Bauteil in Kontakt kommt. Dieser Teilbereich kann bei einer elektrischen Kontaktverbindung der Kontaktbereich des Bauteils sein. Um insbesondere in einem solchen Teilbereich eine gewünschte Fließfähigkeit einzustellen beziehungsweise ein Fließen zu verhindern, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest eine der Schichten Erhebungen und/oder Vertiefungen als Fließhindernisse aufweist. Derartige Erhebungen und/oder Vertiefungen bilden daher ein Profil, das nach Art eines Strömungshindernisses wirkt und ein Fließen über die Erhebung und/oder Vertiefungen hinaus verhindert. Daher ist innerhalb eines von Erhebungen und/oder Vertiefung begrenzten Teilbereichs nur ein Fließen innerhalb dieses Teilbereichs, jedoch nicht darüber hinaus möglich.
• Alternativ oder zusätzlich zu diesen Fließhindernissen sind unterschiedliche Schichten oder Schichtenfolgen nebeneinander angeordnet, so dass ein von einem Außenbereich begrenzter Teilbereich gebildet ist, der im Vergleich zum Außenbereich eine andere, insbesondere eine höhere Materialfließfähigkeit aufweist. Dieser Teilbereich ist beispielsweise der Kontaktbereich für die Ausbildung einer elektrischen Kontaktverbindung. Durch die vergleichsweise hohe Fließfähigkeit lediglich in diesem Teilbereich ist eine hohe Kontaktsicherheit auch dann erzielt, wenn das korrespondierende Kontaktteil nicht plan auf der Kontaktebene auftrifft. Durch die relativ hohe Fließfähigkeit des Materials kann das korrespondierende Kontaktteil in das andere Bauteil eindringen. Auf Grund der hohen Fließfähigkeit verdrängt es hierbei einen Teil des Materials des anderen Kontaktteils, welches sich also an die spezielle Geometrie und Lage des zweiten Kontaktteils anpasst, so dass eine großflächige Kontaktierung mit geringem Kontaktwiderstand gebildet ist.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Einstellung der Materialfließfähigkeit zumindest eines Bauteils einer Bauteilpaarung, wobei bei dem einen Bauteil mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht werden. Dabei besteht in einer bevorzugten Ausführungsvariante die Möglichkeit, das gesamte Bauteil durch das thermische Spritzverfahren zu erzeugen.
• Weitere bevorzugte Ausführungsvarianten sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die im Hinblick auf die Bauteilpaarung angeführten Vorteile sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
• Fig. 1 eine Bauteilpaarung, bei der auf einem ersten Bauteil mehrere Schichten übereinander zur Einstellung des Gesamtfließverhaltens angeordnet sind, und
• Fig. 2 eine Bauteilpaarung, bei der auf dem einen Bauteil Schichten unterschiedlicher Materialien nebeneinander angeordnet sind und ein innen liegender Teilbereich mit einer hohen Materialfließfähigkeit ausgebildet ist.
• Gemäß den Fig. 1 und 2 umfasst die Bauteilpaarung jeweils ein erstes Bauteil 2 sowie ein zweites Bauteil 4, auf dem mehrere Schichten 6A, 6B unterschiedlicher Materialien aufgebracht sind. Durch die Schichten 6A, 6B wird die Materialfließfähigkeit des zweiten Bauteils 4 im Verbindungsbereich zum ersten Bauteil 2 eingestellt. In gleicher Weise kann auch die Materialfließfähigkeit des ersten Bauteils 2 eingestellt werden. Die Bauteilpaarung kann eine Bauteilpaarung zur Übertragung von mechanischen Kräften sein, beispielsweise eine Schraub-, Niet- oder sonstige Verbindung. Vorzugsweise wird durch die Bauteilpaarung eine elektrische Kontaktverbindung ausgebildet, so dass zwischen den beiden Bauteilen 2, 4 eine leitfähige Verbindung geschaffen ist. Für diese elektrische Kontaktverbindung ist eine hohe Kontaktsicherheit und ein geringer Kontaktwiderstand von Vorteil. Die Kontaktsicherheit bei der elektrischen Kontaktverbindung oder auch die Verbindungssicherheit bei einer mechanischen Verbindung ist jedoch durch das übliche Materialfließen bei einer herkömmlichen Verbindung gefährdet. Durch die Anordnung der Schichten 6A, 6B und der damit verbundenen gezielten Einstellung des gewünschten Materialfließverhaltens wird der Schwächung der Verbindung sicher und insbesondere auch langfristig entgegengewirkt.
• Nach Fig. 1 ist hierzu eine Schichtenfolge mit aufeinander angeordneten Schichten 6A, 6B vorgesehen. Beide Schichten 6A, 6B weisen eine Erhebung 8 auf, zwischen denen ein Teilbereich 10 begrenzt ist. Dieser Teilbereich 10 hat beispielsweise eine runde, rechteckige oder sonstige Grundfläche. Die Erhebungen 8 können auch einfach als langgestreckte Stege ausgebildet sein. Durch diese Erhebungen 8 wird die Materialfließfähigkeit über die Erhebungen 8 hinaus unterbunden, so dass im Teilbereich 10 ein sehr begrenztes Fließverhalten erzielt ist. Bei einer Druckbelastung in Richtung des Pfeils 11 werden die Kräfte daher in die Schichten 6A, 6B und das zweite Bauteil 4 eingeleitet, wobei keine oder nur eine geringe plastische oder elastische Verformung auftritt.
• Nach Fig. 2 sind die Schichten 6A, 6B nebeneinander angeordnet. Zugleich können jedoch auch unterschiedliche Schichtenfolgen, also aufeinander angeordnete Schichten, vorgesehen sein. Auch hier ist ein Teilbereich 10 gebildet, der von einem Außenbereich 12 begrenzt ist, welcher durch eine der Schichten 6B gebildet ist. Die den Teilbereich 10 bildende Schicht 6A weist im Vergleich zu der äußeren Schicht 6B eine höhere Materialfließfähigkeit auf. Insgesamt hat das zweite Bauteil 4 in dieser Ausführung im Teilbereich 10 eine hohe Fließfähigkeit und im Außenbereich 12 eine sehr geringe oder keine Fließfähigkeit. Im Teilbereich 10 ist ein gewünschtes Fließverhalten erlaubt. Und zwar dient dieses hohe Fließverhalten zur Ausgleichung von Unebenheiten, wenn beispielsweise das erste Bauteil 2 nicht plan sondern schräg auf dem zweiten Bauteil 4 zum Aufliegen kommt. Durch das verkantete Auftreffen wäre bei einer elektrischen Kontaktverbindung zwischen den beiden Bauteilen 2,4 nur eine vergleichsweise geringe Kontaktfläche und damit ein hoher Kontaktwiderstand gebildet. Durch das hohe Fließverhalten im Teilbereich 10 dringt das erste Bauteil 2 in die Schicht 6A ein, verdrängt dabei einen Teil des Materials der Schicht 6A, welches sich insgesamt an das erste Bauteil 2 anschmiegt, so dass eine hohe Kontaktfläche geschaffen ist. Bei einer Druckbelastung tritt also eine auf den Teilbereich 10 begrenzte plastische oder elastische Verformung auf.
• Die Schichten 6A, 6B sind dabei mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mit dem so genannten Flammspritzen erzeugt. Das thermische Spritzen, insbesondere das Flammspritzen, hat die wesentlichen Vorteile, dass es insbesondere im Hinblick auf die verwendeten Materialien sehr flexibel ist. Zudem ist ein selektives, also örtlich begrenztes, Auftragen eines Beschichtungsmaterials ermöglicht. Weiterhin ist der Einsatz von chemisch bedenklichen Zusatzmitteln, wie sie beispielsweise bei einem galvanischen Beschichten notwendig sind, nicht erforderlich. Auch lassen sich mit dem Flammspritzen hohe Prozessgeschwindigkeiten erzielen und es ist ein vergleichsweise geringer technologischer Aufwand notwendig, so dass insgesamt die Verfahrenskosten gering sind. Bezugszeichenliste 2 erstes Bauteil
  4 zweites Bauteil
  6A, 6B Schichten
  8 Erhebung
  10 Teilbereich
  11 Pfeil
  12 Außenbereich
  

