DE3217217C2

DE3217217C2 - Kontaktbürste und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE3217217C2
Application number: DE3217217A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Mishima Shizuoka Ikegami; Takashi Sunto Shizuoka Osaki
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd; Toho Beslon Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd; Teijin Ltd
Priority date: 1981-05-09
Filing date: 1982-05-07
Publication date: 1985-04-04
Also published as: GB2101415A; JPS57185685A; GB2101415B; US4443726A; DE3217217A1

Abstract

Eine elektrische Kontaktbürste besteht in einem Bürstenabschnitt aus einem Bündel metallbeschichteter Kohlenstoff fasern, die zueinander parallel angeordnet sind. Ein Basisabschnitt enthält einen Bereich, in dem die metallbeschichteten Kohlenstoffasern durch Diffusion im Heißpreßverfahren miteinander verbunden sind, und wenigstens ein Metallstück ist in demselben Verfahrensschritt mit dem Faserbündel durch Diffusion vereinigt worden. Die Bürste hat ausgezeichnete Lebensdauer und Leitfähigkeitswerte.

Description

29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet daß die metallbeschichteten Kohlenstoffasern durch Ionenplattierung beschichtet werden.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kontakbürste gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere · auf Hochleistungskontaktbürsten für die Verwendung als elektrische Leiter und insbesondere auf Kontaktbür-Jf sten. die Kohlefasern enthalten und deren Leitfähigkeit durch Metallbeschichtung erhöht worden ist sowie ein

jf Verfahren zu ihrer Herstellung.

f| Graphitklötzchen oder Klötzchen aus einer Graphit-Metall-Pulvermischung haben bisher als Ko ntaktbürsten

^l gedient Diese Graphitbürsten sind jedoch brüchig, und darüber hinaus werden durch neuere Fortschritte bei ·■

if elektrischen Maschinen Werkstoffe benötigt, die eine höhere Stromleitfähigkeit besitzen. Aus diesen Gründen

H wurde vorgeschlagen. Kontaktbürsten mit Kohlenstoffasern zu verwenden.

i| Da Kohienstoftasern elektrisch leitfähig und flexibel sind, haben unter Verwendung derartiger K.ohienstoifa-

Ip sern hergestellte Bürsten eine höhere Stroniieitfähigkeit und bessere Gleiteigenschaften als herkömmliche

fj| Bürsten in Gestalt von Graphitklötzchen. Durch Beschichten der Kohlenstoffasern mit einem Metall läßt sich die

fi elektrische Leitfähigkeit noch weiter steigern. Derartige Bürsten sind z. B. in der US-PS 38 21 024 beschrieben.

$ Die Stromleitfähigkeit kann einer solchen Bürste mittels eines Vielfachpunktkontakts vermittelt werden,

i| indem ein Ende der Kohlenstoffasern mit einer Kappe verbunden wird, wodurch die elektrische Leitfähigkeit _c.

gj jeder Faser ausgenutzt wird, während das andere Ende der einzelnen Fasern frei bleibt so daß es frei beweglich

$ ist Um diese Anordnung der metallbeschichteten Kohlenstoffasern zu erhalten, werden Verfahren angewendet,

§ bei denen ein Ende des Faserbündels durch einen Klebstoff befestigt oder an Metallplatten festgeklebt wird, um

ψ so eine Basis herzustellen. Diese Verfahren geben jedoch Anlaß zu Schwierigkeiten, d. h„ die Stromleitfähigkeit .ΐ ist herabgesetzt und die Kohlenstoffasern unterliegen der Gefahr, sich abzulösen oder zu brechen. Außerdem

8 stellt der Widerstand der Verbindung der Basis mit der Kappe und der Kappe mit einem Draht eine Problemstel-

Si Ie dar. Speziell bei dem Verbinden der Basis mit der Kappe ist es nötig, Techniken wie Löten oder Schweißen

f< anzuwenden, weil die Oxydation der Kohlenstoffasern und Reaktionen zwischen den Kohlenstoffasern und dem

;j Metall vermieden werden sollten. In diesem Fall werden jedoch sehr eingehende Kontrollen benötigt, so daß

Massenproduktion schwierig wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bürste mit ausgezeichneter Haltbarkeit und hoher Stromleitfähigkeit sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bürsten zu schaffen. Zudem soll die erfindungsgemäßi? Bürste einen Aufbau haben, der die Herstellung in einem sehr einfachen Verfahren ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und 25 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Erfindung schafft eine Bürste mit sehr guten Eigenschaften und ist äußerst einfach herzustellen.
Im einzelnen zeigt die Zeichnung zur ErläuCerung der Erfindung in -

F i g. 1-a eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kontaktbürste.

Fig. 1 -b einen Schnitt durch die Bürste nach F i g. 1 -a,

F i g. 2.3 und 4 Schnittansichten weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kontaktbürste,
F i g. 5-a bis 5-d Querschnitte in verschiedenen Schnittebenen durch eine Bürste nach der Erfindung,
F i g. 7 in Schnittdarstellung eine Bürste gemäß der Erfindung im Einsatz,

Fig.8 in schematischer Schnittansicht den Zustand des metallbeschichteten Kohlenstoffaserbündels und zweier Metallstücke vor dem Heißpreßvorgang während des Herstellungsverfahrens der Bürste,

F i g. 9 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Heißpreßvorgangs der in F i g. 8 gezeigten Beschichtung.
Der Ausdruck »Festkörperdiffusionsverklebung« soll in der nachfolgend benutzten Anwendung bedeuten, daß zwei metallische Festkörper unmittelbar durch gegenseitiges !neinanderdringen ihrer Atome durch einen Preßvorgang unter Hitzeeinwirkung miteinander verklebt sind. Der Vorgang ist auch als Festkörperdiffusionsschweißur.g oder Festkörperphasen-Diffusionsverklebung bekannt. f,

