DE1533230B1

DE1533230B1 - Metal-graphite composite

Info

Publication number: DE1533230B1
Application number: DE19661533230
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr-Ing Duerrwaechter
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1966-09-07
Filing date: 1966-09-07
Publication date: 1969-09-18

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Metall-Graphit-Verbundwerkstoffe.The invention relates to metal-graphite composites.

Solche Werkstoffe werden in einer Zusammensetzung von 70 bis 99 Gewichtsprozent Silber, Rest Graphit, seit langer Zeit für elektrische Kontakte verwendet (K i e f f e r-H o t o p, »Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe«, Springer-Verlag, 1948, S. 320). Zur Herstellung dieser Werkstoffe wird die Pulvermischung zu Blöcken, Stangen oder Platten verpreßt, der Preßling durch Sintern in reduzierender Atmosphäre verdichtet und anschließend spanabhebend zu den gewünschten Kontaktformen verarbeitet. Die so hergestellten Schleifbürsten oder Unterbrecherkontakte besitzen jedoch bedeutende Nachteile. Sie sind sehr spröde und daher nur unter großen Materialverlusten zu verarbeiten. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, durch metallische Zusätze, wie Zinn und Blei, die Verarbeitbarkeit des Silber-Graphit-Werkstoffs zu verbessern.Such materials are in a composition of 70 to 99 percent by weight Silver, the remainder graphite, used for electrical contacts for a long time (K i e f f e r-H o to p, »Powder Metallurgy and Sintered Materials«, Springer-Verlag, 1948, P. 320). To produce these materials, the powder mixture is made into blocks, rods or plates are pressed, the compact compacted by sintering in a reducing atmosphere and then machined into the desired contact shapes. the However, grinding brushes or interrupter contacts produced in this way have significant ones Disadvantage. They are very brittle and therefore only close with great material losses to process. There has therefore been no lack of attempts to use metallic additives like tin and lead to improve the processability of the silver-graphite material.

Durch die Sprödigkeit des Materials ist die Abnutzung dieser Werkstoffe insbesondere bei ihrer Verwendung als Schleifkontakte sehr groß. Es wurde daher durch die Herstellung von sogenannten Mehrschichtenbürsten versucht, deren Standfestigkeit bei der Abnutzung zu verbessern (s. deutsches Patent 745673). Due to the brittleness of the material, the wear and tear on these materials is very great, especially when they are used as sliding contacts. An attempt was therefore made by producing so-called multi-layer brushes to improve their stability during wear (see German patent 745673).

Ein weiterer großer Nachteil von Silber-Graphit-Werkstoff besteht darin, daß sich dieses Material durch Löten mit Metallen nicht verbinden läßt. Aus diesem Grunde wurden andere Wege der Befestigung auf Trägern vorgeschlagen (s. deutsche Patente 844197 bzw. 844196). Besser gelang die Befestigung von Silber-Graphit-Körpern auf metallischen Unterlagen nach dem deutschen Patent 762 387. Hierbei wird der Graphit des Verbundkörpers an einer Stelle ausgebrannt, so daß die graphitfreie Schicht nunmehr lötbar wird.There is another major disadvantage of silver-graphite material in that this material cannot be connected to metals by soldering. the end For this reason, other ways of fastening on supports have been proposed (see German Patents 844197 and 844196). The attachment of silver-graphite bodies was more successful on metallic documents according to German Patent 762 387. Here, the Graphite of the composite body burned out at one point, so that the graphite-free Layer is now solderable.

Diese auf der Sprödigkeit des Materials beruhenden Nachteile der Silber-Graphit-Werkstoffe waren durch herkömmliche Methoden weder mit grobem noch mit feinem Graphit zu beseitigen. Einen völlig neuen Weg ging die Erfindung nach der deutschen Patentschrift 1237 272, bei welcher Silber-Graphit-Pulvermischungen entweder im vorgesinterten Zustand oder direkt als Pulvermischung auf einer hydraulischen Strangpresse zu Strängen verschiedener Formen gepreßt werden. Dabei wird eine Metallscheibe, vorzugsweise aus Silber, zwischen Preßmatrize und Preßgut aus Silber-Graphit verwendet und dient dabei gleichzeitig als eine Art Schmiermittel. Nach diesem Verfahren gelang es erstmalig unter Verwendung von vorzugsweise grobkörnigem Graphit, plastisch verformbare Silber-Graphit-Körper herzustellen.These disadvantages of silver-graphite materials based on the brittleness of the material could not be removed by conventional methods using either coarse or fine graphite. The invention based on German patent specification 1237 followed a completely new path 272, in which silver-graphite powder mixtures either in the pre-sintered state or directly as a powder mixture on a hydraulic extruder to form strands different shapes can be pressed. A metal disc is used, preferably made of silver, used and used between the press die and the pressed material made of silver-graphite at the same time as a kind of lubricant. This was the first time that it was successful using preferably coarse-grained graphite, plastically deformable silver-graphite bodies to manufacture.

