Beschreibung Harzgebundener Graphitwerkstoff. Verfahren zur Herstellung eines harzeebundenen Graphitwerkstoffes sowie Verwendung dieses Die Erfindung bezieht sich auf einen harzgebundenen Graphitwerkstoff, insbesondere bestimmt als elektrischer Kontakt. Ferner nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zur Herstellung eines harzgebundenen Graphitwerkstoffes, insbesondere als elektrisches Kontaktmaterial. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung eines harzgebundenen Graphitwerkstoffes.
Für Kohlebürsten, insbesondere Kleinkohlebürsten, werden harzgebundene Graphit- werkstoffe, Kohlenstoff-Graphitwerkstoffe, Elektrographit oder Graphit mit Metallzu- sätzen wie Kupfer und Silber verwendet, um nur einige Beispiele zu nennen. lnsbeson- dere die Kohlenstoff-Graphitwerkstoffe werden bei Universalmotoren für Ilaushaltsge- räte eingesetzt, da diese sich durch vielseitige Verwendbarkeit für spezielle Problem- sungen auszeichnen. I-lierzu gehören gutes Kommutieren, geringe Funkstörung, hohe Lebensdauer und Einsatzmöglichkeit bei hoher mechanischer und elektrischer Bela- stung. Durch die Verwendung von möglichst hochohmigem Kohfenbürstenmateria ! können dabei Kurzschlussströme begrenzt und der Innenwiderstand von Störquellen erhöht werden. Entsprechende Kohlenstoff-Graphitwerkstoffe weisen dabei einen spezi- fischen elektrischen Widerstand bis zu 2. 400 uQm auf (s. Datenblatt"Schunk Kohlen- stofftechnik GmbH, Kohlenbürsten, Werkstoffe physikalische Werte, L-Werkstoffe : Kohlenstoff-Graphit, 13. 14/01. 99").
Ungeachtet des bisher benutzten hochohmigen Kohlebiirstenmaterials ist es zusätzlich erforderlich, die Kohlebürsten zu imprägnieren. um neben einem verbesserten mechani- schen Laufverhalten die Funkstörung während der Kohlebiirstenlebensdauer zu senken.
Auch werden weiterhin Entstörglieder wie Drosseln oder Spulen integriert.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen harzgebundenen Gra- phitwerkstoff der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass Funkstörungen bei der Verwendung als elektrischer Kontakt ausgeschlossen oder nahezu ausgeschlos- sen sind. ohne dass es grundsätzlich weiterer Maßnahmen wie eines Imprägnierens be- darf.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch einen harzgebundenen Graphitwerkstoff im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der harzgebundene Graphitwerkstoff aus einer aus- gehärteten Mischung aus rußhaltigem Elektrographit mit einem Rußgehatt Rc mit Rc # 30 Gew. %, rußfreiem Elektrographit sowie Bindemittel besteht und einen spezifischen elektrischen Widerstand Wspez. mit Wspez 2 3. 500 µ#m aufweist. Dabei können der Mi- schung zumindest ein Zuschlagsstoff wie Festschmierstoff in Form von zum Beispiel MoS2 oder WS2 und/oder ein abrasiver Zuschlagsstoff wie SiC und/oder Al2O3 beige- fügt sein.
Bei dem rußfreien Elektrographit handelt es sich insbesondere um einen rußfreien Elektrographit-Recyclingwerkstoff. Als rußhaltiger Elektrographit kann zum Beispiel Kartuschengraphit eingesetzt werden.
Unabhängig hiervon sollte jedes Ausgangsprodukt ein rußfreier bzw. rußhaltiger Roh- stoff sein, der mit Bindemittel gemischt und sodann geglüht, graphitiert und aufgemah- len ist.
Ferner ist vorgesehen, dass der rußhaltige Elektrographit einen spezifischen elektrischen Widerstand Wspez. mit 3.500 pQm > Wspez. # 40 pQm aufweist.
Losgelöst hiervon sollten die Elektrographitausgangssubstanzen isotrop sein, also eine spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen, der richtungsunabhängig ist.
Sowohl der rußhaltige Elektrographit als auch der rußfreie Elektrographit sollte eine Korngröße d5 () mit 20 um < d50 < 40 um aufweisen. Die Kennzahl dßo bedeutet dabei, dass 50% des aufgemahlenen Rohstoffes durch ein Sieb der angegebenen Maschenweite fällt.