In der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht zeigenden Fig. 1-a weist die Kontaktbürste metallbeschichtete Kohlenstoffasern 1 auf, die in einem Bürstenteil 2 zu einem Faserbündel zusammengefaßt sind, während in einem anderen Abschnitt 3 die Kohlenstoffasern zu einem Verbundkörper durch Fcststoffdiffusionsverklebung miteinander verklebt sind, wodurch sich em Basisteil 4 ergibt, während in einem Zwischenbereich 5 der Grad der Feststoffdiffusionsverklebung, ausgehend vom Basisteil 4 bis hin zum t>o Bürstenabschnitt 2 graduell abnimmt; mit 6 sind elektrisch leitfähige Metallstücke und mit 7 Anschlußdräbie bezeichnet. Der in der Zeichnung dargestellte Rechteckquerschnitt ist nicht der einzig mögliche. Die Bürste kann auch quadratisch, oval oder kreisförmig im Querschnitt sein, wenngleich aus Anwendungsgründen die meisten Bürsten Rechteckquerschniti haben.

Die Länge der Kühlenstoffasern ist nur dadurch begrenzt, daß sie mit ihrer MetaMbeschichtung eine derartige tn mechanische Festigkeit haben müssen, daß sie als Kontaktoürsten verwendet werden können. Für die Erfindung werden vorzugsweise Kohlenstoffasern verwendet, deren Zugfestigkeit größer als 10kp/mm^J, deren Elastizitätsmodul unter Zugbeanspruchung über 10 000kp/mm² und deren Zugdehnung über 0,1% liegt, wob^ci diese

Werte vorzugsweise größer als 100 kp/mm², 20 000 kp/mm^J bzw. 03% sind. Die Kunststoffasern sind gewöhnlich aus Polyacrylnitril, Reyon oder Pech hergestellt und als Kohlenstoffasem mit hohem Elastizitätsmodul. Kohlenstoffasern mit hoher Festigkeit oder Kohlenstoffasem mit niedrigem Elastizitätsmodul bekannt. Die mechanischen Eigenschaften dieser Fasern sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. Die verwendeten Kohlenstoffasern haben gewöhnlich eine Dicke zwischen 5 und 10 μ, wofür die erforderliche Festigkeit und Flexibilität der Bürste maßgebend ist.

	Kohlenstoffaser mit hoher	Zugfestigkeit	Zugelastizitätsmodul	Zugdehnung
10	Festigkeit	(kp/mm²)	(kp/mm^J)	(%>
Kohlenstoffaser mit niedrigem	>300	20 000-30 000	>1
!5 Elastizitätsmodul
Kohlenstoffaser mit hohem	>100	> 20 000	>0.5
Elastizitätsmodul
>!50	> 30 000	>0.3

Die für die Beschichtung der Kohlenstoffaser verwendeten Metalle sind elektrisch leitend. Man verwendet dazu z. B. Gold. Silber, Kupfer, Aluminium, Zink, Zinn, Magnesium, Eisen, Nickel, Kobalt. Chrom oder ihre Legierungen. Bevorzugt verwendet werden Kupfer, Aluminium. Silber und Legierungen, die wenigstens zwei dieser Metalle als Komponenten enthalten, im Hinblick auf ihre gute elektrische Leitfähigkeit.

Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 und 4 μ. 1st sie geringer als 0,1 μ. wird die Leitfähigkeit unzureichend, während bei Stärken von mehr als 4 μ im Gebrauch Metall abgegeben wird und sich auf der Lauffläche der Kontaktbürsten absetzt. Die Dicke der Metallbeschichtung wird deshalb vorzugsweise im Rahmen von 0.5 bis 3 μ gewählt

Die Metallbeschichtung kann durch Elektroplattiemng. chemisdoe Plattierung, chemische Bedampfung oder loncnplattierung erfolgen, wobei letztere eine besonders gleichmäßige Beschichtung und ein sehr festes Haften der Metallschicht auf den Kohlenstoffasern ermöglicht. Wie in der US-PS 41 32 828 beschrieben, werden die Fasern von Kohienstoffaserbündeln beim Ionenplattieren, wenn sie in geeigneter Weise aufgespreizt sind, sehr gleichmäßig von dem Metall überzogen, und die so beschichteten Fasern verkleben an geeigneten Punkten miteinander, so daß eine metallbeschichtete Kohlenstoffaserplatte mit Netzstruktur erzeugt werden kann. Die hier verwendeten metallbeschichteten Kohlenstoffasern können derartige Verklebungspunkte haben, daß die für eine Kontaktbürste benötigte Flexibilität nicht verlorengeht. Im Sinne der Erfindung können die mit derartigen Verklebungspunkten versehenen Kohlenstoffasern als voneinander getrennt oder voneinander unabhängig betrachtet werden.

