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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung einer thermomechanisch stabilen Kontaktierung zwischen
allgemein einem metallischen Aufnahmeelement, beispielsweise Ring,
Hülse,
Muffe, Flansch etc., und einem darin angeordneten vorzugsweise stiftförmigen keramischen
Element, welches sowohl vollständig
in dem Aufnahmeelement aufgenommen als auch ein- bzw. beidseitig
aus diesem herausragen kann. Derartige Verbunde finden insbesondere
Anwendung bei der Herstellung von Glühkerzen für Dieselmotoren, wobei die
kontaktierende Verbindung einer hohen thermischen und mechanischen
Beanspruchung ausgesetzt ist.
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Für
die Herstellung von Glühkerzen
zur Verwendung in Dieselmotoren sind unterschiedliche Konstruktionen
bekannt. Dabei werden Drähte
(beispielsweise in
US 5,750,958 ;
EP 0 648 978 T1 ,
EP 0 678 978 B1 ,
EP 0 647 978 A3 )
oder elektrisch leitfähige
Schichten (z. B.
DE 44 33 505 )
in keramische Materialien oder elektrisch leitfähige Partikel (
US 5,519,187 ) schichtweise in keramische
Materialien eingebracht. Die leitenden Materialien haben in der Regel
eine U-förmige
Gestalt, wobei sich das geschlossene Teil der U-Form an einem Ende
des Stabes befindet, die offenen Enden der U-Form hingegen am anderen
Ende oder an der Mantelfläche
enden. Wird an diesen Enden eine Spannung angelegt, so führt der
Strom zur Erwärmung
der elektrisch leitenden Materialien und der sie umgebenden Keramik.
Die hierdurch erreichbaren Temperaturen werden zur Zündung eines
Brennstoff-Luft-Gemisches, wie in Dieselmotoren, verwendet. Die
umhüllende Keramik
wirkt sowohl als Isolator wie auch als Oxidationsschutz. Die Gesamtkonstruktion,
also Keramik und darin enthaltene leitfähige Schichten, Drähte, etc.
wird in den Patentschriften als "keramische
Elektrode" oder "keramischer Glühstift" bezeichnet. Dies ist
nicht zu verwechseln mit einer insgesamt elektrisch leitenden Keramik,
die als Elektrode eingesetzt wird, wie beispielsweise gemäß
DE 198 44 329 A1 . Das
Kernproblem, welches hingegen die vorliegende Erfindung lösen soll,
ist die Kontaktierung von am Mantel des vorzugsweise stiftförmigen Elementes austretenden
elektrisch leitfähigen
Materialien.
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Auf Grund der schnellen und immer
wieder erfolgenden Erwärmung
ist die Kontaktstelle einer hohen Belastung unterworfen. Mit der
Lösung
des besagten Problems haben sich bereits eine Reihe von Patentschriften
(beispielsweise
DE
198 44 347 A1 ,
US 6,130,410 ,
DE 100 20 328 A1 ,
DE 100 23 395 A1 ,
US 5,519187 ,
WO 01/16529 ,
EP 1 125 086 A1 ,
WO 00/19772 ,
EP 1 1 25 475 A2 ,
EP 1 050 717 A1 ,
EP 0 106 232 A1 )
beschäftigt.
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Es besteht die Schwierigkeit, bei
Temperaturen bis 600°C
zwischen einer Keramikelektrode und mit einem metallischen (elektrisch
leitenden) Anschluss trotz der sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
eine stabile Kontaktierung zu schaffen und zu erhalten. Bei Erwärmung dehnt
sich das Metall stärker
aus als die Keramik, so dass der Kontakt verloren geht; bei Abkühlung schrumpft
das Metall auf die Keramik auf. Die hierbei entstehenden thermisch
induzierten Spannungen zerstören
bzw. gefährden
die spröde
Keramik.
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Zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung
sind grundsätzlich
alle klassischen Verbindungstechniken, wie beispielsweise eine mechanische
Verbindung in Form einer Schelle, Verschweißen, Kleben, Löten, denkbar.
Da diese Verbindung aber elektrisch leitfähig und im Temperaturbereich von –40°C bis über +600°C mit eine
Scherspannung von 0,3–13
MPa belastbar sein müssen,
findet sich in der Literatur kein befriedigender Ansatz zur Lösung dieses
Problems. Bei Zwischenschichten aus Kohlepulver, Metallpulver, Mischung
aus Metallpulver und Keramikpulver (
DE 198 44 347 A1 ) ist keine hinreichende
mechanische Kraftübertagung
gewährleistet und
der elektrische Kontakt ist nur durch ein Pulver gegeben, dessen
Stromtragfähigkeit
begrenzt ist. Auch ein aus Graphitfolie gewickelter Hohlzylinder, wie
ebenfalls in
DE 198
44 347 A1 beschrieben, ist nicht in der Lage größere Kräfte aufzunehmen.
