DE2461294B2 - Verfahren zur Herstellung eines Kohlegleitkörpers - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Kohlegleitkörpers

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlegleitkörpers mit verbesserten m Laufeigenschaften bei erhöhter Temperatur, wobei der Kohlegleitkörper mit einem Element der III. Gruppe des Periodischen Systems behandelt wird.
Es ist bekannt, daß beim Betrieb einer Paarung Kohlebürste/Rotor mit ansteigender Temperatur der r> Verschleiß sowohl der Kohlebürste als auch des metallischen Rotors ansteigt. Durch Verwendung spezieller Rotorwerkstoffe kann der Verschleiß des Rotors vermindert werden, er bleibt aber dennoch so hoch, daß er nur in besonderen Ausnahmefäller, in Kauf genommen werden kann. Diese Verhältnisse sind sowohl bei stromlosem Kontakt als auch bei Stromzuführung gegeben. Im allgemeinen können jedoch bei derartigen Gleitpaarungen Temperaturen von höchstens 100—1200C zugelassen werden. *·>
Treten bei einer Maschine höhere Temperaturen, beispielsweise 1500C auf, müssen aus den genannten Gründen entweder Vorkehrungen zu einer Kühlung getroffen werden, oder es müssen von vornherein größere Rotoren und Kohlebürsten vorgesehen werden, was in jedem Fall zu einer Verteuerung führt.
Auch für die Paarung Kohlegleitlager/metallische Welle bzw. Kohledichtring/metallische Gegenlauffläche gelten obige Ausführungen.
Aus der US-PS 28 19 989 ist bekannt, Kohlebürsten mit Polyäthylenglycolborat und Äthylenglycolborat zu imprägnieren. Der organische Bestandteil dieser Verbindungen beeinflußt das Laufverhalten in günstiger Weise. Durch die Verwendung der Borate statt der reinen organischen Verbindungen wird eine geringere f>n Flüchtigkeit des Imprägniermittels erreicht.
In der GB-PS 7 89 017 wird die Imprägnierung von Kohlematerial mit Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder dessen Legierungen, z. B. Silumin beschrieben. Durch diese Metallimprägnierung werden makroskopi- h5 sehe Eigenschaften verbessert. Die Bruch- und Abriebfestigkeit wird erhöht, die Dichtigkeit verbessert und der elektrische Widerstand verringert.
Aus der DE-AS 11 41 374 ist bekannt. Kohle- und Graphitwerkstoffen bis i.u 20Gew.-°/o Indium zuzufügen. Hierbei wird der relativ niedrige Schmelzpunkt von Indium ausgenutzt, da dieses in der Kontaktfläche teilweise flüssig wird und dadurch eine gute elektrische Verbindung zwischen der. Kontaktkörpern bewirkt wird.
Nach diesem Stand der Technik ist es zwar bekannt, dem Kohlematerial Elemente der III. Gruppe des Periodischen Systems einzufügen, dies jedoch nicht im Sinne einer Dotierung, da eine anschließende Temperaturbehandlung unterbleibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Auigabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlegleitkörpers zu schaffen, der bei erhöhten Temperaturen der metallischen Gegenlauffläche bis zu ca. 160°C bessere Gleiteigenschaften aufweist. Ziel ist hierbei besonders die Reduzierung des Verschleißes von Kohlegleitkörpern und metallischem Gegenlaufmaterial.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei dem die Behandlung im Sinne einer Dotierung erfolgt in der Weise, daß dem Kohlegleitkörper das Element in beliebiger Weise zugefügt und dieser einer anschließenden Glühbehandlung unterworfen wird.
Vorteilhafte Dotierungselemente sind insbesondere Bor- und Aluminium.
Erfindungsgemäße Kohlegleitkörper, die beispielsweise eine Kohlebürste für elektrische Maschinen oder ein Kohlelager sein können, werden so hergestellt, daß zu einer üblichen Kohlemischung das Dotierungselement oder eine Verbindung des Elements zugesetzt wird. Die Mischung wird anschließend in herkömmlicher Weise geglüht und wahlweise graphitiert. Ein anderes geeignetes, erfindungsgemäßes Verfahren der Dotierung ist die Imprägnierung des geglühten oder graphitierten Kohlegleitkörpers mit einer Lösung, die das Dotierungselement enthält und anschließend erneuter Glühung und Graphitierung des Kohlekörpers.
Der Begriff Dotieren soll hier in dem Sinne verstanden werden, daß das Dotierungselement in dem Graphitgitter Kohlenstoffgitterplätze oder Zwischengitterplätze besetzt, d. h. das Dotierungselement muß zumindest teilweise fest in das Gitter der Graphitkristallite eingebaut werden. Es ist nicht erforderlich, daß bestimmte Höchstkonzentrationen nicht überschritten werden, da es nicht stört, wenn ein Teil des Dotierungselements in Form einer Verbindung in den Poren des Kohlekörpers vorliegt oder sich Anhäufungen an Korngrenzen bilden.
Die gunstige Wirkung der Dotierung erklären wir uns folgendermaßen:
In der Oxydhaut des Metalls baut sich, verursacht durch Elektronendiffusion, ein elektrisches Feld auf, wenn es mit Kohle in mechanischen Kontakt gebracht wird.
