EP1329993A2 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten Download PDF

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EP1329993A2
EP1329993A2 EP02026559A EP02026559A EP1329993A2 EP 1329993 A2 EP1329993 A2 EP 1329993A2 EP 02026559 A EP02026559 A EP 02026559A EP 02026559 A EP02026559 A EP 02026559A EP 1329993 A2 EP1329993 A2 EP 1329993A2
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graphite
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a sliding contact piece for medium to high current densities according to the preamble of the claims 1,2,4-7.
  • the sliding contact pieces produced thereafter are in particular carbon brushes for electrical machines, especially in motor vehicles, high Current densities occur especially with starters.
  • additions of lead or antimony contain the usual sliding contact pieces and have a good cleaning effect, cooling of the sliding contact piece during operation and good sliding properties on a mating contact piece, but toxic or harmful to the environment are to be avoided (EP 0525 222 A1).
  • Tin in particular serves as lead substitute or admixture and / or zinc or their alloys.
  • the present invention has for its object methods of manufacture to propose sliding contact pieces, which thereafter are not environmentally harmful Contain additions of lead or antimony and nevertheless the favorable operating properties of sliding contact pieces with these environmentally harmful If possible, show substances to an increased extent.
  • This object is achieved according to the principle that in the Manufacturing process either by premixing a copper free matrix or subsequently when mixing a copper-containing matrix as Main mixture is a substitute based on a metal from the group Zinc, tin, bismuth or their alloys is added. After the subsequent one Pressing the sliding contact piece becomes a sintering or subjected to temperature treatment. This essentially occurs selective alloy formation with copper not in all production variants one, but this is given with the below Features advantageously achieved, thereby the stability of the sliding contact piece can be further increased significantly.
  • the added as a substitute Metal predominantly in the graphite / plastic mixture so built in that a shield to the copper, which later added is carried out and alloy formation with the copper is omitted.
  • the addition of the substitute can instead also be carried out subsequently Claim 2 carried out in the mixing of the main mixture with copper become. Only as much substitute is preferably added that not all of the copper or copper matrix is converted into a brass alloy is, but that only so-called brass islands are formed. As a result, there is an advantageous punctual increase in hardness Copper and, for example, tin, which are the stability of the sliding contact piece can increase. However, if such a selective increase in hardness is not desired, it can be minimized by the addition of friction be compensated.
  • the main mixture can according to claim 3 fine copper powder can be added directly with copper.
  • the subsequent temperature treatment of the sliding contact piece can Temperature be kept so low that the brass powder with the Copper has no alloy.
  • the graphite can be premixed with a plastic binder an oxide of the metal from the aforementioned group zinc, tin, bismuth or whose alloys are added.
  • a basic carbonate a metal from the group mentioned zinc, tin, bismuth or their alloys added is particularly preferred because it has particularly favorable properties the sliding contact piece, especially the stability.
  • the basic carbonates added in fine form promote the formation of alloys in which following the preparation of the main mixture Sintering process or with temperature treatment with the result a particularly long service life of the sliding contact pieces.
  • the sintering and temperature treatment of the pressed material takes place as a substitute Sliding contact pieces advantageously with the steps according to claim 10, in a first step, the sliding contact pieces at a temperature in the range 150 to 250 ° C are sintered in a nitrogen atmosphere, in a second step further sintering at an elevated temperature of 300 to 450 ° C is continued, in a third step the sintering Add hydrogen to the sintering atmosphere at a temperature above 450 ° C and finally an alloy formation depending on the time at a temperature above 300 ° C.
  • the sliding contact piece with its advantageous properties, in particular stability, according to one of the invention Process manufactured.
  • the main mixture is mixed with the zinc carbonate in a very fine grain, which is the first stage 5 ZnO.2 CO2.4 H2O represents.
  • the first step is a conversion to a second stage 2 ZN CO3.3 ZNO.
  • the third stage occurs: 5 ZNO.
  • Molecular hydrogen is then added to the sintering atmosphere at a temperature of at least 450 ° C. up to a final temperature of 600 ° C., decomposition of the zinc oxide in a fourth stage Zn entry. Then, depending on the time and temperature from 300 ° C, the zinc with the copper content forms a brass alloy through the fusion, ie without a melting phase.