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Aus anderen Patentschriften sind
Versuche erkennbar, das Problem durch unterschiedliche Konstruktionen
zu lösen.
Diese haben aber verschiedene, unter anderem fertigungstechnische
Schwierigkeiten. So wird in
US
6,130,410 eine Glasschicht genannt, welche die Metallhülse befestigen
soll, der eigentliche Kontakt wird aber mittels eines Drahtes um die
Schicht herum gleitet. In
DE
100 20 328 .41 wird mit einer Tablette aus elektrisch leitfähigem Pulver gearbeitet.
Diese wird mit dem zu verbindenden Stift stirnseitig kontaktiert
und mit dem metallischen Ring radial "verstemmt". Durch eine "elastische Vorspannung" sollen u. a. die
thermischen Spannungen und Schwingungsbeanspruchung ausgeglichen
werden. In
DE 100
23 395 A1 wird die Kontaktierung möglichst weit aus dem Brennraum
heraus an die Mantelfläche
verlagert, eine Zwischenschicht wird hier nicht beschrieben. In
US 5,519187 wird eine Kontaktierung
mit einer Hartlötlegierung
und leitfähigen
Partikeln offenbart.
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Trotz der zahlreichen Veröffentlichungen, welche
auch die Bemühungen
der Wissenschaft auf diesem speziellen Gebiet demonstrieren, ist
es offenbar nicht gelungen, eine zufriedenstellend thermomechanisch
stabile und zudem fertigungstechnisch einfache Kontaktierung zu
erreichen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zu Grunde, eine auch bis zu Temperaturen von mehr als 600°C dauerhaft
mechanisch feste, druckstabile und zuverlässige elektrisch leitfähige Verbindung
zwischen einem metallischen Aufnahmeelement und einem darin angeordneten
vorzugsweise stiftförmigen keramischen
Element zu schaffen, die aufwandgering herstellbar ist und weder
bei Herstellung noch bei Anwendung die Gefahr einer Schädigung des
keramischen Elementes in sich birgt.
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Erfindungsgemäß wird das vorzugsweise stiftförmige keramische
Element über
eine ein- oder mehrlagige
kompakte, hochporöse
und elektrisch leitende Zwischenschicht als Fügemedium mit dem metallischen
Aufnahmeelement (Hülse,
Muffe, Ring, Flansch etc.) zusammengefügt. Diese Zwischenschicht ermöglicht durch
ihre kompakte, aber poröse Beschaffenheit
sowohl eine feste als auch werkstoffelastische Verbindung, welche
auch bei extrem hohen Temperaturen, insbesondere über 500°C, und trotz
unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Fügeelemente eine feste und dauerhaft
stabile Verbindung mit zuverlässiger
elektrischer Kontaktierung gewährleistet.
Untersuchungen haben ergeben, dass eine solche Zwischenschicht beispielsweise durch
an sich und insbesondere für
Filterzwecke (z. B. BEKIPOR®ST)
bekanntes gesintertes oder ungesintertes Metallfaservlies oder auch
durch ebenfalls für
Filterzwecke bekanntes gesintertes Drahtgewebe realisiert werden.
Weitere Möglichkeiten
bestehen in der Verwendung metallischer Schäume und durch Einsatz gesinterter
poröser
Metalle. Über
Verwendungen derartiger Materialien zur hochbelastbaren thermomechanisch
stabilen elektrischen Kontaktierung zwischen Elemen ten, insbesondere
spröder Materialien,
unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten ist in der
Fachwelt nichts bekannt geworden.
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Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Fügeschicht
gegenüber
Pulvern ist, dass hier keine Schichtbestandteile aneinander abgleiten,
was eine dauerhafte Formänderung
der Zwischenschicht zur Folge hätte.
Vielmehr wird das elastische Verhalten eines kompakten Materials
ausgenutzt, welches zwar massiv ist, aber Poren aufweist. Damit
wird eine Werkstoffelastizität
der Fügeschicht
bewirkt, wobei durch Volumenanteil und Orientierung der Poren in einem
massiven Werkstoff der Elastizitätsmodul
je nach Verwendungszweck gezielt eingestellt werden kann. Hierüber sowie über die
Materialstärke
kann der Verformungsweg beeinflusst werden, um rein elastische Verformungen
in der Zwischenschicht selbst zu gewährleisten. Die Zwischenschicht
ist somit in der Lage, auf unterschiedliche Dehnungen zu reagieren
und sorgt zudem für
eine Flächenverteilung
jeglicher Krafteinwirkung bei Herstellung der Fügeverbindung und/oder deren
Anwendung, so dass die Gefahr von Schädigungen des keramischen Elementes,
beispielsweise durch Punktlasten und Biegemomente, weitgehend vermieden
wird.
