DE3240709C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit einer Phosphor-haltigen Kupferlegierung imprägnierten Kohlenstoffkörper.

Zur Änderung der stofflichen Beschaffenheit von Kohlenstoffkörpern - unter diesem Begriff sind im folgenden auch Graphitkörper zu verstehen -, die aus einem körnige oder pulverförmige Kohlenstofformen, wie Koks, Anthracit, Ruß und dergleichen, und carbonisierbare Binder, wie Steinkohlenteerpech, Phenoplasten oder dergleichen, enthaltenden Formling durch Pyrolyse des Binders hergestellt sind und die als Folge des Pyrolyseprozesses ein nicht unerhebliches Porenvolumen aufweisen, ist es üblich, die porösen Körper mit einem auf den Verwendungszweck abgestimmten Mittel zu imprägnieren. Verbreitete Imprägnier­ mittel sind die als Binder für die Herstellung des Kohlenstoffkörpers benutzten Stoffe, Fette, Öle und andere fluide Gleitmittel und vor allem auch Metalle. Durch eine Metallimprägnierung werden außer den auch für andere Imprägniermittel typischen Wirkungen, wie Verkleinerung des Porenvolumens und damit der Permeabilität für Fluide, Steigerung der Festigkeit usw., elektrische Leitfähigkeit und dynamische Stoffeigenschaften, wie Schlagzähigkeit, Abriebfestigkeit des Körpers verbessert. Metallimprägnierte Kohlenstoffkörper werden vor allem als Schleifbügel und Schleifstücke für elektrische Bahnen und andere Fahrzeuge und wegen der Verschleißfestigkeit auch als Gleitringdichtung und Gleitlager verwendet.

Die Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffkörpern mit Metallen werden im wesentlichen durch zwei stoffliche Parameter bestimmt, die Schmelztemperatur des Metalls oder der Metallegierung und den Benetzungsrandwinkel der Metallschmelze auf Kohlenstoff. Da Kohlenstoffflächen von den meisten Metallen nicht benetzt werden, erfordert die Imprägnierung poröser Kohlenstoffkörper größere Drücke, die in Verbindung mit hohen Schmelztemperaturen zu erheblichen technischen Schwierigkeiten führen können. So wird für die Imprägnierung von Teilen aus gebranntem Kohlenstoff oder Graphit mit Kupfer nach der US-PS 3 96 054 der zu imprägnierende, mit Kupfer überschichtete Kohlenstoff- oder Graphitkörper in der Matrize einer kompliziert aufgebauten Heißpreßeinrichtung in eine dichte Naturgraphitpackung eingelegt, die Anordnung mit einem Druck von 14,7 bis 19,6 MPa beaufschlagt und das mittels elektrischer Widerstandserhitzung aufgeschmolzene Kupfer in den Kohlenstoff bzw. Graphitkörper eingepreßt. Ein so aufwendiges Verfahren ist für eine wirtschaftliche Herstellung nicht geeignet. Bei der Verwendung niedrigschmelzender Metalle oder Metallegierungen, wie z. B. Zinn-Blei, Zinn-Antimon-Blei, Aluminium-Silicium gibt es keine größeren technischen Probleme, so daß man derartige Legierungen wenn irgend möglich als Imprägniermittel benutzt. Nachteilig ist andererseits die verhältnismäßig begrenzte thermische Beständigkeit dieser Legierungen, die bei einer lokalen Überhitzung der imprägnierten Kohlenstoffkörper, ausgelöst beispielsweise durch die Bildung von Lichtbögen zwischen den Gliedern eines elektrischen Kontakts oder durch hohe Anfahrströme, zu einem tropfenförmigen Austritt des Metalls und damit zu einer verminderten Brauchbarkeit des imprägnierten Kohlenstoffkörpers führen kann. Für Anwendungen, bei denen mit hohen Temperaturen zu rechnen und eine kleine elektrische Leitfähigkeit nötig ist, verwendet man daher trotz der angedeuteten technischen Schwierigkeiten im allgemeinen Kohlenstoffkörper, die mit Kupfer oder einer hochschmelzenden Kupferlegierung imprägniert sind.

