DE2147374C3 - Verfahren zum Herstellen eines aus zwei metallischen Werkstoffen bestehenden Verbundkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines aus zwei metallischen Werkstoffen bestehenden Verbundkörpers, insbesondere einer Stromschiene aus einem Aluminium-Grundkörpers mit einer auf diesem angeordneten und eine Gleitfläche bildenden Schicht aus verschleißbeständigein Werkstoff zur Leitung von Energie zu einem Verbraucher, etwa einer Lokomotive, einem Hebezug oder ähnlich betriebenen elektrischen Einrichtungen.

Es sind Verfahren zum Herstellen von Stromschienen dieser Art bekannt, bei denen zwei vorgefornUe Körper — und zwar einer aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise Aluminium, und einer aus verschleißbeständigem Werkstoff, wofür sich Eisen mit seinen Legierungen anbietet — kalt zusammengefügt werden.

Verfahren, die auf dem Zusammenfügen zweier vorgeformter Körper beruhen, wobei die vorgeformten Körper zumeist vorgeformte Profilstränge sind, haben nicht nur hinsichtlich der Verfahrensdurchführung ϊ Mängel; die hierbei entstehenden Erzeugnisse vermögen auch in technischer Hinsicht nicht zu befriedigen.

Das Herstellen von Verbundkörpern erfolgt bei bekannten Verfahren durch Einbringen des aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Profilabschniites in eine

ι« entsprechende Ausnehmung des aus einem Nichteisenmetall gebildeten Stranges unter Anwendung von Druck und Temperatur. Zur zusätzlichen Sicherung der Verbindung müssen noch Schrauben oder Nieten in den Verbundkörper eingezogen werden.

ι > Aus einem anderen Verfahren ist es bekannt, den aus Aluminium — d. h. einem gut leitenden Werkstoff — oder einer seiner Legierungen bestehenden Verbundkörperteil mehrteilig auszubilden, damit der verschleißbeständige, aus einem Eisenwerkstoff bestehende Verbundkörperteil vermittels Befestigungselementen zwischen den Einzelteilen aus Aluminium verspannbar wird. Es gehört auch bereits zum Stande der Technik, in einen vorgeformten Verbundkörperbestandteil aus einem Eisenwerkstoff Aluminium in Form von Barren

-'"> unter Anwendung von Druck und erhöhter Temperatur einzuwalzen.

Die Mängel dieser Verfahren liegen im hohen technischen Aufwand zum Herstellen der Bestandteile, mit denen das Verfahren ablaufen kann. So sind beispielsweise zwei Preßwerkzeuge und Einrichtungen zur Vereinigung der Profilstränge nötig. Weiter schließen sich lohnintensive Arbeiten zur Anwendung von Schrauben, Nieten od. dgl. als Befestigungsmittel an. Im letzteren Fall sind speziell nur für einen Zweck auszubildende Walzeinrichtungen mit Heizanlagen notwendig.

Die Mängel der Erzeugnisse nach diesen Verfahren liegen darin, daß zu deren Durchführung relativ kompakte Verbundkörperbestandteile miteinander zur

ίο Vereinigung kommen müssen, weshalb der von dem elektrisch gut leitenden Werkstoff kommende Strom in dem verschleißbeständigen Verbundkörperbestandteil bis zur Stromabnahmefläche relativ lange Wege in einem schlechten Leiter zurückzulegen hat. Ferner sind großflächige Trennfugen zwischen den tragenden — d. h. den elektrisch gut leitenden — und den verschleißbeständigen Verbundkörperteilen unumgänglich, die einen hohen inneren elektrischen Übergangswiderstand bilden. Die Formgebung des verschleißbe-

^r»o ständigen Verbundkörperteiles beispielsweise durch Pressen oder Walzen ergibt zwangsläufig eine Oberflächenausbildung, welche das Einbringen eines Schmiermittels oder Hydrophobisans zur Herabsetzung der Gleitreibung und Ableitung von Flüssigkeit ausschließt.

■>■"> Ein mit Hilfe von Druck und Temperatur oder unter Anwendung von Temperatur allein, also zum Beispiel durch Aufpressen von Aluminium auf einen Stahlkörper bei erhöhter Temperatur oder Eingießen von Aluminium in einen Staukörper hergestelltes Verfahrenser-

M) zeugnis besitzt einen weiteren bisher nicht beseitigbaren Nachteil. Durch Vereinigung von Metallen der genannten Art wird an den Berührungsflächen der Metalle eine Schicht aus intermetallischen Verbindungen gebildet, was im übrigen auch für die Vereinigung

^h> von Kupfer oder einer seiner Legierungen mit Stahl gilt. P.s ist jenen intermetallischen Verbindungen eigen, daß sie brüchig, elektrisch schlecht leitend und vor allem in ihrer Dimension nicht stabil sind. Durch die elektrische

