DD237099A3

DD237099A3 - Verbundwerkstoff fuer schleifringe und kommutierungsbuersten

Info

Publication number: DD237099A3
Application number: DD21555779A
Authority: DD
Inventors: Karl-Heinz Mehrwald; Guenter Schoeppe; Hans-Joachim Teuschler
Original assignee: Bitterfeld Chemie
Priority date: 1979-09-14
Filing date: 1979-09-14
Publication date: 1986-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft Verbundstoffe fuer Schleif- und Gleitkontakte, insbesondere fuer Schleifringe und Kommutierungsbuersten mit erhoehter Verschleissfestigkeit. Neben 2 bis 15 Gew.-% an sich bekannten Harzbindemitteln enthalten sie 82 bis 98 Gew.-% untertemperten, durch thermische Dissoziation von Siliciumcarbid entstehenden Grafit der Koernung 50 bis 200 mm und 0,1 bis 3 Gew.-% Siliciumcarbid der Koernung 6 bis 28 mm.

Description

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Schleif-und Gleitkontakte werden im Elektromaschinenbau, beispielsweise in Motoren und Generatoren, zur Stromübertragung genutzt. Als Kontaktwerkstoffe werden bekanntlich vor allem Metalle, so unter anderem Kupfer, Nickel oder Silber verwendet.

Es ist auch seit langem bekannt, für Schleifringe und Kommutatoren ein Grundmetall mit ein oder mehreren Metallen zu legieren und binäre beziehungsweise ternäre Kontaktlegierungen einzusetzen.

Bekanntlich werden aber Schleif- und Gleitkontakte aus Metallen durch die Bildung einer Korrosionsschicht in ihrer Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt; zudem stellt die starke Funkenbildung beispielsweise an Kommutatoren einen erheblichen Störfaktor in funktechnischen Anlagen dar.

Es ist ferner bekannt, Kohlenstoff, hauptsächlich in Form von Grafit, als Material für Schleifringe und Bürsten zu verwenden.

Zwar sind diese Kontakte gegen Korrosionserscheinungen beständig, doch begrenzt die bei höheren Temperaturen auftretende Reaktionsfähigkeit mit Sauerstoff erheblich die Lebensdauer derartiger Kontakte; die bei der Kommutierung auftretende Funkenbildung zerstört das Kohlenstoffgefüge chemisch und mechanisch.

Es sind auch Versuche bekannt geworden, derartige Kohlenstoffe durch Imprägnieren mit abbrandverhindernden Mitteln wie Phosphaten oder Borsäure, oder durch das Auftragen von solchen Schichten zu verfestigen (DE-PS 625481; DE-PS 1 024626).

Zwar gelang es auf diesem Wege, teilweise Verbesserungen zu erzielen, eine generelle Erweiterung der Einsatzgebiete von Kohlenstoffkontakten konnte aber nicht erreicht werden.

Es sind auch Verbundstoffe für Kontakte vorgeschlagen worden, bei denen eine Komponente aus einem thermisch, chemisch und mechanisch verschleißfestem Material besteht, und bei denen eine andere Komponente die elektrische Leitfähigkeit hergestellt.

Es hat sich aber gezeigt, daß auch derartige Verbundstoffe beispielsweise aus Acheson-Grafit und Karbiden nicht gewährleisten, daß daraus hergestellte Kontakte den an sie gestellten Forderungen hinsichtlich des Übertragungsverhaltens und vor allem hinsichtlich der Verschleißfestigkeit gerecht werden; insbesondere sind die Laufzeiten derartiger Kommutierungsbürsten zu gering.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff für Schleifringe und Kommutierungsbürsten auf der Basis von Grafitkohlenstoff zu entwickeln, der eine längere Lebensdauer der daraus gefertigten Schleif- und Gleitkontakte gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für den Verbundwerkstoff für Schleifringe und Kommutierungsbürsten aus Grafit, Siliciumcarbid und Harzbindemittel der durch thermische Dissoziation von Siliciumcarbid entstehende Grafit verwendet wird

Es wurde überraschend gefunden, daß der bei der thermischen Dissoziation von Siliciumcarbid

> ^Sisasf. ^{+ C}hex.

entstehende Grafit in seiner Eignung zur Herstellung von Schleif- und Gleitkontakten den Natur- beziehungsweise Elektrografiten weit überlegen ist.

Dieser, durch thermische Dissoziation von Siliciumcarbid entstehende Grafit, weist einen außerordentlich hohen Grafitierungsgrad auf; der Habitus seiner Primärteilchen unterscheidet sich deutlich von anderen Grafitarten. Der aus Siliciumcarbid entstehende Grafit liegt in geordneter Plättchenform der Primärteilchen vor, während der Aufbau der anderen Grafite durch eine Flinsenform gekennzeichnet ist. Diese kristallinen Eigenschaften der Primärteilchen des SiC-Zersetzungsgrafits bleiben bei der Verarbeitung der Verbundstoffe zu Kontaktformkörpern erhalten und bewirken in dieser Bindungsform offensichtlich eine gleichmäßige Ausrichtung der Kontakt- beziehungsweise Gleitebene.