Die Fasern die den Bürstenabschnitt des Faserbündels abgeben, sind folglich im wesentlichen voneinander unabhängig. Man schafft vorzugsweise einen Zwischenbereich zwischen dem Bürstenabschnitt und dem Basisteil, wie in F i g. 1-a gezeigt. In diesem Übergangsabschnitt nimmt der Gesamtquerschnitt des Faserbündels wie auch der unabhängige Zustand der Einzelfasern allmählich ab. Eine derartige Zone kann als Übergangs- oder Pufferzone betrachtet werden, wo die auf die Fasern des Bürstenabschnitts einwirkenden Kräfte in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung vermindert sind, so daß die Möglichkeit, daß die Fasern brechen, weiter herabgesetzt ist

Die Metallstücke, die Teil des Basisteils sind, können aus irgendeinem der oben für die Beschichtung aufgeführten Metalle bestehen. Wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit eignen sich besonders Kupfer. Aluminium. Silber und Legierungen daraus. Die Metalle der Faserbeschichtung und die Metallstücke müssen nicht unbedingt von derselben Metallsorte sein. Die Metallstücke sollten jedoch einen Schmelzpunkt haben, der höher als der Schmelzpunkt der Metallbeschichtung der Fasern liegt. Der Grund dafür wird nachfolgend noch deutlich. Verschiedene Kombinationen können verwendet werden, wie aluminiumbeschichtete Kohlenstoffasern/Alum·- niumstücke, aluminiumbeschichtete Kohlenstoffasern/Kupferstücke. Aluminium-Magnesiumlegierungsbeschichtete Kohlenstoffasern/Kupferstücke. kupferbeschichtete Kohlenstoffasern. Kupfer-Zinnlegierungs-Stükke und silberbeschichtete Kohlenstoffasern/Kupferstücke.

Das Metallstück wird auf der Seite des Basisteils angesetzt Wie die Zeichnung zeigt, wird durch das Metallstück die Querschnittsfläche des Basisteils vergrößert so daß der Widerstand der Bürste abnimmt und die elektrische Leitfähigkeit steigt Im Gebrauch wird die Bürste durch den Bürstenhalter an ihren Seitenflächen gehalten. Damit der Bürstenhalter nicht mit dem eigentlichen Bürstenabschriitt in Berührung kommt, ist die Dicke des Basisteiis vorzugsweise so gewählt daß seine Seitenflächen über den Bürstenabschnitt hervorragen.

Das Metallstück kann beliebige Form haben, solange die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben damit erzielt werden. Besonders gut eignen sich plattenförmige Metallstücke mit zugespitzten Enden, wie sie in den F i g. I bis 4 gezeigt sind, wodurch das Abbrechen der metallbeschichteten Kohlenstoffasern dort, wo sie mit den Metallstücken schichtweise zusammengefügt sind, verhindert werden kann und das Zusammenfügen mit den Kohlenstoffasern erleichtert wird. Der Übergang vom rechteckförmigen Teil auf den spitz zulaufenden Teil kann entweder unter einem Knickwinkel β erfolgen, wie in F i g. 1 gezeigt oder in einer Rundung, wie es die F i g. 2 und 4 zeigen. Ein abgerundeter Übergang vermindert die Gefahr, daß die Kohlenstoffasern brechen. Um die Bruchgefahr für die Kohlenstoffasern zu verringern, wird ihr maximaler Knickwinkel, d. h. der Winkel λ in F i g. I -a, auf 60° und vorzugsweise auf weniger als 45° festgelegt

Gemäß der Erfindung kann eine Kontaktbürste einen Aufbau haben, wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt wobei die metallbeschichteten Kohlenstoffasern zwischen zwei Metallstücke eingespannt sind. Bei dem Aufbau nach

F i g. 3 ist wenigstens ein Mittelstück in das Kohlenstoffaserbündel eingesetzt, während beim Aufbau nach F i g. 4 ein Metallstück einseitig gegen das Bündel der metallbeschichten Kohlenstoffasern gesetzt ist. Es kann auch eine Bürste so hergestellt sein, daß wenigstens ein Metallstück auf jeder Seite vorgesehen ist und ein Metallstück in das Kohlenstoffascrbündcl eingesteckt ist. Gewöhnlich sind jedoch aus praktischen Erwägungen und Gründen einfacher Herstellung entweder ein Metallstück vorgesehen, wie es die F i g. 3 und 4 zeigen oder Metallstücke ^r. gemäß den F i g. I oder 2. Abhängig von den Abmessungen der Bürste können jedoch auch wesentlich mehr Me.t:,*stücke verwendet werden. Bei der Herstellung einer Bürste mit großen Abmessungen wird, wenn die Zahl der Mttallstücke klein ist, der maximale Knickwinkel der Kohlenstoffasern größer, so daß sie leichter beschädigt werden können. Mit zunehmender Größe der Bürste wählt man deshalb eine steigende Anzahl von Metallstükken. ίο

Die Dicke, d. h. die Größe h in F i g. 1 -a, der Basis in Richtung senkrecht zu den durch den Halter gehaltenen Seitenflächen ist vorzugsweise größer als die Dicke h des Bürstenteils in derselben Richtung. Dies läßt sich durch geeignete Auswahl der Dicke l\ des Metallstücks erzielen, so daß die durch den Halter geführte Seitenfläche weiter außen als die Seitenfläche des Bürstenteils liegt. Dadurch wird vermieden, daß der Halter mit den Kohlenstoffasern des Bürstenteils in Berührung kommt. Für die Darstellung der F i g. 1 -a bedeutet das. daß die Strecke J/größer als Null ist.

Ein Ende einer Bürstenanschlußlitze steckt entweder zwischen den Kohlenstoffasern des Basisteils, zwischen dem Metaüstück und den Fesern Mid wird dort durch Diffusionsverklebung gehalten, oder ist mit dem Endabschnitt des Metallstücks auf der dem Bürstabschnitt gegenüberliegenden Seite verbunden.