Die Nachteile der schlechten Lötbarkeit der Silber-Graphit-Körper und ihre große Abnutzung besonders als Schleifkontakt sind jedoch auch durch dieses Herstellungsverfahren nicht beseitigt worden.The disadvantages of the poor solderability of the silver-graphite body and their great wear, especially as a sliding contact, are, however, also due to this Manufacturing process has not been eliminated.

Es hat sich nun gezeigt, daß man völlig plastisch verformbare Silber-Graphit-Körper mit guter Lötbarkeit und sehr hoher Abriebfestigkeit dadurch erhalten kann, daß man an Stelle des bis jetzt in verschiedenen Feinheiten verwendeten hexagonal kristallisierenden Graphits sogenannte Graphitwhiskers verwendet.It has now been shown that one can completely plastically deformable silver-graphite bodies with good solderability and very high abrasion resistance can be obtained in that instead of the hexagonal crystallizing one that has been used up to now in various subtleties Graphite so called graphite whiskers are used.

Whiskers oder Fadenkristalle sind seit einiger Zeit bekannt (s. Metallurgical Reviews, Vol. 9, 1964, S. 261f The Institute of Metals, London; Ceramic and Graphite Fibers and Whiskers, L. R. M c C r e i g h t, H. W. Rauch, Sr., W. H. S u t t o n, Academic Press, New York-London, 1965). In der bisher bekannten Literatur sind auch bereits Anwendungsmöglichkeiten für Fadenkristalle angegeben worden, insbesondere Möglichkeiten, durch Verwendung von Whiskers die Festigkeit gewisser Baumaterialien zu steigern. Weitere Anwendungsgebiete von Whiskers sind die hohe Isolierfestigkeit derselben vorzugsweise von Oxidwhiskers gegenüber Wärme, Kälte und Schall. Außerdem finden solche Fadenkristalle als Füllmaterial in Kunststoffen und bei der Herstellung von Papier Anwendung.Whiskers or whiskers have been known for some time (see Metallurgical Reviews, Vol. 9, 1964, p. 261f The Institute of Metals, London; Ceramic and Graphite Fibers and Whiskers, LR M c C right, HW Rauch, Sr., WH Sutton, Academic Press, New York-London, 1965). In the literature known up to now, possible uses for whiskers have also been indicated, in particular ways of increasing the strength of certain building materials by using whiskers. Further areas of application of whiskers are the high insulation strength of the same, preferably of oxide whiskers, against heat, cold and sound. In addition, such whiskers are used as filler material in plastics and in the manufacture of paper.

Whiskers sind sehr dünne Einkristalle, die gegenüber der polykristallinen Form ihres Werkstoffes überraschend gut dehnbar sind.Whiskers are very thin single crystals that are opposite to polycrystalline ones Shape of their material are surprisingly easy to stretch.

Seit einigen Jahren ist es gelungen, außer den schon seit längerer Zeit bekannten Oxidwhiskers auch Whiskers aus Graphit herzustellen, die gegenüber den üblichen Graphitpulvern wesentlich verbesserte Elastizitätseigenschaften aufweisen (Contact Report, Union Carbide Corporation, vom 9.2.1965, in Ceramic and Graphite Fibers and Whiskers, S. 56; USA: Patente 2 796 331, 2 957 756, 3 107152).It has been successful for a number of years, except for a long time Time known oxide whiskers also produce whiskers from graphite, which compared to the usual graphite powders have significantly improved elasticity properties (Contact Report, Union Carbide Corporation, 9/02/1965, in Ceramic and Graphite Fibers and Whiskers, p. 56; USA: Patents 2,796,331, 2,957,756, 3,107,152).

Graphitwhiskers finden bereits Verwendung bei Werkstoffen der Raumfahrttechnik als Wärmeschild sowie als Widerstandsmaterial in elektrischen Öfen.Graphite whiskers are already being used in materials used in space technology as a heat shield and as a resistance material in electric ovens.