Die Verarbeitung der Ausgangsmaterialien zu Kontaktformkörpern erfolgt nach den an sich bekannten Verfahren der Pulvertechnologie bei Raum-, Schmelz- oder Aushärtungstemperatur des Harzbindemittels. Für besondere Anwendungsfälle können die Kontaktformkörper auch einer thermischen Nachbehandlung unterzogen werden (DD-PS 84238).

Beispielsweise werden SiC-Zersetzungsgrafit, Siliciumcarbid und Bindemittel im gewünschten Verhältnis gemischt, das Pulver oder Granulat wird im Gesenk auf die entsprechende Form verdichtet und anschließend werden durch eine geeignete Wärmebehandlung das Harz ausgehärtet und dabei die Bindung zwischen den Bestandteilen vermittelt.

Als Harzbindemittel können u.a. Epoxid-, Phenol-, Melamin-, Phthalat-oder Siliconharze verwendet werden; auch Polyphenylensulfid ist hierfür vorgeschlagen worden (DE-OS 2309834).

Wesentliche physikalische Eigenschaften des für die Verbundstoffen erfindungsgemäß verwendeten SiC-Zersetzungsgrafits werden in Tabelle 1 denen anderer Grafitarten gegenübergestellt; in diesen Vergleich werden durch Tabelle Il auch die Granulate beziehungsweise die aus ihnen hergestellten Kommutierungsbürsten einbezogen.

Die Werte zeigen die überraschend gute Eignung des SiC-Zersetzungsgrafits zur Herstellung von Verbundstoffen für Schleif- und Gleitkontakte.

Schleif- und Gleitkontakte aus den erfindungsgemäßen Verbundstoffe weisen u.a. folgende Vorzüge auf:

1. Auf Bürstenarmierungen kann bis zu Maschinen von ca. 1 KW Leistungsaufnahme verzichtet werden.

2. Der ausgehärtete Verbundstoff enthält keinerlei offene oder kommunizierende Poren und setzt der durch das Bürstenfenster in Kommutatormaschinen bedingten Oxidation des grafitischen Werkstoffs einen größeren Widerstand entgegen.

3. Die hohe Elastizität der Verbundstoffe ermöglicht es, daß die Bürsten den bei elektrisch umlaufenden Maschinen auftretenden radialen „Schlag" besser abfangen können.

4. Metallische Schleif- und Gleitkontakte, die vorzugsweise an der Oberfläche durch elektrische Impulse beschädigt werden, sind in der Regel nur nach langen Betriebszeiten mechanisch zu verbessern. Die erfindungsgemäß aus polykristallinen harzgebundenen Verbundwerkstoff bestehenden werden nach solchen Einwirkungen durch Transportvorgänge der den Verbund aufbauenden Primärteilchen in kürzester Zeit mechanisch wieder hergestellt.

5. Im Teil- und Dauerlastbetrieb sowie im Schwachlastbetrieb kann eine Verbesserung der Bürstenstandzeit auf das Vier- bis Fünffache erreicht werden.

6. Die starke Fächerung der physikalischen Parameter (spezifischer Widerstand, Biegebruchfestigkeit, Übergangsspannung) der Bürsten wurde bislang durch unterschiedliche Kohlewerkstoffe wie Hartkohle, Natur- beziehungsweise Elektrografit oder Metallgrafit erreicht. Die erfindungsgemäßen Verbundstoffe sind in der Lage, diese Werkstoffspezifika zu substituieren und bringen damit eine erhebliche Ausdehnung der Anwendungsbreite derartiger Schleif- und Gleitkontakte.

7. Kontaktformkörper auf der Basis von SiC-Zersetzungsgrafit erlauben es, beispielsweise bei Motoren für Staubsauger oder Heimwerkergeräte, eine wesentlich bessere Relation zwischen der + und - Bürste herzustellen (zum Beispiel im Thyristorbetrieb).

8. Die aufwendige Keramiktechnologie der bisherigen Herstellung von Kontaktformkörpern kann durch das energiesparende Verfahren der Kaltverpressung ersetzt werden.

Ausführungsbeispiele

Die Beispiele beweisen den geringen Verschleiß, der mit Kontakten aus den erfindungsgemäßen Verbundstoffen erreichbar ist. Während im Beispiel 1 Kommutierungsbürsten aus unterschiedlichen Grafitmarken verglichen werden, sind im Beispiel 2 auf dem internationalen Markt zugängliche Bürstenmarken in diesen Vergleich einbezogen. 1. Spezifische Verschleißwerte für Kommutierungsbürsten aus den erfindungsgemäßen Verbundstoffen und für gleichartige

Kontakte aus anderen Grafitarten Die Werte wurden mit Gebläseeinheiten von Staubsaugern unter Beibehaltung folgender Parameter erzielt:

Spannung U_n = 220 V

Strom J_n = 1,85 A bis 4,0 A

Aufnahmeleistung P_n = 400 W bis 800 W

Drehzahl η = 19 000 min"¹ bis 22 000 min"¹

Kommutator 0 = 20 mm bis 32 mm

Bürstenquerschnitt 5 χ 6,3 x 25 mm bis 8 x 6,3 x 32 mm

Werkstoff	spezifischer	spezifischer
	Bürstenverschleiß	Kommutatorverschleiß
	[mm/100 h]	[mm/100 h]
Verbundstoff
(erfindungsgemäß)	2,4	0,10
Naturgrafit	5,4-19,8	0,38-1,4
Elektrografit	5,5-6,0	0,01-0,10
Kolloidgrafit	10,0	0,04

2. Vergleichsmessungen des Bürstenverschleißes an verschiedenen Motoren nach jeweils 100 Stunden

a) am Geräteeinbaumotor 125/0

Bürstenmarke	Δ L/mm	Δ R/mm	21,9/1,1 23,7/0,9 5,7/0,7	Δ L/mm
G4 K 7-3 F 45/1 G 20 (erfindungsgemäß)	3,0 3,3 3,3 2,1	0,10 0,08 0,14 0,11	c) an einem italienischen Kleinmotor 220 V /8 W	1,3 0,4
b) am Rührgerätemotor, thyristorgesteuert (Impulsbetrieb) Bürstenmarke Δ L/mm	Bürstenmarke
E9 H14 G 20 (erfindungsgemäß)	Xl G 20 (erfindungsgemäß)

Tabelle I: Vergleich verschiedener Grafitmarken hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung von Verbundstoffen für Schleif- und Gleitkontakte Prüfkörper: (6,3 χ 5 χ 25) mm ohne Harz

Grafit	Asche	Schütt-	Korn-	Pulver	Wider	Granu-	Verpreß-	Prüfkör	rela
marke	gehalt	Volumen	größen-	wider	stand	lier-	barkeit	peraus	tiver
			vertei-	stand	des	barkeit		Grafit	Grafi-
			lung		Prüf			pulver	tie-
					körpers			Biege	rungs-
								festig	grad
								keit
	[%]	[g/l]		[fimm²/m]	[ilmm²/m]			[Kp/cm²]	[%]
SiC-	<1,0	350	80%	478	5,8	gut	gut	60-70	100
Zerset-			kleiner			(festes
zungs-			30 μιη			Granulat)
Elektro-	0,05	343	90%	621	17,0	mäßig	gut	ca. 50	52
grafit			kleiner			(weiches	(KB
Lonza			20μηι			Granulat)	rissig)
KS 44
(Schweiz)
ESM-Natur-	9,82	370	60%	1003	u η ver	gut	mäßig	40-50	68
grafit			kleiner		preßt
(UdSSR)			30 μ,ΓΠ
Kolloid	1,81	360	90%	11600	unver-	mäßig	schlecht	55-100	8
grafit			kleiner		preßt
(DDR)			6jum

Tabelle II: Vergleich der Granulate und der Muster für Kommutierungsbürsten aus verschiedenen Grafitmarken hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung von Verbundstoffen für Schleif- und Gleitkontakte (v.d.T. = vor der Härtung; n.d.T. = nach der Härtung)

a) Granulate

Grafitmarke	Granulat (500<K<300) Granulierbarkeit	Schüttvolumen [g/l]	Schüttelfestigkeit ungetempert getempert [%] 315μΓΤ1
SiC-Zersetzungs- grafit	gut (festes Gra nulat)	350-450	35,3 6,5
Elektro- grafitLonza KS 44 (Schweiz)	mäßig (weiches Gra nulat)	435	29,3 29,6
ESM-Naturgrafit (UdSSR)	gut	354	9,4 6,7
Kolloidgrafit (DDR)	mäßig (weiches Granu lat)	495

b) Kommutierungsbürsten (6,3 χ 5· x 25) mm

Grafit marke	Verpreß- barkeit	Maßänderung v.d.T. n.d.T. [mm]	6,15- 6,25	Biegebruch festigkeit v.d.T. n.d.T. [kp/cm²	Widerstands änderung v.d.T. n.d.T. [ümm^!/m]	Bürsten verschleiß [mm/100 h]	Kommuta torver schleiß
SiC-Zer- setzungs- grafit	gut	5,85- 5,90	50-60 85-125	35 75	2,40	0,10

Elektro-	schlecht	5,75-	6,82-
grafit	(geringe	5,85	7,05
Lonza	Festig
KS 44	keit)
(Schweiz)

55-65 <40 89

420

5,50

ESM-Natur grafit (UdSSR)	mäßig-gut (klebt)	5,60- 5,70	5,75- 5,84	51-55	90-125	27	50	19,8	1,8
Kolloid grafit	schlecht (spröde)	9,84- 9,93	10,06- 10,11	55	85-100	647	656	10,0	0,04

Claims

Erfindungsanspruch:

Verbundwerkstoff für Schleifringe und Kommutierungsbürsten aus Grafit, Siliciumcarbid und Harzbindemittel, gekennzeichnet dadurch, daß der durch thermische Dissoziation von Siliciumcarbid entstehende Grafit verwendet wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann in der Elektrotechnikjbeispielsweise zur Herstellung von Schleifringen und Kommutierungsbürsten für elektrische Maschineagenutzt werden.