DE2057618A1

DE2057618A1 - Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2057618A1
Application number: DE19702057618
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Duerrwaechter; Wilhelm Dipl-Phys Merl
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1970-11-24
Filing date: 1970-11-24
Publication date: 1972-06-15
Also published as: IT941259B; FR2115865A5; ES397262A1

Description

DR. RUDOLF BAUER · DIPL-ING. HELMUT HUBBUCH

753 PFORZHEIM,

WESTLICHE SI (AM LEOPOLD PLAT TEL.. <Ο7Ϊ3Ι)24Ϊ·Ο

''26.^1.1970 I/K

AM LCOPOLDPLATZ)

Firma Dr. Eugen Dürrwächter DODUCO, Pforzheim

Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Metall-Koblenstoff-Verbundwerkstoff und auf ein Verfahren zu seiner herstellung.

hetall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe sind seit langem bekannt und finden in der Elektrotechnik ausgedehnte Verwendung. Mit überwiegendem Kohle-Anteil werden die Verbundwerkstoffe ä zu Kohlebürsten für Elektromotoren verarbeitet; metallreiche Werkstoffe auf der Basis Silber oder Kupfer mit Graphit-Zusätzen werden für Schalt- und Gleitkontakte eingesetzt. Letztere weisen in Schaltstäcken für höhere Ströme gegenüber den entsprechenden Reinmetallen erhebliche Vorteile hinsichtlich Schweißverhalten auf. Sie unterliegen jedoch einem slacken Abbrand durch Schaltlichtbögen (vgl. A. Keil, Werkstoffe für

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elektrische Kontakte, Springer Verlag, Berlin-Göttingen-Heidel b erg 1%Ο)

In hochwertigen Gleitkontakten, z. E. in heßstromüberträgern, zeigen Metall-Graphit-Werkstoffe mit üblicherweise 2 bis 10 Gew.-Prozent Graphit zwar ein günstiges Kontaktwiderstandsund Gleitverhalten, doch ist der mechanische Abrieb um ein mehrfaches größer als der von Silber oder Kupfer. Die Einaefczmöglichkeiten der herkömmlichen Metall-Kohlenstoff-Veibundwerkstoffe sind deshalb sottohl in Schaltkontakten als auch in Gleitkontakten wegen ihrer geringen Lebensdauer eng begrenzt. Zwar lassen sich nach heutigem Wissen durch besondere I'ertigungsverfahren, z. B. Strangpressen, Qualitätsverbesserungen erzielen, doch ist der Effekt begrenzt (vgl. Harmsen u. Meyer, Zeitschrift Metall 1967, Heft 7). Eine erhebliche Erhöhung der Lebensdauer bringt ein neues Verfahren (deutsche Patentschrift Λ 533 230) nach dem der Graphit nicht in seiner handelsüblichen, plättchenfönnigen Form, sondern als Whiskers in den Verbundwerkstoff eingebaut wird. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit und Verformbarkeit müssen die Whiskers hierzu durch Verfahren wie Rütteln, Ultraschall und dgl. in eine Vorzugsrichtung gebracht werden. Die hierdurch erhaltene Verbesserung des W rkstoffes bedingt jedoch den Einsatz der sehr teuren Whiskex^s.

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Dieser Nachteil ist "bei dem Verbundwerkstoff behoben, der mit dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde. Seine Abbrandfestigkeit liegt noch wesentlich über der des Feinsilbers und er tat gut verformbar.

Das Verfahren der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß Kohlefaden in Schutzgas bzw. reduzierender Atmosphäre oder im Hochvakuum von unter 5 · 10 "^ Torr mit flüssigem, gut leitendem Metall, namentlich Kupfer und/oder Silber getränkt werden, dem 0,5 - 5 % eines Carbid bildenden Metalls zugesetzt sind. Als Carbid bildendes Metall hat sich Titan als das wirksamste erwiesen. Diese Beimengungen müssen erfolgen, weil die Fäden des Kohlefilzes sonst vom Silber nicht benetzt werden. Die Kohle reagiert mit den Carbidbildnern oberflächlich und formt vom Kupfer bzw. Silber benetzbare Flächen. Die Tränkungszeit muß so eingestellt werden, daß die Kohle sich nicht vollständig zu TiC umsetzt. Das überschüssige Titan scheidet sich bei der Abkühlung der Schmelze als intermetallische Verbindung AgTi aus und wird in das Silberkorn eingebaut. Die Benetzung ist bei Zugabe von Nickel oder Aluminium schwächer aber ausreichend.

Hochfeste Kohlefäden und Graphitfasern sind bekannt und werden in neuerer Zeit als Schnüre, Gewebe öder Pilze zur

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Wärmeisolierung, als Heizleiter oder mit dünnem Metallüberzug als faserporöse Elektroden in Akkumulatoren und Brennstoffzellen eingesetzt (vgl. Vohler, Reiser, Kartina, Overhoff in Zeitschrift "Angewandte Chemie" 82/1970, Heft 11). Ihre Verwendung in Kontaktwerkstoffen scheiterte aber bislang an der schlechten Benetzbarkeit der Fasern durch Metalle hoher Leitfähigkeit, wie Silber oder Kupfer.

fe Ausgedehnte Untersuchungen haben nun gezeigt, daß unter den beschriebenen Fertigungsbedingungen, auch ohne Verwendung von Whiskers, Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe gleicher Qualität zu erhalten sind. Auch die für Eontaktzwecke oft gewünschte Anisotropie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit durch Ausrichtung der Whiskers bzw. Fasern kann auf einfachere Weise erzielt werden.

