DD237099A3 - COMPOSITE MATERIAL FOR LOOP RINGS AND COMMUTATION BRUSHES - Google Patents

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.The invention relates to composites for grinding and sliding contacts, in particular for slip rings and Kommutierungsbuersten with increased wear resistance. In addition to 2 to 15 wt .-% of known resin binders they contain 82 to 98 wt .-% unterertemperten, resulting from the thermal dissociation of silicon carbide graphite of Koernung 50 to 200 mm and 0.1 to 3 wt .-% silicon carbide of 6 Kernung up to 28 mm.

Description

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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.Grinding and sliding contacts are used in electrical engineering, for example in motors and generators for power transmission. As contact materials are known to be used mainly metals, such as copper, nickel or silver.

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.It has also long been known to alloy a base metal with one or more metals for slip rings and commutators and to use binary or ternary contact alloys.

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.However, grinding and sliding contacts made of metals are known to be impaired by the formation of a corrosion layer in their functionality; In addition, the strong sparking, for example, to commutators is a significant interference factor in radio systems.

Es ist ferner bekannt, Kohlenstoff, hauptsächlich in Form von Grafit, als Material für Schleifringe und Bürsten zu verwenden.It is also known to use carbon, mainly in the form of graphite, as material for slip rings and brushes.

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.While these contacts are resistant to corrosion, the oxygen reactivity associated with higher temperatures significantly limits the life of such contacts; The formation of sparks during commutation destroys the carbon structure chemically and mechanically.

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).Attempts have also been made to solidify such carbons by impregnation with abrasion-inhibiting agents such as phosphates or boric acid, or by the application of such layers (DE-PS 625 481, 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.Although it was possible to achieve some improvements in this way, a general extension of the application areas of carbon contacts could not be achieved.

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.There have also been proposed composites for contacts in which one component consists of a thermally, chemically and mechanically wear-resistant material and in which another component produces the electrical conductivity.

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.However, it has been shown that such composites, for example, Acheson graphite and carbides do not ensure that contacts made therefrom meet the demands placed on them in terms of transmission behavior and especially in terms of wear resistance; in particular, the transit times of such commutation brushes are too low.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to develop a composite material for slip rings and commutation brushes based on graphite carbon, which ensures a longer life of the grinding and sliding contacts made therefrom.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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 wirdThis object is achieved in that is used for the composite material for slip rings and commutation of graphite, silicon carbide and resin binder resulting from the thermal dissociation of silicon carbide graphite

Es wurde überraschend gefunden, daß der bei der thermischen Dissoziation von Siliciumcarbid It has surprisingly been found that in the thermal dissociation of silicon carbide

> ^Sisasf. ^{+ C}hex. > ^Si SASF. ^{+ C} hex.

entstehende Grafit in seiner Eignung zur Herstellung von Schleif- und Gleitkontakten den Natur- beziehungsweise Elektrografiten weit überlegen ist.The resulting graphite is far superior to natural or electrographite in its suitability for the production of grinding and sliding contacts.

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.This, resulting from thermal dissociation of silicon carbide graphite, has an extremely high degree of graphitization; the habitus of its primary particles differs significantly from other graphite species. The resulting from silicon carbide graphite is present in ordered platelet form of the primary particles, while the structure of the other Grafite is characterized by a Flinsenform. These crystalline properties of the primary particles of the SiC decomposition graphite are retained in the processing of the composites into contact bodies and, in this form of bonding, evidently bring about a uniform alignment of the contact or sliding plane.

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).The processing of the starting materials to form contact bodies is carried out according to the per se known methods of powder technology at room, melting or curing temperature of the resin binder. For special applications, the contact bodies can also be subjected to a thermal aftertreatment (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.For example, SiC decomposition graphite, silicon carbide and binder are mixed in the desired ratio, the powder or granules are compacted in the die to the appropriate shape and then cured by a suitable heat treatment, the resin and thereby mediated the bond between the components.