Leitfähigkeit dieser Schicht entsteht eine örtliche Erwärmung, die ein ständiges Wachstum fördert

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Vorfahren zum Herstellen eines aus einem Eisenmetall und Nichteisenmetall wie z. B. Stahl und Aluminium bestehenden Verbundkörpers, insbesondere einer Stromschiene, zu schaffen, bei dem die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden werden und dessen unmittelbare Erzeugnisse optimale mechanische und elektrische Kennwerte wie ι υ Verschleißbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der verschleißbeständige Werkstoff in flüssigem Zustand auf den Grundkörper aufgebracht, gleichzeitig der Wärme-Inhalt des verschleißbeständigen Werkstoffes rasch über den Grundkörper abgeleitet wird und in die Schicht aus verschleißbeständigemi Werkstoff ein Schmiermittel sowie ein Hydrophobisans eingebracht we -den.

Zur Vermeidung der Bildung einer intermetallischen 2<> Schicht zwischen den aus Aluminium und Stahl bestehenden Bestandteilen der Stromschiene wird die gute Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums als des Grundkörpers zur Ableitung des Wärme-Inhalts der flüssig aufgetragenen Schicht aus verschleißbeständi- 2-> gern Werkstoff ausgenutzt. Die rasche Wärmeabfuhr wird so vollzogen, daß während der Beschichtung die Temperatur des Aluminium-Grundkörpers aufrecht erhalten wird, die dieser vor Beginn der Beschichtung hatte. .so

Zur Verminderung des Reibungskoeffizienten zwischen Stromschiene und Abnehmer bzw. zur Erhöhung der Standzeit der Stromschiene wird in die Schicht aus verschleißbeständigem Material ein Schmiermittel eingebracht. Das Hydrophobisans dient zum Zweck, die ü Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff wasserabstoßend zu gestalten, damit ein guter elektrischer Übergang zwischen Stromschiene und Abnehmer während aller Jahreszeiten und Umweltbedingungen gewährleistet ist.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens werden Schmiermittel und Hydrophobisans nach dem Auftrag der verschleißbeständigen Schicht in dieselbe eingetragen, was beispielsweise durch Tauchen und Einziehenlassen geschehen kann. -»5

In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens wird das Schmiermittel zusammen mit der verschleißbeständigen Schicht aufgetragen.

Um dieses durchzuführen, ist es zweckmäßig, den verschleißbeständigen Werkstoff durch Flammspritzen und hierbei insbesondere durch Aufschmelzen des verschleißbeständigen Werkstoffes in einem Lichtbogen und mittels eines ionisierten Trägergasstrahles aufzutragen. Hierbei treffen Flüssigkeitstropfen auf eine kalte Unterlage, die zur Steigerung eines Wärmegefälles noch kühlbar ist, und dabei können die Flüssigkeitströpfchen aufgrund des Abschreckungseffektes keine dichte Schicht bilden, wodurch eine mit Poren durchsetzte verschleißbeständige Schicht gebildet wird. Diese Erscheinungsform '-vini weiter durch beim t>o Spritzvorgang ausgelöste uynamische Einflüsse insofern begünstigt, als die Tröpfchen zerteilt werden, wodurch intergranulare Risse gebildet werden. Die Abschrekkung hat innere Spannungen zur Folge, die Mikroporen bilden, die auch als intragranulare Risse bezeichnet ^h> werden. Insgesamt entsteht so eine verschleißbeständige Schicht, die aufgrund ihrer Poren zur Einbringung geeigneter Mittel bessere technische Ergebnisse liefert.

Ist die verschleißbeständige Schicht zur Verbesserung ihrer Eigenschaften durch Einbringung entsprechender Mittel nach ihrer Aufbringung bestimmt, so bietet sich hierfür die Verwendung einer Paste an, die aus Graphit ode»' Molybdändisulfid und einem Hydrophobisans wie einer Silikonverbindung besteht, die mechanisch aufgetragen wird, in die Poren einzieht und dort zur Speicherung gelangt. Bei dieser Art der Schichtaufbereitung bietet sich auch Polytetralluoräthylen an, das eine Schmier- und eine hydrophobisierende Wirkung in sich vereinigt

Bei gleichzeitigem Auftrag der verschleißbeständigen Schicht werden die Werkstoffe der verschleißbeständigen Schicht und die Stoffe, die die Schmier- und hydrophobisierende Wirkung auslösen, zweckmäßigerweise gleichzeitig mittels eines ionisierten Trägergasstrahles auf die entsprechende Fläche des aus Aluminium bestehenden Grundkörpers aufgetragen. Diese Art des Auftrages hat den Vorteil des einfachen apparativen Aufwandes.

Das Verfahren wird im folgenden anhand eines möglichen in der Figur dargestellten Verfahrenserzeugnisses näher erläutert.

