专利名称：碳刷及其制造的方法和材料的制作方法
用于电动机或发电机的碳刷必须固定在支撑件上，支撑件用来确保整流器或类似物上必要的接触压力，并且实现与碳刷磨损相应的跟踪运动。钢板弹簧由于其简单、廉价和轻质特别适合作为碳刷的支架，除了支撑和导向的功能外，钢板弹簧还能承担电流传输的功能。但是提出了把碳刷固定在钢板弹簧上的问题，一方面确保连续工作中必要的机械强度，另一方面确保大电流的传输。
在DE 102 07 406 A1中公开了一种根据权利要求1的前序部分所述的碳刷，其通过熔焊或钎焊固定在用作支架的钢板弹簧上，且为此目的，在要与支架连接的面上镀锡、镀镍或用其它方式镀金属层。
在DE 40 40 002 A1中公开了一种用于汽油泵马达的碳刷，该碳刷钎焊到用作支架的钢板弹簧上，且为此目的，有一层由铜层和镀在该铜层上的锡层构成的可钎焊层。但是通过这种镀金属的方法或者通常通过电镀镀上的金属层很难在碳刷和钢板弹簧之间建立对长期工作具有足够的机械、热和电负荷能力的钎焊或者熔焊连接。特别是碳刷和钢板弹簧之间的应力补偿由于弹性模量和热膨胀系数的不同而会产生问题。
由DE 24 44 957 A1已知，通过把粉末状含碳材料层和金属粉末层共同挤压，然后进行热处理来制造带有一种可钎焊的或可熔焊的金属层的碳刷。金属粉末包括铜。
由US 3 601 645 A1已知，通过挤压和烧结用于基体的粉末状金属-碳材料和金属粉末来制造一种具有由金属和碳材料制成的基体和一层不可分开地连接在所述的基体上的金属层的接触电刷，其中金属层可以包括铜、铁或合金。
由DE 32 17 217 C2已知，通过挤压金属镀层的碳纤维束来制造一种接触电刷，其中碳纤维的金属镀层可以包括铜、铝、锡、铁或它们的合金。
本发明的任务是提供一种碳刷以及其制造方法和材料。实现了与钢板弹簧简单、高机械和电负荷能力的连接。
该任务的解决方案在权利要求中给出。
下面借助于实施例对本发明进行详细说明。
从商业利益考虑，人们喜欢把碳刷与钢板弹簧焊接在一起，因为由此可以实现这样一种连接，通过这种连接能够传输15A以上的高电流。本可以以这种廉价的结构形式实现这种马达结构形式，这种马达结构形式由于其在闭锁试验或者在连续工作中电流强度方面过高的要求至今为止都不能用这种方案进行制造。这种类型的马达-其中碳刷在尺寸较小的情况下也必须传输高电流-例如是机动车辆中的伺服驱动装置，如车窗玻璃升降器、座椅调节机构、滑动天窗、镜子调节机构等的驱动装置。
根据本发明，提供了一种碳刷，其除了通常的由挤压和烧结碳材料制成的单层或多层基体，还具有至少一层金属材料外层，该外层确保碳刷的可熔焊性或可钎焊性，其中这层金属层也通过挤压和烧结来制成并与基体连接。
为了熔焊或钎焊碳刷，必须应用适当的熔焊方法(例如超声焊、激光焊或类似方法)或钎焊方法，而且此外，为了制造带有一层可焊接金属层的碳刷，必须使用一种材料，这种材料一方面在粉末冶金加工中很好地连接到碳刷基体的碳材料上，另一方面能用所选方法良好地熔焊或钎焊。我们发现纯铜与它的合金以及铁或钢都不适合，因为它们的热膨胀系数和弹性模量与那些在烧结方法中的碳刷基体的碳材料不一致。也不能使用与碳刷基体的碳材料类似的材料，因为里面包含石墨成分，不能焊接它们。
根据本发明，我们发现由组分A、可延展且低熔点的组分B和必要时其它添加材料C制成的一种粉末混合物形式的金属材料同时满足两个必要条件，即一方面通过挤压和烧结与碳刷基体的功能性碳材料连接良好，另一方面有良好的熔焊性或钎焊性。
