Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitkontaktstücks für mittlere bis hohe Stromdichten nach dem Oberbegriff Anspruchs 1.

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).

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Schleif- und Druckkontakten, die aus Metalllegierungen und Kohle bestehen, werden Mischungen von Metall und Kohle in der Weise hergestellt, dass die Mischungen mit einem Bindemittel, z.B. Teer, vermengt werden, alsdann gepresst, in Kohlepulver eingebettet und gebrannt werden (DE 182 445 C). Um größere Leitfähigkeit und Festigkeit sowie den gewünschten Härtegrad zu erreichen, können Kohleteilchen zunächst verkupfert, alsdann verzinnt werden, wonach dieses vorbereitete Ausgangsmaterial durch Pressen und Erhitzen geformt werden kann. Ohne die voranstehende umständliche Vorbereitung können verschiedene Metallpulver, z.B. Kupfer und Zink, oder Kupfer und Zinn, oder Kupfer, Zink und Zinn und dergleichen mehr, innig mit Kohle vermengt, geformt und in einer indifferenten oder besser in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt werden, wobei die einzelnen Metallpulver legieren und mit dem eingeschlossenen Kohlenstoff eine homogene Masse bilden.

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 0 525 222 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 als Ersatzstoff ein basisches Carbonat eines Metalls aus der Gruppe Zink. Zinn, Wismut oder deren Legierungen zugesetzt wird, wobei basisches Zinkcarbonat nach Anspruch 2 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 3 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 4, 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 5 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

dargestellt.

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.