Als Harzbindemittel können u.a. Epoxid-, Phenol-, Melamin-, Phthalat-oder Siliconharze verwendet werden; auch Polyphenylensulfid ist hierfür vorgeschlagen worden (DE-OS 2309834).As resin binders, u.a. Epoxy, phenolic, melamine, phthalate or silicone resins; Also polyphenylene sulfide has been proposed for this purpose (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.Essential physical properties of the SiC decomposition graphite used for the composites according to the invention are compared in Table 1 with those of other graphite types; Table II also includes the granules or the commutation brushes produced from them in this comparison.

Die Werte zeigen die überraschend gute Eignung des SiC-Zersetzungsgrafits zur Herstellung von Verbundstoffen für Schleif- und Gleitkontakte.The values show the surprisingly good suitability of the SiC decomposition graphite for the production of composites for grinding and sliding contacts.

Schleif- und Gleitkontakte aus den erfindungsgemäßen Verbundstoffe weisen u.a. folgende Vorzüge auf:Abrasive and sliding contacts of the composites of the invention have i.a. following advantages:

1. Auf Bürstenarmierungen kann bis zu Maschinen von ca. 1 KW Leistungsaufnahme verzichtet werden.1. Brush reinforcements can be dispensed with machines of approx. 1 KW power consumption.

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.2. The cured composite does not contain any open or communicating pores and provides greater resistance to the oxidation of the graphite material caused by the brush window in commutator machines.

3. Die hohe Elastizität der Verbundstoffe ermöglicht es, daß die Bürsten den bei elektrisch umlaufenden Maschinen auftretenden radialen „Schlag" besser abfangen können.3. The high elasticity of the composites allows the brushes to better absorb the radial "impact" of electrically rotating machines.

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.4. Metallic grinding and sliding contacts, which are preferably damaged on the surface by electrical impulses, are usually mechanically to improve only after long periods of operation. The inventively consisting of polycrystalline resin-bonded composite material are mechanically restored after such actions by transport operations of the composite primary particles in the shortest possible time.

5. Im Teil- und Dauerlastbetrieb sowie im Schwachlastbetrieb kann eine Verbesserung der Bürstenstandzeit auf das Vier- bis Fünffache erreicht werden.5. In partial and continuous load operation as well as in low load operation, an improvement of the brush life to four to five times can be achieved.

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.6. The strong diversification of the physical parameters (specific resistance, bending strength, transition voltage) of the brushes has been achieved by different coal materials such as hard coal, natural or electrographite or Metallgrafit. The composites of the invention are able to substitute these material specifics and thus bring a significant extension of the scope of such grinding and sliding contacts.

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).7. Contact moldings based on SiC decomposition graphite make it possible, for example in motors for vacuum cleaners or DIY tools, to produce a significantly better relation between the + and - brush (for example in thyristor operation).

8. Die aufwendige Keramiktechnologie der bisherigen Herstellung von Kontaktformkörpern kann durch das energiesparende Verfahren der Kaltverpressung ersetzt werden.8. The elaborate ceramic technology of the previous production of contact moldings can be replaced by the energy-saving method of cold pressing.

Ausführungsbeispieleembodiments

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 gleichartigeThe examples prove the low wear, which can be achieved with contacts of the composites of the invention. While in Example 1 commutation brushes are compared from different graphite brands, in Example 2 accessible on the international market brush brands are included in this comparison. 1. Specific wear values for Kommutierungsbürsten from the composites of the invention and the like

Kontakte aus anderen Grafitarten Die Werte wurden mit Gebläseeinheiten von Staubsaugern unter Beibehaltung folgender Parameter erzielt:Contacts made of other types of graphite The values were obtained with blower units of vacuum cleaners, maintaining the following parameters:

Spannung U_n = 220 VVoltage U _n = 220V

Strom J_n = 1,85 A bis 4,0 ACurrent J _n = 1.85 A to 4.0 A

Aufnahmeleistung P_n = 400 W bis 800 WRecording power P _n = 400 W to 800 W

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

Kommutator 0 = 20 mm bis 32 mmCommutator 0 = 20 mm to 32 mm

Bürstenquerschnitt 5 χ 6,3 x 25 mm bis 8 x 6,3 x 32 mmBrush cross-section 5 χ 6.3 x 25 mm to 8 x 6.3 x 32 mm