根据本发明，组分A构成了材料的主要部分，优选超过材料的80％，并优选包括铜或一种例如与锡、锌、镍或银的铜合金。其优选在粉末形态中具有15到25μm的平均直径D50。
组分B是一种比组分A有更高延展性和更低熔点的附加金属。其熔点优选为400℃或更低，且断裂延伸率为5％或更高。组分B优选包括锡或一种锡例如与铜、银、锑、锌、镓、铟、铋或铅的合金。金属组分B也可以包括铟和/或铋或与铟或铋的合金。在材料的整个粉末混合物中，组分B的质量百分比优选在1.5到15％之间。附加金属B的平均颗粒大小D50优选处于15到35μm之间。
此外，材料优选包括一种或多种粉末形态的非金属有机和/或无机添加剂C。作为这种添加剂例如考虑硬脂酸盐、石墨、滑石、碳化硅或氧化铝。它们的平均颗粒大小D50优选不超过20μm。
该材料组分的一种优选例子是(描述质量百分比)A92％铜(D5015-25μm)B7.5％锡(D5015-55μm)C0.5％石墨(D50≤20μm)所述材料可以通过挤压和烧结毫无问题地进行粉末冶金加工，而且极好地粘结到碳刷(基体)的功能层上来形成一层具有极好的熔焊和钎焊性能的金属层。业已证明，在挤压和烧结过程中，低熔点和易延展的金属B把基体金属A润湿，但没有或只是微小程度地扩散到基体金属A中。
由此保证了在烧结后，金属B的大多数或至少足够部分不与金属A成为合金，而是处于纯粹的形态，由此实现了金属层的所希望的延展性。由于材料的延展性，实现了碳刷和可焊接的金属层(2)的基体1以及与金属层(2)焊接在一起的钢板弹簧之间的应力补偿。
换句话说，在通过挤压和烧结制成的烧结金属层2中，基体金属A和另一金属B的至少大部分构成了两种分开的金属相，这两种金属相虽然通过挤压和烧结亲密地彼此连接在一起，但是相互之间基本上不形成合金。
最好进行热处理，也就是将金属层在低于基体金属A的熔点、但高于另一金属B熔点的温度下进行烧结。这里优选是一种液相烧结，其中另一金属B处于液相，但基体金属A相反处于粉末状固相。如果基体金属A是铜且另一金属B是锡，那么烧结温度优选在300到700℃的范围内，最好在400到500℃的范围内。
在烧结过程中，金属B不会润湿非金属有机或无机添加剂C，由此防止了金属B到基体金属A中的不希望的大的扩散。
附图
示出了按本发明的焊接到钢板弹簧上的碳刷的示意图。
碳刷具有一个基体1，其一般通过挤压和热处理(烧结)由用于碳刷的常规碳材料、特别是一种具有添加剂的石墨混合物制成单层或多层。能够良好地熔焊或钎焊的金属层(2)与基体1连接，金属层2同样通过挤压以及必要时通过烧结由上述按本发明的粉状材料制成，并与基体1不可分开地连接。基体1和可焊接金属层2可以同时通过挤压和烧结制成并相互连接在一起，或者基体1可以预制，并在事后通过挤压和烧结在基体上成形可焊接的金属层2。
能够良好焊接的金属层2实现了将整个碳刷通过焊接固定在钢板弹簧3上，例如通过焊点4或例如通过连续的焊缝。
烧结金属层2的厚度要满足为与钢板弹簧3连接所选择的熔焊或钎焊方法的要求。金属层2的厚度优选在0.2到5mm的范围内。对于与钢板弹簧2的钎焊连接，通常允许金属层2的厚度小于1mm，特别在0.2到0.5mm的范围内就足够了。对于熔焊连接，通常优选至少1mm的厚度，例如在2到4mm的范围内。
权利要求