Claims (10)

1. Bauteilpaarung mit zumindest zwei miteinander verbundenen Bauteilen (2, 4), bei der die Materialfließfähigkeit zumindest eines der Bauteile (4) durch die Anordnung mehrerer Schichten (6A, 6B) aus unterschiedlichen Materialien bestimmt ist.

2. Bauteilpaarung nach Anspruch 1, bei der die Schichten (6A, 6B) mit einem thermischen Spritzverfahren erzeugt sind.

3. Bauteilpaarung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Schichten (6A, 6B) jeweils eine Einzelschichtdicke etwa zwischen 10 µm und 200 µm haben.

4. Bauteilpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zumindest die eine der Schichten Erhebungen (8) und/oder Vertiefungen als Fließhindernisse aufweist.

5. Bauteilpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zumindest eine Bauteil (4) einen Teilbereich (10) mit einer anderen, insbesondere höheren, Materialfließfähigkeit als ein den Teilbereich (10) begrenzender Außenbereich (12) aufweist, wobei zur Ausbildung des Teilbereichs (10) und des Außenbereichs (12) die unterschiedlichen Schichten (6A, 6B) oder Schichtenfolgen nebeneinander angeordnet sind.

6. Bauteilpaarung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bauteile (2, 4) elektrische Kontaktteile sind, die eine elektrische Kontaktverbindung bilden.

7. Verfahren zur Einstellung der Materialfließfähigkeit zumindest eines Bauteils (4) einer Bauteilpaarung, wobei bei dem einen Bauteil (4) mehrere Schichten (6A, 6B) aus unterschiedlichen Materialien insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Schichten (6A, 6B) mit einer Einzeldicke von etwa 10 µm bis 200 µm erzeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zumindest eine Schicht (6A, 6B) mit Erhebungen (8) und/oder Vertiefungen als Fließhindernisse ausgebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem ein Teilbereich (10) mit einer anderen, insbesondere höheren, Materialfließfähigkeit als ein den Teilbereich (10) begrenzender Außenbereich (12) gebildet wird.