Die obige Erläuterung wurde an einem plattenförmigen Metallstück gemacht, d. h. einem solchen mit Rechtcckquerschnitt, doch können Metallstücke unterschiedlichster Form bei der Erfindung verwendet werden, beispielsweise mit Rechteckquerschnitt solche, deren mit dem Halter in Berührung kommende Fläche kreisbogenförmig ist usw. Gewöhnlich wird jedoch ein rechteckiges Metallstück aus denselben Gründen, die für die Querschnittsform der Bürste maßgebend sind verwendet Unabhängig von der Position, die das Metallstück einnimmt, d. h. außerhalb des Basisteils oder innerhalb, werden bevorzugt Metallstücke gewählt, die sich über die :5 gesamte, vom Halter zu erfassende Oberfläche und die Oberfläche parallel dazu erstrecken, da es dadurch leichter wird, den Überstand .4/größer als Null zu machen und die Handhabung leichter wird, und der Gesamtkörper läßt sich auch leichter herstellen.

In dem Teil des Basisteils, in dem die metallüberzogenen Kohlenstoffasern miteinander verklebt sind, ist das Pac\ungsverhältnis der metallbeschichteten Kohlenstoffasern, d. h. der von den Kohlenstoffaserquerschnitten eingenommene Raum gegenüber den Zwischenräumen, zwischen 90 und 100% und vorzugsweise zwischen 95 und 100%. Im Bürstenabschnitt beträgt das Packungsverhältnis der metallbeschichteten Kohlenstoffasern zwischen 5 und 75% und vorzugsweise zwischen 10 und 40%. ist das Packungsverhältnis an der Basis geringer als 90%. dann wird die Metallverklebung ungenügend, was einen erhöhten Widerstand bedeutet. Bei einem Pakkungsverhältnis des Bürstenteils von weniger als 5% kann die Bürste leicht brechen, weil die einzelnen Kohlen- jö stoffasern leicht brechen. Bei einem über 75% liegenden Packungsverhältnis ist die Flexibilität der Bürste gering, so daß sie nicht mehr gut eingesetzt werden kann. Querschnitte durch die Bürste der F i g. i an verschiedenen Stellen sind in den F i g. 5-a bis 5-d wiedergegeben. F i g. 5-a zeigt einen Querschnitt durch den Bürstenabschnitt. F i g. 5-b und 5-c durch den Zwischenbereich einmal in der Nähe des Bürstenabschnitts und einmal in der Nähe des Basisteils, und F i g. 5-d einen Querschnitt durch das Basisteil. Mit 11,12 und 13 sind die Kohlenstoffasern. die ■ Metallbeschichtung und Bereiche, in denen das die Fasern beschichtende Metall miteinander verklebt ist. bezeichnet.

Wenn die erfindungsgemäße Bürste dort verwendet wird, wo auch bei geringer Funkenbildung bereits Kurzschluß auftritt ist es möglich, diese Funkenbildung aufgrund von abgebrochenen Fasern dadurch zu verhindern, daß der Bürstenteil mit einem geeigneten Harz getränkt wird. Für diesen Zweck können thermisch 4=, abbindende Harze wie Epoxyharz und Fluorinharz. wie Polytetrafluorethylen und ein Phenolharz verwendet werden. Das Harz kann in üblicher Weise auf die Bürste aufgebracht werden, wie es z. B. in der japanischen Patentanmeldung 1 15 004/78 beschrieben ist Die verwendete Harzmenge ist so gewählt daß der Bürstenabschnitt seine erforderliche Flexibilität nicht verliert Es werden gewöhnlich etwa 10 Gew.-% Harz, bezogen auf das Gewicht der metallbeschichteten Kohlenstoffasern. zugesetzt Die Seite des Basisteils, die im Halter geführt wird, wird einer Isolierbehandlung unterzogen, indem sie niit isolierenden Werkstoffen wie Bornitrid oder Ethylentetrafluoridharz beschichtet wird, wie dies von herkömmlichen Bürsten bekannt ist, um so eine Beschädigung durch Reibung zu vermeiden und zu isolieren. So kann z. B. Bornitrid in Alkohol gelöst und dann für die Isolierbehandlung aufgebracht werden, oder Bornitrid kann unter Verwendung von Hydrocarbonfluorid aufgesprüht werden.

Nachfolgend wird ein Vergleich zwischen herkömmlichen Bürsten und der erfindungsgemäßen Bürste gezogen. F i g. 6 zeigt eine herkömmliche Kontaktbürste für Stromübergabe. Der Bürstenteil ist mit 21, mit 22 eine Kappe, mit der die Bürste in einem Halter 24 geführt wird, mit 23 die Stromführungslitze, die an der Kappe 22 befestigt ist und mit 25 ein Rotor bezeichnet Bei der herkömmlichen Bürste werden derartige Kappen nach der Bürstenproduktion angebracht und etwa aufgeschweißt oder mit einem Bindemittel befestigt F i g. 7 7<;igt eine μ erfindungsgemäße Bürste im Einsatz, wobei mit 26 die Bürste mit ihrer direkt verbundenen Anschlußlitze 7 , bezeichnet ist Diese Bürste ist ohne Verwendung einer derartigen Kappe unmittelbar im Halter 24 geführt. Die Besonderheit der erfindungsgemäßcn Bürste besteht darin, daß durchgehende Kohlenstoffasern sowohl zur Bildung des Bürstenabschnitts als auch des Basisteils verwendet werden und die Fasern im Basisteil zu einem Verbundwerkstoff verklebt werden, so daß keine Kohlenstoffasern herausgieiten können. Da der Zwischenbe- t>5 reich gemäß obiger Beschreibung ausgebildet ist, brechen im Betrieb keine Kohlenstoffasern im Bürstenleil ab. Zwischen Basisteil und Bürstenteii befindet sich nichts, was den Stromfiuß behindert. Das Metallstück mit seiner guten elektrischen Leitfähigkeit ist in einer solchen Position angebracht daß dadurch der Querschnitt des