1.碳刷，具有一个由碳材料制成的基体(1)和一层镀在基体外表面上的金属层(2)，该金属层(2)可以通过熔焊或钎焊与金属支架连接，其中金属层(2)是由金属粉末通过挤压并在必要时通过烧结制成的、且通过挤压并在必要时通过烧结不可分开地与基体(1)连接的层，其特征在于金属层(2)包含一种基体金属(A)和至少另一种具有比基体金属(A)更高的延展性和更低的熔点的金属(B)，其中另一种金属(B)至少主要地作为一种与基体金属(A)分开的金属相存在，且通过挤压并在必要时通过烧结与基体金属(A)紧密连接，但基本不与基体金属(A)形成合金。
2.按权利要求1所述的碳刷，其特征在于所述另一种金属(B)是这样选择的，其在烧结温度的液相中把基体金属(A)润湿，但不扩散到所述的基体金属中，或者只是轻微地扩散。
3.按权利要求1或2所述的碳刷，其特征在于所述另一种金属(B)包括锡、铟或铋或它们的合金。
4.按权利要求1所述的碳刷，其特征在于所述另一种金属(B)具有不超过400℃的熔点和不小于5％的断裂延伸率。
5.按权利要求1到4中任一项所述的碳刷，其特征在于所述另一种金属(B)在金属层(2)中所占的质量百分比在1.5到15之间。
6.按权利要求1到5中任一项所述的碳刷，其特征在于所述金属层(2)另外还包含一种非金属有机和/或无机材料制成的添加剂(C)。
7.按权利要求6所述的碳刷，其特征在于所述非金属添加剂(C)包括硬脂酸盐、石墨、滑石、碳化硅或氧化铝。
8.按权利要求1到7中任一项所述的碳刷，其特征在于所述碳刷的金属层(2)通过熔焊或钎焊与金属支架(3)连接。
9.按权利要求8所述的碳刷，其特征在于所述支架是钢板弹簧(3)。
10.用于制造碳刷的可熔焊和/或可钎焊层的材料，包括一种包含粉末状主要金属(A)、特别是铜或铜合金和一种具有比主要金属高的延展性和比主要金属低的熔点的粉末状添加金属(B)的粉末混合物，其中主要金属(A)为铜或一种铜合金，添加金属(B)为锡、铟或铋或它们的合金。
11.按权利要求10所述的材料，其特征在于所述材料包含一种非金属有机和/或无机材料的粉末状添加剂(C)。
12.按权利要求10或11所述的材料，其特征在于所述添加金属(B)在粉末混合物中所占的体积百分比在1.5到15之间。
13.用于制造包括碳材料的基体和与基体不可分开地连接的金属层的碳刷的方法，包括以下步骤a)通过挤压和烧结粉末状含碳材料来制造基体；b)与步骤a)同时或者在步骤a)之后通过挤压和烧结粉末状金属材料来制造金属层，其中金属层通过挤压和烧结不可分开地与基体连接；c)其中粉末状金属材料包含由一种粉末状基体金属A和至少另一种具有比基体金属A更高的延展性和更低的熔点的粉末状金属B组成的混合物；d)其中所述另一种金属B和烧结温度是这样选择的，使得在烧结过程中另一种金属处于液相，并把基体金属A润湿，但不扩散或只是轻微地扩散到基体金属A中，因此在金属层中所述另一种金属B至少主要作为与基体金属A分开的、且基本上不与基体金属形成合金的金属相存在。
14.按权利要求13所述的方法，其特征在于所述主要金属A包括铜或铜合金，所述另一种金属B包括锡、铟或铋或它们的合金。
全文摘要
本发明涉及一种碳刷，其具有由碳材料通过挤压并在必要时通过烧结制成的基体和一层通过挤压或者在必要时通过烧结镀在基体外表面上的金属材料层，其中金属层可以通过熔焊或钎焊与金属支架连接。
文档编号H01R39/20GK1902792SQ200480037546
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月14日 优先权日2003年12月19日
发明者G·巴豪尔, C·贝特格尔 申请人:霍夫曼电刷碳精股份公司