Das Verfahrenserzeugnis ist im vorliegenden Fall eine Stromschiene 10, die aus einem aus Aluminium oder einer seiner Legierungen gepreßten Profilstrang besteht. Der Profilstrang ist aus einem kastenförmigen Hohlprofil 11 mit einem sich daran einseitig anschließenden T-Profi! 12 gebildet. Das kastenförmige Hohlprofil 11 weist 3 zur Abnahme von Strom geeignete Seiten 13, 14, 15 auf, die je nach Bedarf eine Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff 19 tragen, wobei im vorliegenden Fall nur die Seite 15 mit einer Schicht 19 bedeckt ist. Der Flansch 17 ist zur beidseitigen Halterung der Stromschiene 10 gedacht. Die Schicht 19 aus verschleißbeständigem Werkstoff besteht aus Eisen, Nickel, Chrom oder Kupfer in Verbindung mit anderen, die Standzeit der Schicht 19 fördernden Metallen. Diese Schicht wird gemäß der Erfindung durch Flammspritzen oder in einer möglichen Weiterbildung mittels eines Plasmabrenners, in dem der Werkstoff der verschleißbeständigen Schicht 19 erschmolzen und mittels eines ionisierten Trägergasstrahles aufgetragen wird, auf die entsprechende Seite 13,14 oder, wie im vorliegenden Falle, auf die Seite 15 aufgebracht.

Sollten der Anwendung eines hohen Wärmegefälles zur Unterdrückung der intermetallischen Schicht zwischen dem Aluminium-Grundkörper und der Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff 19 metallurgische oder konstruktive Bedenken entgegenstehen, so ist es angebracht, eine Zwischenschicht 20 vorzusehen, die gleichfalls mittels Flammspritzen oder eines Plasmabrenners aufbringbar ist und die aus Metallen besteht, die keine spröde, elektrisch schlecht leitende intermetallische Verbindungen mit dem Aluminium oder mit der Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff bilden. Hierzu eignen sich Werkstoffe wie Nickel, Nickel-Aluminium-Legierungen, Zinn, Zink, Silber, Kupfer oder Legierungen dieser Metalle. Es ist zweckmäßig, die Schicht 20 in einer Stärke zwischen 5 und 300 μ aufzutragen, wobei die Stärke der Zwischenschicht 20 vor der Stärke der verschleißbeständigen Schicht 19 abhängt, die zwischen 0,3 und 2 mm betragen kann. Zur Herabsetzung von Wärmespannungen ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht 20 Poren aufweist, die in ähnlicher Weise wie die in Verbindung mit der Schicht 19 beschriebenen herstellbar sind.

Die Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff 19 weist Poren auf, in die ein Schmiermittel und ein Hydroplhobisans einbringbar ist. Im Falle der nachträglichen Einbringung dieser Mittel ist die Verwendung einer Paste angezeigt, die aus Graphit oder Molybdändisulfid als Schmiermittel und einer Silikonverbindung als Hydrophobisans besteht. Die Paste wird unter Druck aufgetragen und füllt die Poren 16, so daß eine konstante Schmierung zwischen verschleißbeständiger Schicht 19 und dem Abnehmer 18 gegeben ist, wohingegen die Silikonverbindung hydrophobisierend wirkt und auch bei ungünstigsten Witterungseinflüssen eine einwandfreie Stromabnahme sicherstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines aus zwei metallischen Werkstoffen bestehenden Verbundkörpers, insbesondere einer Stromschiene aus einem Aluminium-Grundkörper mit einer auf diesem angeordneten und eine Gleitfläche bildenden Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißbeständige Werkstoff in flüssigem Zustand auf den Grundkörper aufgebracht, gleichzeitig der Wärme-Inhalt des verschleißbeständigen Werkstoffes rasch über den Grundkörper abgeleitet wird und daß in die Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff ein Schmiermittel sowie ein Hydrophobisans eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel und das Hydrophobisans nach dem Auftrag der verschleißbeständigen Schicht in dieselbe eingetragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmiermittel zusammen mit der verschleißbeständigen Schicht aufgetragen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißbeständige Werkstoff flüssig, beispielsweise durch Flammspritzen oder durch einen Plasmastrahl aufgetragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der verschleißbeständige Werkstoff in einem Lichtbogen erschmolzen und mittels eines ionisierten Trägergasstrahles aufgetragen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel Graphit oder Molybdändisulfid und als Hydrophobisans eine Silikonverbindung aufgetragen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff Polytetrafluorethylen als Schmiermittel und Hydrophobisans eingebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Grundkörper und die Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff eine Zwischenschicht aufgebracht wird, die aus einem sowohl am Grundkörper als auch an der Schicht aus verschleißbeständigem Werkstoff gut haftenden und eine Diffusion des verschleißbeständigen Werkstoffes in den Grundkörper oder umgekehrt verhindernden Werkstoff besteht.