Basi.steils vergrößert wird. Die metallbeschichteten Kohlenstoffasern selbii sind durch Diffusionsvcrklebiing untereinander und in gleicher Weise mit dem Metallstück verbunden. Damit ist der Widerstandswert klein. Durch Befestigen der Anschlußlitze am Basisteil durch Diffusionsverklebung ist auch der Widerstand zwischen Basisteil und Litze gering. Bei herkömmlichen Bürsten ist wie F i g. 6 erkennen läßt, eine Kappe an der Basis angebracht, wozu ein Kleber verwendet wird, damit die Bürste im Halter gehalten werden kann. Der Kleber verschlechtert die Leitfähigkeit. Bei der erfindungsgemäßen Bürste brauchen dagegen derartige Kappen nicht verwendet zi werden, so daß die Leitfähigkeitsverschlechterung nicht hingenommen zu werden braucht. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Bürste hat einen einfacheren Aufbau und eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, und da überdies ihre Neigung zu brechen verringert ist, besitzt sie eine lange Lebensdauer. Die

in erfindungsgemäße Bürste kann in einem sehr einfachen Verfahren, das nachfolgend näher beschrieben wird. hergestellt werden.

Bei der Herstellung der Bürste werden metallbeschichtete Kohlenstoffasern zueinander parallel zu einem Bündel geformt wobei ein Ende des Bündels, das den Bürstenteil abgeben soll, im Zustand voneinander unabhängiger, paralleler Fasern belassen wird. Wenigstens ein Metallstück wird auf einer Seite oder innerhalb

Ii des Bündels derart angeordnet daß ein Ende des Metallstücks mit dem dem Bürstenteil gegenüberliegenden Ende des Faserbündels abschließt. Durch Heißverpressen werden die metallbeschichteten Kohlenstoffasern untereinander und mit dem Metallstück durch Festkörperdiffusion verklebt, so daß ein Verbundkörper entsteht, der den Basisteil bildet.
Die schematisierte Längsschnittdarstellung der F i g. 8 zeigt den Zustand, bei dem das Faserbündel und zwei Metallplatten aufeinandergeschichtet sind, bevor der Heißpreßvorgang ausgeübt wird. F i g. 9 zeigt schematisiert im Längsschnitt den Zustand, in dem das Laminat der F i g. 8 heißverpreßt wird. Die mit 31 und 32 bezeichneten Elemente sind Preßplatten, deren Gestalt die endgültige Form der Bürste bedingt. Die Preßplatten haben einen zurückspringenden Teil A und einen vorspringenden Teil B. Der Teil A preßt den Abschnitt der Bürste, wo sich das Metallstück zur Bildung des Basisteils der Bürste befindet, während der Teil Öden Teil preßt aus dem der Bürstenabschnitt entstehen soll, oder kommt zumindest mit diesem Teil in Berührung. Formteile 33 und 34 dienen dazu, die beiden Enden der Bürste zu halten und zu verhindern, daß die Preßplatten 31 und 32 ausweichen. Mit 35 ist ein Ablösemittel bezeichnet wie Graphitpulver und Bornitrid. Bei Erhitzung und Pressen in diesem Zustand werden im Bereich A die metallbeschichteten Kohlenstoffasern durch Festkörperdiffusion miteinander verklebt, und außerdem ergibt sich eine Festkörperdiffusionsverklebung der Metallschicht auf den

jo Kohlenstoffasern mit dem Metallstück. Im Abschitt B werden die Fasern bei Erhitzung und Pressung parallel zueinander gehalten, ohne daß sie miteinander verkleben. Bei Anwendung dieses Herstellungsverfahrens wird auf natürliche Weise ein Zwischenbereich gebildet zwischen dem Basisteil und dem Bürstenabschnitt. Erhält das Metallstück eine scharf auslaufende Kante, und wird der Steigungswinkel verändert, so kann der Grad der Veränderung zwischen dem verfestigten Zustand und dem Einzelzustand der Fasern verändert werden.

Um eine Festkörperdiffusionsverklebung zu erhalten, wählt man vorzugsweise eine Heißpreßtemperatur unter dem Schmelzpunkt der Metallbeschichtung der Fasern, jedoch höher als die Hälfte der Absoluttemperatur des Schmelzpunktes dieses Metalls, und außerdem sollte die Temperatur niedriger ais der Schmelzpunkt des Metalls oder der Legierung des Metallstückes sein. Ist die Heißpreßtemperatur höher als der Schmelzpunkt des Beschichtungsmetalls, so schmilzt dieses, und es kann die gewünschte Bürste nicht mehr erzeugt werden. Ist dagegen die Heißpreßtemperatur niedriger als der untere Grenztemperaturwert dann könnte die Preßverklebung des BasisabschnLus unzureichend sein. Ist die Heißpreßtemperatur gleich dem Schmelzpunkt des Metalls oder der Legierung des Metallstückes oder höher als dieser, könnte beim Heißpressen das Metallstück deformiert werden. Der Preßdruck kann in Abhängigkeit von der Preßtemperatur verändert werden. Die Drücke liegen gewöhnlich zwischen 1 und 2000 kp/cm². Ist die Preßtemperatur nahe dem Schmelzpunkt des Beschichtungsmetalls, wählt man einen Preßdruck von etwa 1 kp/cm². Ist die Preßtemperatur niedriger, ist ein höherer Preßdruck erforderlich. Wenn jedoch der Preßdruck 2000 kp/cm² übersteigt, besteht die Gefahr, daß die Kohlenstoffasern brechen, was unerwünscht ist Das Heißpressen wird in Richtung senkrecht zur Fläche des Metallstückes ausgeübt welches parallel zur Oberfläche angeordnet ist in der die Bürste durch den Halter gehalten wird. Das Heißpressen wird unter solchen Bedingungen durchgeführt daß, wenn der Preßvorgang einmal ausgeführt ist die beschichteten Kohlenstoffasern untereinander und die metallbeschichteten Kohlenstoffasern mit dem Metallstück zu einem Verbundmaterial gleichzeitig durch Diffusion verklebt sind.