Werkstoffmaterial spezifischerspecific spezifischerspecific Bürstenverschleißbrush wear Kommutatorverschleißcommutator wear [mm/100 h][mm / 100 h] [mm/100 h][mm / 100 h] Verbundstoffcomposite (erfindungsgemäß)(Invention) 2,42.4 0,100.10 Naturgrafitnatural graphite 5,4-19,85.4 to 19.8 0,38-1,40.38 to 1.4 ElektrografitElektrografit 5,5-6,05.5-6.0 0,01-0,100.01-0.10 Kolloidgrafitcolloidal graphite 10,010.0 0,040.04

2. Vergleichsmessungen des Bürstenverschleißes an verschiedenen Motoren nach jeweils 100 Stunden2. Comparative measurements of brush wear on different motors after every 100 hours

a) am Geräteeinbaumotor 125/0a) on the device installation motor 125/0

Bürstenmarkebrushes brand Δ L/mmΔL / mm Δ R/mmΔR / mm 21,9/1,1 23,7/0,9 5,7/0,721.9 / 1.1 23.7 / 0.9 5.7 / 0.7 Δ L/mmΔL / mm G4 K 7-3 F 45/1 G 20 (erfindungsgemäß)G4 K 7-3 F 45/1 G 20 (according to the invention) 3,0 3,3 3,3 2,13.0 3.3 3.3 2.1 0,10 0,08 0,14 0,110.10 0.08 0.14 0.11 c) an einem italienischen Kleinmotor 220 V /8 Wc) on a small Italian motor 220V / 8W 1,3 0,41.3 0.4 b) am Rührgerätemotor, thyristorgesteuert (Impulsbetrieb) Bürstenmarke Δ L/mmb) on the stirrer motor, thyristor-controlled (pulse mode) brush mark Δ L / mm Bürstenmarkebrushes brand E9 H14 G 20 (erfindungsgemäß)E9 H14 G 20 (according to the invention) Xl G 20 (erfindungsgemäß)XI G 20 (according to the invention)

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 HarzTable I: Comparison of different graphite grades in terms of their suitability for the production of composites for grinding and sliding contacts Specimens: (6.3 χ 5 χ 25) mm without resin

Grafitgraphite Ascheash Schütt-bulk Korn-Grain- Pulverpowder WiderContrary Granu-granulated Verpreß-Grouting PrüfkörPrüfkör relarela markebrand gehaltsalary Volumenvolume größen-size- widercontrary standwas standing lier-lifeline to barkeitbility perausPeraus tivertive vertei-distribute standwas standing desof barkeitbility Grafitgraphite Grafi-graphical lunglung Prüftest pulverpowder tie-TIE körpersbody Biegebending rungs-rungs- festigfestig gradDegree keitness [%][%] [g/l][G / l] [fimm²/m][take ² / m] [ilmm²/m][ilmm ² / m] [Kp/cm²][Kp / cm ² ] [%][%] SiC-SiC <1,0<1.0 350350 80%80% 478478 5,85.8 gutWell gutWell 60-7060-70 100100 Zerset-decomposition kleinersmaller (festes(solid zungs-MENT 30 μιη30 μιη Granulat)Granules) Elektro-electro- 0,050.05 343343 90%90% 621621 17,017.0 mäßigmoderate gutWell ca. 50approx. 50 5252 grafitgraphite kleinersmaller (weiches(soft (KB(KB LonzaLonza 20μηι20μηι Granulat)Granules) rissig)cracked) KS 44KS 44 (Schweiz)(Switzerland) ESM-Natur-ESM natural 9,829.82 370370 60%60% 10031003 u η veru η ver gutWell mäßigmoderate 40-5040-50 6868 grafitgraphite kleinersmaller preßtpresses (UdSSR)(USSR) 30 μ,ΓΠ30 μ, ΓΠ Kolloidcolloid 1,811.81 360360 90%90% 1160011600 unver-unver- mäßigmoderate schlechtbad 55-10055-100 88th grafitgraphite kleinersmaller preßtpresses (DDR)(GDR) 6jum6jum