Versuche, Graphitwhiskers auch an Stelle der bis jetzt verwendeten Graphitpulver verschiedener Feinheiten in eine Silbermatrix einzubringen und dadurch Silber-Graphit-Körper herzustellen, haben zu dem überraschenden Ergebnis geführt, daß hierbei ein Material von bisher unbekannten Eigenschaften erhalten wird, welches außer für elektrische Schleifkontakte oder Unterbrecherkontakte auch für viele andere Zwecke Verwendung finden kann. Infolge seiner großen Elastizität und hohen Festigkeit läßt sich dieses Material auch zu selbstschmierenden Lagern, wie öllosen Mikrolagern, verwenden. Weitere Anwendungsgebiete des Silber-Graphit-Werkstoffs gemäß der Erfindung sind Apparate und Geräte für die chemische Industrie.Attempts to make graphite whiskers also in place of the ones used until now Bring graphite powder of various fineness into a silver matrix and thereby Manufacture of silver-graphite bodies have led to the surprising result, that here a material of previously unknown properties is obtained, which except for electrical sliding contacts or interrupter contacts also for many others Purposes can be used. Due to its great elasticity and high strength this material can also be used for self-lubricating bearings, such as oil-free micro-bearings, use. Further areas of application of the silver-graphite material according to the invention are apparatus and devices for the chemical industry.

Überraschenderweise hat es sich weiterhin ergeben, daß auch Kupfer-Graphit-Körper, die unter Verwendung von Graphitwhiskers und Kupferpulver hergestellt sind, ähnlich wie die Silber-Graphit-Körper völlig neuartige, bisher unbekannte Eigenschaften zeigen. Anwendungsgebiete dieser Kupfer-Graphit-Werkstoffe gemäß der Erfindung sind elektrische Schleif- und Unterbrecherkontakte, elektrische Kontaktstücke sehr guter elektrischer Leitfähigkeit, Schweißelektroden für Punkt- und Rollenschweißen sowie für die Funkenerosion und chemische Apparate, bei denen eine hohe Festigkeit des Kupfers verlangt wird. Weitere Anwendungsgebiete für Kupfer-Graphit-Werkstoffe sind z. B. Metalldichtungen.Surprisingly, it has also been found that copper-graphite bodies, made using graphite whiskers and copper powder are similar like the silver-graphite body completely new, previously unknown properties demonstrate. Areas of application of these copper-graphite materials according to the invention are electrical sliding and interrupter contacts, electrical contact pieces very good electrical conductivity, welding electrodes for spot and roller welding as well as for spark erosion and chemical apparatus, where a high strength of the Copper is required. Further areas of application for copper-graphite materials are z. B. Metal seals.

Die Herstellung der Silber-Graphit-Werkstoffe bzw. Kupfer-Graphit-Werkstoffe unter Verwendung von Graphitwhiskers erfolgt nach bekannten Verfahren durch Mischen der Bestandteile, wobei das Silber bzw. Kupfer in Pulverform vorliegt. Man mischt die Bestandteile derart, daß sich die Graphitwhiskers in einer Richtung orientieren, was durch gerichtetes Rütteln der Mischungen ohne Schwierigkeiten zu erreichen ist. Dann verpreßt man die Metall-Graphit-Mischungen, wobei auf eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Graphitwhiskers in der Metallpulvermasse zu achten ist. Nach dem Verpressen dieser Mischungen zu Blöcken, Stangen, Platten oder jeder beliebigen anderen Form werden diese noch spröden Körper längere Zeit in inerter Atmosphäre oder im Vakuum gesintert, wobei die Sintertemperatur möglichst 50 bis 70 grd. unter dem Schmelzpunkt des verwendeten Metalls oder - falls eine Mischung mehrerer Metalle vorliegt - unter der Temperatur des beim Sintern sich bildenden Eutektikums liegen soll.The production of silver-graphite materials or copper-graphite materials using graphite whiskers is carried out according to known methods by mixing of the constituents, the silver or copper being in powder form. One mixes the components in such a way that the graphite whiskers orient themselves in one direction, which can be achieved without difficulty by shaking the mixtures in a directed manner. The metal-graphite mixtures are then compressed, with a method that is as uniform as possible Pay attention to the distribution of the graphite whiskers in the metal powder mass. After this Compressing these mixtures into blocks, rods, plates, or any any In another form, these still brittle bodies remain in an inert atmosphere for a long time or sintered in a vacuum, the sintering temperature being 50 to 70 degrees if possible. under the melting point of the metal used or - if a mixture of several metals is present - below the temperature of the eutectic that forms during sintering target.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß nicht nur reine Silber-Graphit- oder Kupfer-Graphit-Körper gemäß der Erfindung hergestellt werden können, sondern auch Körper, bei denen pulverförmige Metalle, wie Nickel, Zinn, Zink oder Kadmium, als Legierungskomponenten des Silbers oder Kupfers verwendet werden können.It has been shown that not only pure silver-graphite or Copper-graphite bodies can be produced according to the invention, but also Bodies in which powdered metals, such as nickel, tin, zinc or cadmium, are considered Alloy components of silver or copper can be used.