Der Heißpreßvorgang kann in Luft durchgeführt werden, wird vorzugsweise jedoch zur Vermeidung der ₍ Oxidation der Metallbeschichtung im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre ausgeführt, z. B. unter Argon,

oder auch unter einer reduzierenden Gasatmosphäre wie Wasserstoff. Für eine besonders gute Verklebung wird der Heißpreßvorgang im Vakuum durchgeführt

Nach durchgeführter Heißverpressung ist eine Bürste gemäß Fig. 1-a entstanden. Im Anschluß daran wird von einem Ende her in das Metallstück ein Loch 8 gebohrt und die Litze wird dann angeschweißt hartverlötet oder weichverlötet Wenn die Litze zwischen den Fasern und dem Metallstück oder auch zwischen den Fasern selbst angeordnet werden soll, wie es die F i g. 2 oder 3 zeigen, so wird sie vor dem Heißpressen dort eingelegt, so

w) daß mit dem Heißpressen selbst das Ende der Litze mit dem Basisteil verbunden ist Für den Fall erhält die Form vorzugsweise ein Loch auf der Basisseite an einer Stelle, wo die Litze angebracht werden soll, und diese wird durch das Loch zwischen die Kohlenstoffasern oder zwischen die Fasern und das Metallstück eingeführt. Bei Befestigung der Litze zwischen den Fasern und dem Metallstück erhält letzteres vorzugsweise eine Kerbe, in die die Litze eingelegt wird. Eine so hergestellte Bürste wird gewöhnlich einer Behandlung unterworfen, damit das

b5 Ende des Bürstenteils eine ebene Fläche erhält Diese Behandlung ist z. B. Beschielten des Endes des Bürstenabschnitts mit einer umlaufenden Schleifpapierscheibe.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Bürste mit sehr guten Eigenschaften auf äußerst • vereinfachte Weise gewonnen. Nachfolgend sind zur Erläuterung einige Beispiele aufgeführt

Beispiel 1

Bündel von 12 000 Kohlenstoffasern (Durchmesser 7 μ, Zugfestigkeit 300 kp/mm², Zugelastizitätsmodul 24 000 kp/mm², Zugdehnung 13%) werden in para'.leler Ausrichtung auf eine Breite von etwa 10 cm ausgebreitet. Die Kohlenstoffasern werden so in einem Vakuumbehälter angeordnet, in dem Reinaluminium von s'wem Hochfrequenzofen in einer 2 χ 10~⁷ Torr-Argon-Atmosphäre verdampft worden ist, wobei an den Fasern eine negative Spannung von 1 kV angelegt ist. Durch lonenplattierung schlägt sich ein Aluminiumüberzug in einer Dicke von 1,5 μ auf den Fasern nieder. Da zwischen den so hergestellten beschichteten Aluminiumfasern Metallverbindungen bestehen, entsteht ein Blatt aluminiumbeschichteter Kohlenstoffasern. Auf diese Weise werden 190 Blätter mit einer Länge in Richtung der Fasern von 50 mm und einer Breite von 30 mm hergestellt. * in Diese Blätter kommen in eine Form, die mit einem Ablösemittel (Bornitrid) ausgekleidet ist, wi«s in F i g. 9 gezeigt. Die dabei verwendete Form hat eine Länge (in Richtung der Fasern) von 50 mm und eine Breite von ' 30 mm. Die Länge des vertieften Abschnitts (A) beträgt 26 mm, die Länge des vorspringenden Formab^chnitts (B) 15 mm. der Neigungswinkel zwischen (A)und ^beträgt 30° {y in F i g. 9) und die Differenz in den Abständen zwischen den zurückspringenden Bereichen und den vorspringenden Bereichen der Preßplatte, d.h. 2 Al in Fig. l-a.ist to mm.

Zunächst wird eine Reinaluminiumplatte (99,9%) mit einer Breite von 30 mm, einer Dicke von 7 mm und einer · Länge von 35 mm in ihrer Form der Preßform angepaßt, d. h„ die Außenseite, die die Außenseite der Bürste zu bilden hat, wird von einer 26 mm vom Ende entfernten Stelle unter einem Winkel von 30° abgeschrägt, und die Innenseite, Hie die Innenseite der Bürste zu bilden hat, wird in gleicher Weise von einem Punkt bei 31 mm in einem 30°-Winkel (din F i g. 9) abgeschrägt, um ein Metallstück mit einer scharfen Schneide zu erzeugen, wie es in der Fig.l-a gezeigt ist, welches dann in die Form eingelegt wird. Wenn die Hälfte der in obiger Weise hergestellten, aluminiumbeschichteten Kohlenstoffaserblätter mit zueinander parallel verlaufenden Kohlenstoffasern im Bürstenteil in die Form eingelegt ist, werden zwei Drähte oder Litzen aus hochreinem Aluminium (99,999%) mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 100 mm durch in die Form 33 eingebohrte Löcher derart eingesetzt, daß ein 10 mm langer Abschnitt des Drahtes zwischen die aluminiumbeschichteten Kohlenstoffaserbiätter mit einem Abstand von 8 mm von der Mitte dieser Blätter eindringt. Anschließend werden die restlichen Blätter aus aluminiumbeschichteten Kohlenstoffasern in die Form eingelegt, und es wird eine weitere Reinaluminiumplat.'e derselben Größe und Form wie die erste in der Form plaziert.