  • zinc can also be added when the step 4 should be generated.
  • the addition of the basic zinc carbonate can be modified of the example above to a copper-free matrix in the premix take place, the same procedures as described above, but without final alloy formation. Alloy formation is, however, to achieve the high stability of the sliding contact pieces, as mentioned above, particularly advantageous. Otherwise, you can however, the desired lead and antimony replacing effects of the additive in all the conditions described above including alloy formation can be achieved.

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Abstract

Nach einem Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten wird Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt und sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt, welches schließlich gesintert wird. Um die Betriebseigenschaften des Gleitkontaktstücks, welches keine umweltschädlichen Zusätze aufweisen soll, zu verbessern, wird bei dem Vormischen des Graphits und Kunststoffbinders ein Metall aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1,2,4-7.
Die danach hergestellten Gleitkontaktstücke sind insbesondere Kohlebürsten für elektrische Maschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, wobei hohe Stromdichten vor allem bei Startern auftreten.
In dem Bestreben, derartigen Gleitkontaktstücken günstige Eigenschaften sowohl von reinen Kohlekontaktstücken als auch von Metallkontaktstücken mitzuteilen, wurden diese Werkstoffe bei der Herstellung seit langem kombiniert, wobei insbesondere eine innige Verbindung von Kohleteilen mit dem Metall angestrebt wurde (DE 154 287 C).
Weiterhin gehört es zum Stand der Technik, Zusätze von Blei oder Antimon, den übliche Gleitkontaktstücke enthalten und die eine gute Putzwirkung, eine Kühlung des Gleitkontaktstücks im Betrieb und eine gute Gleitfähigkeit an einem Gegenkontaktstück ergeben, jedoch giftig bzw. umweltschädlich sind, zu vermeiden (EP 0525 222 A1). Hierzu wurde eine die obigen Zusätze ersetzende Beimengung von dem Kupfer durch eine deren Legierung verhindernde Schicht getrennt, wozu besondere Fertigungsmaßnahmen zu treffen waren. Als Bleiersatzstoffe bzw. Beimengung dienen insbesondere Zinn und/oder Zink oder deren Legierungen. Die umweltunschädlichen Beimengungen, vorzugsweise Zinn oder Zink, sollten den Grundbestandteilen (Kupfer, Graphit) nicht einfach beigemischt werden, weil sich dann eine Legierung ergäbe, die für den gewünschten Zweck zu hart wäre und keinen ausreichend niedrigen Schmelzpunkt hätte.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Herstellung von Gleitkontaktstücken vorzuschlagen, welche danach keine umweltschädlichen Zusätze an Blei oder Antimon enthalten und gleichwohl die günstigen Betriebseigenschaften von Gleitkontaktstücken mit diesen umweltschädlichen Stoffen möglichst noch in gesteigertem Maße aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach dem Prinzip gelöst, daß bei dem Herstellungsverfahren entweder bei dem Vormischen einer kupferfreien Matrix oder anschließend bei dem Mischen einer kupferhaltigen Matrix als Hauptmischung ein Ersatzstoff auf der Basis eines Metalls aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen, zugesetzt wird. Nach dem anschließenden Pressen des Gleitkontaktstücks wird dieses einer Sinterung bzw. Temperaturbehandlung unterworfen. Dabei tritt eine im wesentlichen punktuelle Legierungsbildung mit dem Kupfer zwar nicht in allen Herstellungsvarianten ein, diese wird aber mit den weiter unten angegebenen Merkmalen vorteilhaft erreicht, wodurch die Standfestigkeit des Gleitkontaktstücks weiter erheblich erhöht werden kann.
Wenn die Zugabe des Metalls als Ersatzstoff aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen gemäß Anspruch 1 bei dem Vormischen von Graphit und Kunststoffbinder erfolgt, wird das als Ersatzstoff zugesetzte Metall zum überwiegendem Teil in die Graphit/Kunststoffmischung so eingebaut, daß eine Abschirmung zum Kupfer, welches später zugegeben wird, erfolgt und eine Legierungsbildung mit dem Kupfer unterbleibt.