Eine völlig andere Herstellung der erfindungsgemäßen Metall-Graphit-Körper erfolgt durch Eintragen der Graphitwhiskers in die flüssigen Metalle Silber oder Kupfer oder deren Legierungen mit oder ohne bis zu 20 Gewichtsprozent Nickel, Zinn, Zink oder Kadmium und anschließendes Vergießen der Schmelzen in beliebige Formen.A completely different production of the metal-graphite bodies according to the invention is done by adding the graphite whiskers to the liquid metals silver or Copper or its alloys with or without up to 20 percent by weight nickel, tin, Zinc or cadmium and subsequent pouring of the melt in any shape.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, die Schmelzen in den Formen sehr langsam erstarren zu lassen und dabei gleichzeitig durch Ultraschall zu beschallen, wodurch eine wesentliche Ausrichtung der langen und sehr dünnen Graphitwhiskers parallel zueinander erreicht wird.It has proven to be advantageous to keep the melts in the molds to solidify very slowly and at the same time to irradiate with ultrasound, creating a substantial alignment of the long and very thin graphite whiskers is achieved parallel to each other.

Die entweder Sinter- oder schmelzmetallurgisch hergestellten Blöcke, Stangen oder Platten können zur Erreichung ihrer optimalen Festigkeit spanlos verformt werden, vorzugsweise durch Walzen zu Blechen oder Drähten, durch Strangpressen in beliebige Formen, durch Ziehen oder Gesenkpressen.The blocks produced either by sintering or by smelting metallurgy, Bars or plates can be deformed without cutting to achieve their optimum strength are, preferably by rolling into sheets or wires, by extrusion into any shape, by drawing or die pressing.

Hierbei zeigt sich der große Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten Metall-Graphit-Körper gegenüber den bis jetzt bekannten, bei denen der Graphit in Form von Graphitpulver verschiedener Korngrößen vorliegt.This shows the great advantage of those produced according to the invention Metal-graphite bodies compared to the previously known, in which the graphite in In the form of graphite powder of various grain sizes.

Die erfindungsgemäßen Körper lassen sich bei Graphitgehalten bis 10 Gewichtsprozent sehr gut und bei Graphitgehalten bis 30 Gewichtsprozent immer noch recht gut spanlos verformen.The bodies according to the invention can be used with graphite contents of up to 10 Weight percent very good and still with graphite contents of up to 30 percent by weight Deform quite well without cutting.

Die spanlose Verformung der Metall-Graphit-Körper soll vorteilhafterweise parallel zur Lage der Graphitwhiskers innerhalb der Metallmatrix erfolgen. Während der Verformung können, wenn nötig, Zwischenglühungen eingeschaltet werden, ohne daß dadurch oder durch die Verformung selbst der Verband der Whiskers mit der Metallmatrix gestört wird.The non-cutting deformation of the metal-graphite body is said to be advantageous parallel to the position of the graphite whiskers within the metal matrix. While of the deformation, intermediate annealing can be switched on, if necessary, without that thereby or through the deformation itself the association of the whiskers with the metal matrix is disturbed.

Claims

Claims: 1. Metal-graphite composite material, characterized in that that it is made from 70 to 99 percent by weight of one of the metals silver and copper 30 to 1 percent by weight graphite consists in whisker form.

2. Metal-graphite composite according to claim 1, characterized in that instead of the pure metals, silver or copper alloys or powder mixtures of these metals can be used.

3. Metal-graphite composite material according to Claim 1 or 2, characterized in that that other metals such as nickel, tin, zinc or cadmium up to 20 percent by weight take the place of copper or silver.

4. Process for the production of metal-graphite composites according to one of claims 1 to 3, characterized in that when mixing Metal powder and graphite whiskers parallel the whiskers by means of directed shaking be aligned.

5. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the graphite whiskers in a melt of silver or Copper can be entered in amounts of 1 to 30 percent by weight and the melt is sonicated with ultrasound before cooling to align the graphite whiskers.