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)Table II: Comparison of granules and patterns for commutating brushes from different grades of graphite with regard to their suitability for producing compounds for grinding and sliding contacts (vd.T. = before curing, n.d.T. = after curing)

a) Granulatea) granules

Grafitmarkegraphite brand Granulat (500<K<300) GranulierbarkeitGranules (500 <K <300) Granulizability Schüttvolumen [g/l]Bulk volume [g / l] Schüttelfestigkeit ungetempert getempert [%] 315μΓΤ1Shake resistance tempered untempered [%] 315μΓΤ1 SiC-Zersetzungs- grafitSiC decomposition graphite gut (festes Gra nulat)good (solid granules) 350-450350-450 35,3 6,535.3 6.5 Elektro- grafitLonza KS 44 (Schweiz)Elektro- grafitLonza KS 44 (Switzerland) mäßig (weiches Gra nulat)moderate (soft granules) 435435 29,3 29,629.3 29.6 ESM-Naturgrafit (UdSSR)ESM natural graphite (USSR) gutWell 354354 9,4 6,79.4 6.7 Kolloidgrafit (DDR)Colloid graphite (GDR) mäßig (weiches Granu lat)moderate (soft Granu lat) 495495

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)Table II: Comparison of granules and patterns for commutating brushes from different grades of graphite with regard to their suitability for producing compounds for grinding and sliding contacts (vd.T. = before curing, n.d.T. = after curing)

b) Kommutierungsbürsten (6,3 χ 5· x 25) mmb) Commutation brushes (6.3 χ 5 x 25) mm

Grafit markeGraphite brand Verpreß- barkeitPressability Maßänderung v.d.T. n.d.T. [mm]Dimensional change v.d.T. n.d.T. [Mm] 6,15- 6,256: 15-6: 25 Biegebruch festigkeit v.d.T. n.d.T. [kp/cm² Bending strength vdTndT [kp / cm ² Widerstands änderung v.d.T. n.d.T. [ümm^!/m]Resistance change vdTndT [uh ^! / M] Bürsten verschleiß [mm/100 h]Brush wear [mm / 100 h] Kommuta torver schleißCommutator torver wear SiC-Zer- setzungs- grafitSiC decomposition graphite gutWell 5,85- 5,905.85-5.90 50-60 85-12550-60 85-125 35 7535 75 2,402.40 0,100.10

Elektro-electro- schlechtbad 5,75-5,75- 6,82-6,82- grafitgraphite (geringe(low 5,855.85 7,057.05 LonzaLonza FestigFestig KS 44KS 44 keit)ness) (Schweiz)(Switzerland)

55-65 <40 8955-65 <40 89

420420

5,505.50

ESM-Natur grafit (UdSSR)ESM nature graphite (USSR) mäßig-gut (klebt)moderately-good (sticks) 5,60- 5,705.60-5.70 5,75- 5,845.75-5.84 51-5551-55 90-12590-125 2727 5050 19,819.8 1,81.8 Kolloid grafitColloid graphite schlecht (spröde)bad (brittle) 9,84- 9,939.84-9.93 10,06- 10,1110.06- 10.11 5555 85-10085-100 647647 656656 10,010.0 0,040.04

Claims (1)

Erfindungsanspruch:Invention claim: Verbundwerkstoff für Schleifringe und Kommutierungsbürsten aus Grafit, Siliciumcarbid und Harzbindemittel, gekennzeichnet dadurch, daß der durch thermische Dissoziation von Siliciumcarbid entstehende Grafit verwendet wird.Composite material for slip rings and commutation brushes of graphite, silicon carbide and resin binder, characterized in that the graphite formed by thermal dissociation of silicon carbide is used. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung kann in der Elektrotechnikjbeispielsweise zur Herstellung von Schleifringen und Kommutierungsbürsten für elektrische Maschineagenutzt werden.The invention can be used in electrical engineering, for example, for the production of slip rings and commutation brushes for electric machines.