Die Form kommt dann in einen Vakuum-Heißpreßapparat, in dem ein Heißpreßvorgang bei 480°C.und 700 kp/cm² während 15 Minuten durchgeführt wird. Es entsteht dabei eine Bürste mit zwei Anschlußdrähten, die eine Breite von 30 mm, eine Länge von 50 mm, eine Dicke des Bürstenabschnitts von 5,4 mm (Packungsverhältnis 28%) und eine Dicke des Basisteils von 15,4 mm aufweist. Dabei beträgt die Dicke der im Basisteil zusammengedrückten Schicht der aluminiumbeschichteten Kohienstoffasern 1,5 mm (Packungsverhältnis 99%), während die Gesamtstärke der Aluminiumplatten 135 mm ist. Diese Bürste hat ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit.

Beispie! 2

Es werden dieselben Kohlenstoffaserbündel wie in Beispiel 1 in einer Breite von etwa 10 cm ausgebreitet und mit einer Aluminium-Magnesiumlegierung (Magnesiumgehalt etwa 3 Gew.-%) durch lonenplattierung mit einer Stärke von etwa 2 μ beschichtet, so daß blattförmige Faserbündel entstehen. Aus dem so hergestellten Blatt werden Blatteile von 50 mm Länge und 30 mm Breite geschnitten, und zwar in einer Anzahl von 500 Stück. Zunächst werden in eine Form wie die aus dem Beispiel 1 250 Blättchen eingelegt. Auf diesen Blaüchenstr fcl wird eine Reinkupferplatte mit einer Breite von 30 mm und einer Stärke von 18,3 mm sowie einer Länge von 36 mm aufgelegt, deren zunächst rechtwinklig abgeschnittenes Ende ober- und unterseitig keilförmig zugespitzt ist. so daß es sich der Gestalt der Form anpaßt Anschließend werden die restlichen 250 Blättchen in die Form eingelegt.

In einem Vakuumheißpreßverfahren während etwa 30 Minuten bei 460°C und 1000 kp/cm² Druck wird dann eine Bürste geformt, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist mit einer Breite von 30 mm und einer Länge von 50 mm. deren Bürstenabschnitt 12,6 mm (Packungsverhältnis 34%), deren Dicke des Basisteils 22,6 mm mit einem Anteil Aluminium-Magnesium-beschichteter Kohlenstoffasern von 4,6 mm (Packungsverhältnis 100%) beträgt. An die Kupferplatte des Bürstenbasisteils ist eine Litze aus feinen Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 5 mm ,. und einer Länge von 150 mm hart angelötet

Diese Bürste erhält eine Isolationsbehandlung auf den Seiten mit Bornitrid. Sie wurde dann in einen Elektromotor eingesetzt und in Betrieb genommen. Die Stromleitfähigkeit war dabei etwa 2^mal so hoch wie bei herkömmlichen Graphitbürsten desselben Querschnitts, und außerdem zeigte sie sehr gute Gleiteigenschaften.

Beispiel 3

Es werden dieselben Kohlenstoffaserbündel wie im Beispiel 1 verwendet und auf eine Breite von etwa J 0 cm μ ausgebreitet sowie im Ionenplattierungsverfahren mit einer etwa 1 μ starken Kupferschicht plattiert. Aus den dabei entstehenden Blättern werden 700 Blättchen von 25 mm Breite und 40 mm Länge hergestellt Diese Blättchen werden gemäß Darstellung in der Fig.9 in eine Form, die mit einem Ablösemittel (Bornitrid) ausgekleidet ist. eingebracht. Die Breite der Form beträgt 25 mm, ihre Länge 40 mm, die Länge des konkaven Abschnitts 25 mm, die Länge des konvexen oder vorspringenden Abschnitts 12 mm, während 2 ΔΙ(siehe Beispiel 1)2 mm beträgt

Zunächst wird eine 1,4 mm starke Silberplatte mit einer Breite von 25 mm und einer Länge von 27 mm, die an einem Ende symmetrisch unter 30° zugespitzt ist, in die Form eingelegt Darauf werden 175 Blättchen gelegt, auf

die eine weitere Siiberplatte der oben oeschriebenen Form, dann wiederum 175 Blättchen in Verbindung mit Kupferanschlußdrähten, eine weitere Silberplatte usw. aufgelegt, so daß fünf Silberplatten und vier Blättchenlagen schichtweise übereinander liegen und in den Kohlenstoffaserschichtsn der zweiten und vierten Lage zwei Kupferanschlußdrähte eingebettet sind.

5 Im Vakuumhsißpreßverfahren wird diese Form bei 650⁰C und 300 kp/cm^J während 10 Minuten gepreßt so daß eine Bürste mit Kupferanschlußdrähten entsteht, deren Basisteil Silber, Kupfer und Kohlenstoffasem ist und der Bürstenteil aus kupferplattierten Kohlenstoffasem aufgebaut ist Die Dicke des Bürstenteils beträgt 10 mm (Packungsverhältnis etwa 50%), die Dicke des Basisteils 12 mm, die Gesamtdicke der Siiberplatte 7 mm und die Gesamtdicke der kupferplattierten Kohlenstoffasem im verklebten Schichtteil 5 mm (Packungsverhältnis 98%).