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Die hohe Porosität ermöglicht das zusätzliche
Einbringen von weiteren funktionalen Materialien, z. B. der Infiltration
mit besonders elektrisch leitfähigem
Material, oder dem Einflechten oder Einnähen von Kupferfasern, die in
radialer Richtung einen Kontakt mit hoher Leitfähigkeit zwischen Aufnahmeelement
und Keramik ergeben, ohne dabei nennenswerte Kräfte auf die Keramik auszuüben.
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Der Herstellungsprozess ist außerdem relativ
aufwandgering, da sich sowohl das Einbringen der beispielsweise
vliesartigen Zwischenschicht (Einlage in das metallische Aufnahmeelement
oder Auflage auf die Keramik) als auch die Fügeverbindung selbst (Fügen des
keramischen Elementes, des metallischen Aufnahmeelements sowie der
ein- oder aufgelegten
Zwischenschicht) technologisch gut automatisieren lässt.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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- 1:
Kontaktierung eines Keramikstiftes in einer Metallhülse als
Aufnahmeelement
- 2: Herstellung der
Fügeverbindung
mittel zusätzlicher
Gewichtskraft
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Für
die Herstellung einer Glühkerze
für Dieselmotoren
soll ein Keramikstift 1 im Innern einer als Aufnahmeelement
vorgesehenen Metallhülse 2 thermomechanisch
stabil gehaltert und dauerhaft haltbar zur Metallhülse 2 als
elektrischer Anschluss kontaktiert werden. Zwischen dem Keramikstift 1 und
der Metallhülse 2 befindet
sich eine Zwischenschicht 3 aus einem kompakten, hochporösen und
elektrisch leitenden Material. Durch das massive kompakte Schichtmaterial
mit seiner hohen Porosität
ist die Zwischenschicht 3 sehr werkstoffelastisch. Es hat sich
gezeigt, dass sich eine solche massive und werkstoffelastische Schicht
vorteilhaft durch ein gesintertes oder auch ungesintertes Vlies
aus metallischen Fasern realisieren lässt. Das Wirrfasergelege weist
in Abhängigkeit
der Fasergeometrie und ggf. des Sinter-Pressdrucks bei seiner Herstellung
eine unterschiedliche Porosität
und Porenmorphologie auf. Durch das Sintern und/oder durch den vorgeschlagenen
Fügeprozess
bei hohen Temperaturen sind die Fasern an den Kontaktpunkten jedoch
fest miteinander verbunden und stellen so einen kompakten, aber
hochporösen
Werkstoff dar. Gesinterte oder ungesinterte Metallfaservliese sind
an sich für
Filterzwecke bekannt und werden im Handel auch unter der Bezeichnung
BEKIPOR®ST
als Filtermatten angeboten.
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Dieses Metallfaservlies wird als
Zwischenschicht 3 in die Metallhülse 2 eingelegt. In 1 ist der Keramikstift 1 konisch
geformt. Deshalb kann die Metallhülse 2 samt Metallfaservlies über den
Keramikstift 1 geschoben und auf dessen Konus gepresst werden.
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Wird der Keramikstift 1,
samt Metallhülse 2 und
dazwischen liegendem Metallfaservlies (Zwischenschicht 3)
erwärmt,
so dehnt sich die Metallhülse 2 auf
Grund ihres höheren
Ausdehnungskoeffizienten stärker
aus als der Keramikstift 1. Im Falle einer Krafteinwirkung
in axialer Richtung (siehe zylindrisches Gewicht 4 in 2), wird die Metallhülse 2 weiter
auf den Konus gedrückt.
Durch die Verbindung erfolgt gleichzeitig eine elektrische Kontaktierung.
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Beim Erkalten zieht sich nun die
Metallhülse 2 stärker zusammen
als der Keramikstift 1 und wird auf diesen aufgepresst.
Durch elastische Verformung nimmt die Zwischenschicht 3 die
entstehenden thermomechanischen Spannungen auf und verpresst somit
Ring und Keramik. Sollten die Spannungen zu hoch sein, ist das Metallfaservlies
(bzw. ein gesintertes Drahtgewebe, gesinterte poröse Metalle
oder metallische Schäume)
in der Lage, sich in der Materialstruktur plastisch umzuformen – etwa durch
Brechen von internen Materialstegen – ohne eine für die Keramik
gefährliche
mechanische Spannung zu übertragen.