Die für die Imprägnierung von Kohlenstoffkörpern mit Kupfer nach dem oben beschriebenen Verfahren nötigen hohen Temperaturen und Drücke lassen sich nach einem Verfahren nach der deutschen Patentanmeldung S 30 159 VIIIb/21d¹ 63/02 dadurch vermeiden, daß man den porösen Kohlenstoffkörper mit Lösungen eines Kupfersalzes imprägniert und das Salz durch drucklose reduzierendes Erhitzen zersetzt. Bei einem anderen durch die US-PS 31 60 517 bekanntgewordenen Verfahren werden flüchtige Kupferverbindungen, wie Kupferacetylacetat in den Poren des Kohlenstoffkörpers thermisch zersetzt (CVD). Trotz der verfahrenstechnischen Vorteile haben sich diese Verfahren, besonders für großformatige Kohlenstoffkörper nicht durchsetzen können, da der Zeitaufwand für das Einbringen einer ausreichenden Menge an Imprägniermittel sehr groß ist. Nach einem anderen Verfahren (DE-OS 17 71 097) ist es bekannt, den Kohlenstoffkörper zunächst in einer ersten Stufe mit Phosphor, z. B. in Form von Ammoniumphosphat, zu behandeln und erst dann unter Druck in eine Kupferschmelze zu tauchen. Durch die Vorbehandlung wird die Grenzflächenspannung gesenkt, und der Kohlenstoffkörper nimmt bei gleichem Druck mehr Kupfer auf als ein unbehandelter Körper. Zur Reduzierung der Imprägnierungstemperatur ist schließlich die Verwendung ternärer Kupferlegierungen als Imprägniermittel vorgeschlagen worden, z. B. eine Kupfernickel-Legierung als Basismetall mit einer oder mehreren Komponenten aus der Gruppe Zinn, Antimon, Zink, Mangan, Eisen, Chrom, Blei, Magnesium, Phosphor (DE-OS 24 11 584) oder Legierungen aus der Gruppe Cu-Zn-Sn, Cu-Sn-P, Cu-Sn-Pb, Cu-Sn-Ni, Cu-Pb-Si, Cu-Ni-Si, (GB-PS 13 63 943). Für die Imprägnierung von Kohlenstoffkörpern mit diesen Legierungen sind nur Temperaturen um etwa 800°C nötig - eine beachtliche Reduzierung bezogen auf die Schmelztemperatur von reinem Kupfer -, andererseits sind aber die stofflichen Eigenschaften, insbesondere die elektrischen Kontakteigenschaften derartig von mit reinem Kupfer imprägnierten Kohlenstoffkörpern verschieden, daß sie nur für bestimmte Verwendungszwecke, z. B. für Gleitringe oder Gleitschieber, eine gleichwertige Lösung sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein metallisches Imprägniermittel für poröse Kohlenstoffkörper zu schaffen, das eine wesentliche Senkung der Imprägnierungstemperatur zuläßt, dessen Eigenschaften in Verbindung mit dem Kohlenstoffkörper mit den Eigenschaften kupferimprägnierter Kohlenstoffkörper übereinstimmen und besonders eine hohe elektrische Belastung zuläßt.

Die Aufgabe wird mit einem Kohlenstoffkörper der eingangs genannten Art gelöst, der mit einer Legierung aus 6 bis 10 Gew.-% Phosphor und 94 bis 90 Gew.-% Kupfer imprägniert ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der eutektischen Legierung, die 8,4 Gew.-% Phosphor und 91,6 Gew.-% Kupfer enthält.

Die Schmelztemperatur der eutektischen Kupfer-Phosphor-Legierung beträgt 714°C, die Schmelztemperatur in dem beanspruchten Legierungsbereich betragen 714 bis etwa 850°C und sind um mindestens 200°C kleiner als die Schmelztemperatur reinen Kupfers (1083°C). Phosphorlegierte Kupferschmelzen weisen zudem eine kleinere Zähigkeit als reine Kupferschmelzen auf, so daß die tatsächliche Imprägnierungstemperatur um einen noch größeren Betrag gesenkt und auch die Imprägnierungszeit verkürzt werden kann. Die niedrigen Imprägnierungstemperaturen ermöglichen die Durchführung des Imprägnierungsprozesses mit technisch einfachen und kostengünstigen Vorrichtungen, wie sie beispielsweise für die Imprägnierung von Kohlenstoffkörpern mit zinnreichen Kupferlegierungen benutzt werden. Die etwa 40 Gew.-% Zinn enthaltenden Legierungen und ternäre phosphorhaltige Legierungen, die ähnliche niedrige Imprägnierungstemperaturen zulassen, unterscheiden sich wesentlich in einigen Aspekten von Kupfer und der erfindungsgemäßen Kupfer-Phosphor-Legierung, so daß der technische Vorteil nur begrenzt genutzt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Vergleichsbeispiels erläutert. Schleifbügel für elektrische Bahnen aus Kohlenstoff mit folgenden Stoffdaten- (Tabelle I)