ίο Das Laufende der Bürste wurde mittels auf einem sich drehenden Rotor angeordneten Schleifpapiers in einer Schleifbehandlung geebnet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen $i

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch leitende Kontaktbürste mit einem Bürstenabschnitt, der ein Bündel von im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, metallbeschichteten Kohlenstoffasern enthält, gekennzeichnet

durch einen Basisteil (4) mit einem Bereich, in dem die metallbeschichteten Kohlenstoffasern durch Diffusionsverbindung zu einem Stück miteinander verbunden sind und der wenigstens ein elektrisch leitfähiges Metallstück (6) enthält, das parallel zu dem Bündel der Kohlenstoffasern liegt.

2. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern eine Zugfestigkeit von meV als 10 kp/mm², einen Zugelastizitätsmodul von mehr als 10 000 kp/mm² und eine Zugdehnung von mehr als 0,1% haben.

3. Bürste nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kohlenstoffasern 5 bis 10 μ beträgt

4. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern mit Gold. Silber, Kupfer, Aluminium, Zink, Zinn, Magnesium, Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom oder einer Legierung aus wenigstens zweien dieser Metalle beschichtet sind.

5. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschichtung der Kohlenstoffasern 0.1 bis 4 μ dick ist.

6. Bürste nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Bürstenabschnitt (2) und dem Basisteil (4) ein Zwischenbereich (5) befindet, intern die im Basisteil (4) zusammenhängenden Kohlenstoffasern allmählich in einen unabhängigen Zustand übergehen.

7. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metaüstück (6) aus Gold, Silber. Kupfer.

Aluminium, Zink, Zinn, Magnesium, Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom oder einer Legierung aus wenigstens zweien dieser Metalle besteht

8. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück (6) aus einem Metall oder einer Legierung mit einem Schmelzpunkt von nicht weniger als der halben Absoluttemperatur des Schmelzpunkts

z< der Metallbeschichtung der Kohlenstoffasern besteht

9. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Metallstück-^6) des Basisteils (4) auf einer Seite der durch Diffusion miteinander verbundenen Fasern des Basisteils (4) angeordnet ist

10. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Metallstück (6) zwischen die durch Diffusion miteinander verbundenen Fasern des Basisteils (4) eingefügt ist

11. Bürste lach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Dicke des Basisteils (4) größer als die Dicke des Bürstenabschnitts (2) ist

12. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück (6) plattenförmig und an seinem dem Bürstenabschnitt (2) zugewandten Ende scharfkantig zulaufend ist

Ϊ3. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Abbiegewinkel der Kohlenstoffasern 60° ist

14. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Metallstück (6) auf einer Seite des aus metallbeschichteten Kohlenstoffasern bestehenden Bündels angeordnet ist.

15. Bürste nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Metallstück (6) ic das Faserbündel eingesetzt ist.

16. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Metallstück (6) auf jeder Seite angeordnet und in das Faserbündel eingesetzt ist

17. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende eines Anschlußdrahtes (7) durch Diffusionsverschmelzung mit den Fasern des Basisteils (4) verbunden ist.

18. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Metallstück (6) des Basisteils (4) und das Faserbündel ein Anschlußdraht (7) eingefügt und durch Diffusionsverschmelzung verbunden ist.

19. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ende eines Anschlußdrahtes (7) mit dem dem Bürstenabschnitt (2) gegenüberliegenden Ende des Metallstückes (6) verbunden ist.

20. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Packungsverhältnis der metallbeschichteten Kohlenstoffasern im Basisteil (4) 90 bis 100% beträgt.

21. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Packungsverhältnis der metallbeschichteten

Kohlenstoffasern im Bürstenabschnitt (2) 5 bis 75% beträgt

22. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Kohlenstoffasern und das Metallstück (6) aus Aluminium bestehen.

23. Bürste nach einem der Ansprüche 1, 6 bis 10, 12 oder 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück (6) mit dem durch Diffusionsverklebung verbundenen Bereich der Kohlenstoffasern des Basisteils (4) durch Diffusionsverklebung verbunden ist.

24. Bürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallbeschichteten Kohlenstoffasern punktweise miteinander verbunden sind und eine Netzstruktur bilden.

25. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktbürste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus metallbeschichteten Kohlenstoffasern in zueinander paralleler Ausrichtung ein Bündel geformt wird, daß die

Fasern in einem Endabschnitt des Bündels in unabhängigem Zustand gehalten werden, daß wenigstens ein Metallstück einseitig auf das Bündel aufgelegt oder in das Bündel derart eingesetzt wird, daß es sich mit einem Ende am dem Bürstenabschnitt gegenüberliegenden Ende der Fasern befindet, daß wenigstens der Abschnitt mit dem Metallstück einem Heißpreßvorgang unterworfen wird, um die metallbeschichteten b5 Kohlenstoffasern untereinander und mit dem Metallstück durch Febtkörperdiffusion zu einem Stück zur

___ Bildung eines Basisteils zu verbinden.

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26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißpreßtemperatur unter dem

Schmelzpunkt des Beschichtungsmetalls der Kohlenstof fasern, jedoch höher als die Hälfte des Absoluttem·

peraturwcrtes des Schmelzpunktes des Metalls und tiefer als der Schmelzpunkt des Metallstückes liegt.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Heißpreßvorgangs zwischen I und 2000 kp/cm² liegt.

28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß beim Heißpreßvorgang eine Ende eines Anschlußdrahtes zwischen die metallbeschichteten Kohlenstoffasern oder zwischen das Metallstück und die Fasern eingeschichtet ist