Mit der Zwischenschicht 3 aus massivem, kompaktem, aber
durch große Porosität werkstoffelastischem
Material werden mechanische Belastungen flächenhaft auf die Oberfläche der
Keramik verteilt, so dass diese nicht eine punktweise zu starke
Belastung erfahren kann. Sowohl bei Herstellung als auch bei Anwendung
der Fügeverbindung
ist der Keramikstift 1 somit vor mechanischer Zerstörung oder
Beschädigung
geschützt.
Gleichzeitig werden durch die werkstoffelastische Zwischenschicht 3 eventuelle Fertigungstoleranzen
ausgeglichen.
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Die Haftfestigkeit der Fügeverbindung
ist über
die Porositätsstruktur
des Materials, über
die Dicke der Zwischenschicht 3, die aus mehreren Lagen (auch
unterschiedlicher Materialien) bestehen kann, sowie über die
Temperatur, auf welche die Fügeverbindung
erwärmt
wird, beeinflussbar.
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Es ist vorteilhaft, die Fügeverbindung
mit der erfindungsgemäßen Zwischenschicht 3 über die
spätere
Einsatztemperatur hinaus zu erwärmen,
denn es entstehen beim Abkühlen
in Abhängigkeit
der Temperaturdifferenz berechenbare Spannungen, die umso höher sind,
desto größer die
Temperaturdifferenz ist. Diese Spannungen werden aber beim bestimmungsgemäßen Einsatz
der Fügeverbindung, sofern
die Fügetemperatur
nicht überschritten
wird, keinesfalls größer als
die Spannungen sein, welche beim Abkühlen von der Fügetemperatur
bewirkt wurden. Auf diese Weise sind die bei Betriebstemperatur gewünschten
Spannungen kalkulierbar, unter der Voraussetzung, dass in Folge
der weiteren Abkühlung bis
auf Raumtemperatur, bzw. minimalen Einsatztemperatur die Dehngrenze
des Vlieses nicht überschritten
wird.
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Für
den Fall dass die vorgenannte Voraussetzung nicht erfüllt ist,
wäre (aus Übersichtsgründen nicht
in der Zeichnung dargestellt) eine zusätzliche Lötverbindung zwischen der Metallhülse 2 sowie
der Zwischenschicht 3 und/oder zwischen dem Keramikstift 1 sowie
der Zwischenschicht 3 zweckmäßig. Dadurch werden auch plastische
Formänderungen
der Fügeverbindung
ermöglicht,
ohne dass der zuverlässige
elektrische Kontakt zwischen den Fügeelementen verloren geht,
sowie eventuelle elektrische Übergangswiderstände verringert.
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Ist das stiftförmige keramische Element nicht (wie
der Keramikstift 1 in der Zeichnung) konisch ausgebildet,
so muss die Metallhülse 2 mit
dem Metallfaservlies unter Lagepositionierung durch eine geeignete
Vorrichtung nach der Aufweitung der Metallhülse 2 bei erhöhten Temperaturen über die
Keramik geschoben werden (oder umgekehrt). Die Lagepositionierung
kann durch mechanische Strukturen auf dem Keramikstift 1 und/oder
in der Metallhülse 2 (aus Übersichtsgründen nicht
in der Zeichnung dargestellt) unterstützt werden. Solche Strukturen
können beispielsweise
eine Zahn- bzw. Riffelstruktur aufweisen. Auch hier verhindert oder
wenigstens mindert die kompakte, aber werkstoffelastische Zwischenschicht 3 eventuelle
Punktbelastungen der Keramik, die ansonsten durch die besagten Strukturen
entstehen könnten.
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Es ist auch möglich, in oder an die kompakte, hochporöse, werkstoffelastische
und elektrisch leitende Zwischenschicht zusätzliche elektrisch leitfähige Phasen
ein- bzw. anzufügen.
Beispielsweise könnte
eine sandwichartige Struktur aus losen Metallfasergeweben, wie Kupfergeweben,
mit dem dazwischen liegenden kompakten, hochporösen, werkstoffelastischen und
elektrisch leitenden Material durch Vernähen der Schichten mit Kupferfäden geschaffen
werden (in der Zeichnung nicht dargestellt).
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- 1
- Keramikstift
- 2
- Metallhülse
- 3
- Zwischenschicht
- 4
- Gewicht