Prinzipiell kann man Kohlefäden-Stücke genau wie Whisker durch Bütteln, Einschwemmen, Ultraschall und dgl. parallel stellen, ^ doch bietet die Eingeschaft der Kohlenstoff-Fäden - sich wie Kunststoff- oder Textilfaden herstellen und verarbeiten zu lassen und erst dann zu verkoken und zu graphitieren - die Möglichkeit, ein Kohlenstoffaden-Skelett mit einer Vorzugsrichtung herzustellen und dieses Skelett- in dem aiii Kohlenstoff äden Xm wesentlichen gleichgerichtet sind- mit Metall, wie Kupfer oder deren Legierungen zu infiltrieren.

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Eine bevorzugte Ausrichtung der Kohlenstofffaden führt zu einer Anisotropie von elektrischer und, thermischer Leitfähigkeit, die bei zweckmäßiger Formung der Kontaktstücke - nämlich einen Verlauf der Fasern senkrecht zur Kontaktfläche - eine Reduzierung des Abbrandes im Schaltlichtbogen bewirkt.

Auf die beschriebene Weise erzeugte Verbundwerkstoffe müssen λ Jedoch nicht unbedingt eine Vorzugsrichtung aufweisen. So ist es bei einem Einsatz für Gleitkontakte von Vorteil anstelle von Faden-Skeletten mit einer Vorzugsrichtung, kurzfasrige Wolle zu verwenden, und dieser zur weiteren Verbesserung der Schmiereigenschaften 0,5 bis 4 Gew.-Prozent plättchenförmigen Graphit, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-Prozent zuzusetzen. Der als Kontaktwerkstoff brauchbare Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff enthält 0,2 - 15 % insbesondere 0,5-5 Gew.-Prozent Kohlenstoff in die Silber, Kupfer oder Legierungsmatrix eingebaut . ™

Als Beispiel für die erhebliche Qualitätsverbesserung von Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen nach dem beschriebenen Verfahren, sei das Abbrandverhalten von Schaltstücken bei extrem harten Prüfbedingungen (80 000 A) angegeben. Der Stoffverlust eines Verbundwerkstoffes C mit einem gerichteten Kohlenstoffgewebe-Gitter von 1 Gew.-Prozent mit Faserverlauf

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senkrecht zur Kontaktfläche, betrug nur 40 % der Stoffverlustes von Peinsilber unter gleichen Testbedingungen. Z«*ischenwerte ergab ein hochwertiger Silber-Graphit-Werkstoff B, in dem die Graphitteilchen durch Strangpressen eine Vorzugsrichtung erhalten hatten und ein Silber-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einem isotropen Kohlenstoffilz von ca. 1 Gew.-Prozent, der mit geringem Nickelzusatz in Schutzgas infiltriert wurde.

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TABELLE

Werkstoff

Härte_?(HV) elektr- Leitfähigk. Abbrand kp/mm m/O-mrn (W.E.)

Feinsilber

61

160

Werkstoff A (Silber-Graphit A) 130

Werkstoff B (Silber-Kohlenstoff 1)

68

- 24

100

Werkstoff C (Silber-Kohlenstoff 1)

- 29

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Claims

7B3PFORZHE.M. 26.11.1970 I/K wcaTLiCHC ai cam leopoldplatz) TCL.. (O72SI) 242·Ο Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, insbesondere für Kontaktzwecke,

dadurch gekennzeichnet, daß Kohlefaden in Schutzgas - bzw. reduzierender Atmosphäre oder im Hochvakuum (unter 5 * 10 " mit flüssigem, gut leitendem Metall, insbesondere Kupfer und/ oder Silber getränkt werden, dem 0,5 - 5 % eines Carbid bildenden Metalls zugesetzt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbid bildende Metall Titan ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines hinsichtlich seiner elektrischen und thermischen Leitfähigkeit anisotropen

Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 oder 2, insbesondere zur Verwendung als Kontaktwerkstoff für Schalt kontakte, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefaden senkrecht zur späteren Kontaktfläche ausgerichtet werden.

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4. Verfahren zur Herstellung eines hinsichtlich der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit isotropen Metallkohlenstoff -Verbundwerkstoff es nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefäden in Form von Wolle vorliegen und gegebenenfalls einen Zusatz von 1-3 Gew.-Prozent plättchenförmigen Graphits erhalten.

5. Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, der nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1-4 hergestellt ist, dadurch

gekennzeichnet, daß in die Silber, Kupfer oder Legierungsmatrix 0,2 - 15 % insbesondere 0,5-5 Gew.-Prozent Kohlenstoff eingebaut ist.

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