Rohdichte (g/cm³)
1,75
Porosität (%)	8
spez. elektr. Widerstand (µΩm)	35
Biegefestigkeit (N/mm²)	30
Härte (HRB)	95

wurden mit Kupfer und verschiedenen kupferhaltigen Legierungen imprägniert.

Die Schleifbügel wurden in einem Autoklaven bei einem Druck von etwa 2 bis 30 mbar auf die Temperatur der Schmelze erhitzt und dann in die Schmelze getaucht. Der Druck wurde dann auf 100 bar gesteigert und die Bügel nach einer Verweilzeit von etwa 45 min und Druckentspannung aus der Schmelze gezogen. Die Vergleichsproben B, C und D sind mit Kupfer, einer Bleibronze bzw. einer Zinnbronze imprägniert - (Tabelle II).

Tabelle II

Die enge Übereinstimmung der Schleifbügel A mit dem kupferimprägnierten Bügel B folgt schon aus der Tabelle II. Die Bügel C und D haben trotz größerer Metallaufnahme, auf die der geringfügig kleinere spezifische elektrische Widerstand zurückzuführen ist, eine kleinere Biegefestigkeit und vor allem eine kleinere Härte als die Bügel A und B. Durch Zusätze von Phosphor in einer Konzentration bis zu 6 Gew.-% zu der Bleibronze- und der Zinnbronze-Legierung konnte die Imprägnierungstemperatur um bis zu 100°C gesenkt werden, die Stoffeigenschaften der imprägnierten Körper unterscheiden sich aber nicht signifikant von den Vergleichsproben C und D. Unterschiede zeigten sich auch nicht bei dem Verschleiß- und Kurzschlußtests, so daß im folgenden nur die Vergleichsproben C und D neben B dargestellt sind.

Der Reibungsverschleiß von Probekörpern der Maße 10 × 10 × 25 mm, Rauhtiefe R _A etwa 0,8 µm, wurde bei einer Gleitgeschwindigkeit von 1 m/s bestimmt. Gegenlaufwerkstoff war ein Chromguß, der Anpreßdruck betrug 0,5 N/mm², Temperatur - ca. 20°C, Luftfeuchte 60 bis 70% - (Tabelle III).

Tabelle III

Zur Prüfung der Kurzschlußfestigkeit wurden die Proben kurzzeitig mit einem Strom von 300 A/cm² beaufschlagt. An den Kontaktflächen der Proben C und D bildeten sich tropfenförmige Ausschwitzungen von Metall und in einigen Fällen Krater im Kohlenstoffmaterial. Die Vergleichsproben B und die erfundungsgemäße Probe A blieben unverändert.

Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von kupferimprägnierten Kohlenstoffkörpern werden nach den Ergebnissen der Vergleichsversuche nur von Kohlenstoffkörpern erreicht, die mit einer Kupfer-Phosphor-Legierung imprägniert sind und die bei wesentlich niedrigeren Temperaturen hergestellt werden können, als der kupferimprägnierte Körper. Mit Blei- und Zinn-haltigen Kupferlegierungen und mit ternären phosphorhaltigen Kupferlegierungen imprägnierte Kohlenstoffkörper sind vergleichsweise weniger verschleißfest und gegen ohne Kurzschlußströme nicht beständig.

Claims (2)

1. Mit einer Phosphor-haltigen Kupferlegierung imprägnierter Kohlenstoffkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 6 bis 10 Gew.-% Phosphor und 94 bis 90 Gew.-% Kupfer besteht.

2. Kohlenstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus 8,4 Gew.-% Phosphor und 91,6 Gew.-% Kupfer besteht.