Die Zugabe des Ersatzstoffs kann aber statt dessen auch anschließend gemäß Anspruch 2 bei dem Mischen der Hauptmischung mit Kupfer durchgeführt werden. Dabei wird bevorzugt nur soviel Ersatzstoff zugesetzt, daß nicht das gesamte Kupfer bzw. Kupfermatrix zu einer Messinglegierung umgewandelt wird, sondern daß nur sogenannte Messinginseln gebildet werden. Dadurch tritt eine vorteilhafte punktuelle Härtesteigerung gegenüber Kupfer und beispielsweise Zinn ein, welche die Standfestigkeit des Gleitkontaktstücks erhöhen kann. Wenn jedoch eine solche punktuelle Härtesteigerung nicht gewünscht wird, kann sie über eine Minimierung der Reibmittelzugabe kompensiert werden.
Statt der vorgenannten Ersatzstoffe kann gemäß Anspruch 3 der Hauptmischung mit Kupfer direkt feines Messingpulver zugesetzt werden. Bei der anschließenden Temperaturbehandlung des Gleitkontaktstücks kann die Temperatur so niedrig gehalten werden, daß das Messingpulver mit dem Kupfer keine Legierung eingeht.
Als Ersatzstoff kann bei dem Vormischen des Graphits mit Kunststoffbinder ein Oxid des Metalls aus der vorgenannten Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt werden.
Der Zusatz eines solchen Oxids kann wiederum gemäß Anspruch 5 auch bei dem Mischen der Hauptmischung durchgeführt werden.
Besonders bevorzugt wird bei dem Vormischen gemäß Anspruch 6 oder bei dem Mischen der Hauptmischung nach Anspruch 7 ein basisches Carbonat eines Metalls aus der genannten Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt, wobei wiederum basisches Zinkcarbonat nach Anspruch 8 besonders bevorzugt ist, weil sich daraus besonders günstige Eigenschaften des Gleitkontaktstücks, insbesondere der Standfestigkeit ergeben. Die in feiner Form zugesetzten basischen Carbonate fördern die Legierungsbildung bei dem sich an die Herstellung der Hauptmischung anschließenden Sinterungsprozeß bzw. bei der Temperaturbehandlung mit dem Ergebnis einer besonders langen Einsatzdauer der Gleitkontaktstücke.
Im einzelnen werden gemäß Anspruch 9 durch die Zugabe von ca. 2 bis 5 Gewichtsprozenten Zinkhydroxidcarbonat zu ca. 30 bis 70 Gewichtsprozenten Kupfermatrix in der Hauptmischung die weiter oben genannten vorteilhaften Messinginseln bei der anschließenden Temperaturbehandlung gebildet.
Zur Legierungsbildung mit dem in Form des basischen Carbonats zugesetzten Ersatzstoff erfolgt die Sinterung und Temperaturbehandlung der gepreßten Gleitkontaktstücke vorteilhaft mit den Schritten gemäß Anspruch 10, wobei in einem ersten Schritt die Gleitkontaktstücke bei einer Temperatur in dem Bereich 150 bis 250 °C in Stickstoffatmosphäre gesintert werden, in einem zweiten Schritt die Sinterung weiter bei erhöhter Temperatur von 300 bis 450 °C fortgesetzt wird, in einem dritten Schritt die Sinterung unter Zugabe von Wasserstoff zur Sinteratmosphäre bei einer Temperatur über 450 °C fortgesetzt wird und schließlich eine Legierungsbildung zeitabhängig bei einer Temperatur über 300 °C erfolgt.
Gemäß Anspruch 11 ist das Gleitkontaktstück mit seinen vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere Standfestigkeit, nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Im nachfolgenden wird als bevorzugtes Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zugabe von basischem Zinkcarbonat zu einer Hauptmischung mit Kupferanteilen in der Matrix dargestellt.
Der Hauptmischung wird das Zinkcarbonat in einer sehr feinen Körnung zugemischt, welches als erste Stufe 5 ZnO · 2 CO2 · 4 H2O darstellt.