Die G röße der elektrischen Feldstärke hängt von den jeweils geltenden Werten für die Elektronenaustrittsarbeit ab und damit von der Höhe des Fermi-Niveaus der kontaktierenden Stoffe. Bei Temperaturen über 100°C ist die Beweglichkeit der Metallionen in der Oxydschicht relativ groß, was zur Folge hat, daß Metallionen durch die Diffusionsspannung an die Oberfläche des Metalls wandern und dort durch die Kohle abgestreift werden.
Dies bedeutet zunächst einen relativ hohen Verschleiß des metalliscnen Gegenlaufmaterials, wobei
jedoch gleichzeitig eine Glättung der Oberfläche eintritt. Durch die anfängliche Rauhigkeit der Metalloberfläche ist auch der Bürstenverschleiß zu Anfang hoch.
Durch die Dotierung mit einem Element der III. Gruppe wird das Fermi-Niveau der Kohle gesenkt und dadurch bei Kontaktierung mit einem Metall die Diffusionsfeldstärke, die von der Kohle zum Metall gerichtet ist, in der Metalloxydschicht erhöht. Dies bewirkt das oben beschriebene schnelle Abtragen der in Metallspitzen.
Durch die erhöhte Diffusionsfeldstärke in der Oxydhaut wird auch die Adhäsionskraft zwischen Kupfer und Kohle erhöht, wodurch der abgeriebene Kohlenstaub bevorzugt in den Vertiefungen der Metalloberfläche durch Adhäsion festgehalten wird. Somit ergibt sich sehr schnell ein Gleitkontakt von Kohle auf Kohle, der erfahrungsgemäß mit sehr geringem Verschleiß verbunden ist.
Die Dotierung des KohlemateriaJs mit einem Elemen! der III. Gruppe stellt sicher einen technischen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, wie er oben dargelegt wurde, dar, da dotierte Gleitkörper auch bei erhöhten Temperaturen des Rotors gute Gleiteigenschaften aufweisen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden folgende Beispiele angegeben.
Beispiel 1
Eine Kohlemischung aus Petrolkoks und Weichpech so wurde auf herkömmliche Art gemischt, gebrannt und graphitiert. Diese Kohle diente bei den Untersuchungen zu Vergleichszwecken. Ein Teil der gebrannten Vergleichskohle wurde mit einer lO°/oigen Borsäurelösung imprägniert und anschließend graphitiert. Die r> Verschleißprüfung der Kohle wurde durch Lauf auf einem Kupferring (Prüfbedingungen: Wechselstrom 12 A/cm2; Gleitgeschwindigkeit 30 m/s; Ringtemperatur 150°C; Prüfzeit 200 h) durchgeführt.
Der Bürstenverschleiß der Referenzkohle betrug 3,3 μΐη/h, derjenige der imprägnierten Kohle dagegen nur 1,0 μιη/h.
Der Metallangriff wurde an einer Kupferscheibe bei stromlosem Kontakt (Gleitgeschwindigkeit 2,5 m/s; Temperatur 150°C; Prüfzeit 1200 h)geprüft.
Bei Verwendung der Referenzkohle zeigte die Scheibe einen Verschleiß von 2! μιπ/Monat, bei der imprägnierten Kohle 3 μΐη/Monat.
Beispiel 2
Zu der Grundmischung aus Beispiel 1 wurde 5% B2O3 zugegeben und die Kohle gebrannt und graphitiert. Die Verschleißwerte betrugen hier 2,8 μιη/h bei der Bürste und 6 μΐη/Monat bei der Kupferscheibe.
Beispiel 3
Zur Grundmischung wurde 0,5% B4C-Staub, der möglichst feinkörnig zu wählen ist, hinzugegeben. An der Kohle zeigte sich bei gleichen Prüfbedingungen ein Verschleiß von 2,1 μπι/η, ein Verschleiß der Kupferscheibe war auch nach 1200 h nicht feststellbar.
Beispiel 4
Die gebrannte Kohle von Beispiel 1 wurde mit einer 10%igen Aluminiumsulfat-Lösung imprägniert und anschließend graphitiert. Der Bürstenverschleiß betrug 2,3 μπι/h, ein Verschleiß der Metallscheibe betrug auch hier deutlich weniger als
Beispiel 5
Anstelle der Petrokokskohle aus Beispiel 1 bis 4 wurde Rußkoks mit Weichpech gemischt, gebrannt und graphitiert. Ein Teil des gebrannten Materials wurde mit 10%iger Aluminiumsulfat-Lösung imprägniert. Der Bürstenverschleiß der imprägnierten Kohle war auch hier mit 0,8 μιη/h niedriger als der der Grundkohle mit Ι,Ομηι/h.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlegleitkörpers mit verbesserten Lfiifeigenschaften bei erhöhter Temperatur, wobei der Kohlegleitkörper imit einem Element der III. Gruppe des Periodischen Systems behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung im Sinne einer Dotierung erfolgt in der Weise, daß dem Kohlegleit- to körper das Element in beliebiger Weise zugefügt und dieser einer anschließenden Glühbehandlung unterworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element der III. Gruppe Bor oder r> Aluminium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element oder eine Verbindung des Elements der üblichen grünen Kohlemischung zugesetzt wird, die anschließend gebrannt und wahlweise graphitiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlegleitkörper mit einer Verbindung des Elements imprägniert und anschließend gebrannt und/oder graphitiert wird.
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