Nach Verpressung des Gleitkontaktstücks erfolgt bei dessen Sinterung in Stickstoffatmosphäre und in einem Temperaturbereich von 150 bis 250 °C, insbesondere 180 °C, als erstes eine Umwandlung zu einer zweiten Stufe 2 ZN CO3 ·3 ZNO. Bei weiterer Temperaturerhöhung in dem Bereich von 300 bis 450 °C tritt die dritte Stufe ein: 5 ZNO. Anschließend wird der Sinteratmosphäre molekularer Wasserstoff bei einer Temperatur von mindestens 450 °C bis zu einer Endtemperatur von 600 °C beigegeben, wobei in einer vierten Stufe eine Zersetzung des Zinkoxids zu Zn eintritt. Danach bildet sich abhängig von Zeit und Temperatur ab 300 °C aus dem Zink mit dem Kupferanteil eine Messinglegierung durch die Fusion, d.h. ohne Schmelzphase.
In einer Variante ist der Zusatz von Zinkoxid möglich, wenn die Stufen 2 und 3 erzeugt werden sollen.
Als weitere Variante kann auch der Zusatz von Zink erfolgen, wenn die Stufe 4 erzeugt werden soll.
Grundsätzlich kann die Zugabe des basischen Zinkcarbonats in Abwandlung des obigen Beispiels auch zu einer kupferfreien Matrix in der Vormischung erfolgen, wobei die gleichen Vorgänge wie oben beschrieben, jedoch ohne abschließende Legierungsbildung, durchlaufen werden. Die Legierungsbildung ist allerdings zum Erzielen der hohen Standfestigkeit der Gleitkontaktstücke, wie oben erwähnt, besonders vorteilhaft. Im übrigen können jedoch die angestrebten, blei- und antimonersetzenden Wirkungen des Zusatzstoffes in allen oben beschriebenen Zuständen einschließlich einer Legierungsbildung erreicht werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten, bei dem Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt wird, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt wird, sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt wird, welches schließlich gesintert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Vormischen des Graphits und Kunststoffbinders ein Metall aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten, bei dem Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt wird, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt wird, sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt wird, welches schließlich gesintert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Mischen der Hauptmischung mit Kupfer ein Metall aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Mischen der Hauptmischung mit Kupfer Messingpulver zugesetzt wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten, bei dem Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt wird, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt wird, sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt wird, welches schließlich gesintert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Vormischen von Graphit und Kunststoffbinder ein Oxid eines Metalls aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten, bei dem Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt wird, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt wird, sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt wird, welches schließlich gesintert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Mischen der Hauptmischung ein Oxid eines Metalls aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten, bei dem Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt wird, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt wird, sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt wird, welches schließlich gesintert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Vormischen von Graphit und Kunststoffbinder ein basisches Carbonat eines Metalls aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten, bei dem Graphit mit einem Kunststoffbinder warm vorgemischt wird, dann die daraus entstandene Vormischung kalt mit Kupfer gemischt wird, sodann die damit hergestellte Hauptmischung zu dem Gleitkontaktstück verpreßt wird, welches schließlich gesintert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Mischen der Hauptmischung ein basisches Carbonat eines Metalls aus der Gruppe Zink, Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7,
    gekennzeichnet durch
    Zinkcarbonat als basisches Carbonat.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß ca. 2 bis 5 Gewichtsprozent Zinkhydroxidcarbonat zu ca. 30 bis 70 Gewichtsprozent Kupfermatrix in der Hauptmischung zugegeben werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere der Ansprüche 6 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitkontaktstücke in einem ersten Schritt bei einer Temperatur in dem Bereich 150 bis 250 °C in Stickstoffatmosphäre gesintert werden, daß in einem zweiten Schritt die Sinterung weiter bei erhöhter Temperatur von 300 bis 450 °C fortgesetzt wird, daß in einem dritten Schritt die Sinterung unter Zugabe von Wasserstoff zur Sinteratmosphäre bei einer Temperatur über 450 °C bis zu einer Endtemperatur von 600 °C fortgesetzt wird und schließlich als vierter Schritt eine Legierungsbildung zeitabhängig bei einer Temperatur über 300 °C erfolgt.
  11. Gleitkontaktstück für mittlere bis hohe Stromdichten auf
    Kupfer-/Kohlenstoffbasis mit einer Beimengung eines Metalls,
    dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
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