Als Bindemittel wird insbesondere ein synthetisches Pulverharz wie synthetischer Kunststoff, insbesondere Duroplast eingesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bindemittel um ein in Lösungsmittel gelöstes Pulverharz bzw. ein lösungsmittelfreies Flüssigharz.
Ferner sollte das Bindemittel in Form eines Fliissigharzes und/oder eines in lösung- mittel gelösten Pulverharzes eine Glasumwandlungstemperatur TG mit 50° Tc < 250 °C aufweisen. Als weitere charakteristische Größe dieser Harze ist deren Viskosität V bei Zimmertemperatur mit 10 cP < V < 6000 cP zu nennen.
Die Mischung selbst sollte 15-75 Gewichtsanteile des rußhaltigen Elektrographits, 15 - 75 Gewichtsanteile des rußfreien Elektrographits, 0-10 Gewichtsanteile Fest- schmierstoffe, 0-1 Gewichtsanteil abrasiven Zusatzstoff aufweisen, wobei den Fest- stoffen 15-35 Gewichtsanteile Bindemittel beigefügt ist.
Anzumerken ist, dass bei den angegebenen Gewichtsanteilen die Rohstoffe, d. h. ruß- freier und rußhaltiger Elektrographit sowie die gegebenenfalls vorhandenen Zusatzstof- fe insgesamt 100 Gewichtsanteile ausmachen, zu denen sodann das Bindemittel mit einem Gewichtsanteil von 15-35 hinzukommt, bezogen auf die 100 Gewichtsanteile an Rohstoffen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Mischung aus rußhaltigem Elektrograhit, rußfreiem feinkörnigen Elektrograhit wie insbesondere Elektrographit-Recyclingwerkstoff sowie flüssigem Bindemittel ergibt sich ein harzgebundener Graphitwerkstoff mit einem spe- zifischen elektrischen Widerstand Wspez > 3. 500 FlQm, insbesondere bis zu 10.000 LtQm oder mehr. Somit kann fast von einem Isolator gesprochen werden, ohne dass je- doch die elektrische Leiteigenschaft negativ beeinflusst wird. Hierdurch ergeben sich insbesondere Vorteile in Bezug auf das Funkströverhalten, so dass teure Entstörglieder wie Drosseln oder Spulen nicht verwendet werden müssen. Auch ist es nicht erforder- lich, den Werkstoff zu imprägnieren, wie dies nach zumindest dem Stand der Technik notwendig ist. Dieser Werkstoff wird bei kleiner Leistung (< 400 Watt) und vorzugs- weise 220-250 V Spannung eingesetzt, um die elektrischen Ströme klein zu halten.
Bei Betrieb in diesem Leistungsbereich treten keine höheren Temperaturen an der Kohlebürste auf als bei herkömmlichen Werkstoffen. Ebenso sind Lebensdauer und Verschleiß der Kohlebiirste mit üblichen Werkstoffen vergleichbar.
Ein Verfahren zur l-lerstellung eines harzgebundenen Graphitwerkstoffes, insbesondere zur Verwendung als elektrisches Kontaktmaterial. ist im Wesentlichen durch die Ver- fahrensschritte gekennzeichnet : Mischen von rußhaltigem Elektrographit mit einem Rußgehalt R mit Ro > 30 Gew. %, rußfreiem feinkörnigen Elektrographit mit einem spezifischen elektri- schen Widerstand W ; pez. mit 8 µ#m # Wspez # 30 µ#m und einem flüssigen Bindemittel bei einer Temperatur Tl, Aufmahlen der Mischung, Verpressen aufgemahlter Mischung zu einem Pressing und anschließendes Aushärten.
Insbesondere werden der rußhaltige Elektrographit, der rußfreie feinkörnige Elektrogra- phit und das flüssige Bindemittel wie Flüssigharz bei Raumtemperatur gemischt. Die so hergestellte Mischung wird sodann zu einer Korngröße d50 mit 50 um # d50 # 150 µm aufgemahlen. Anschließend wird die aufgemahlene Mischung einem spezifischen Pressdruck zwischen 1. 000 und 2.000 kp/cm2 ausgesetzt. Der Pressling kann sodann über einen Zeitraum t mit 10 Stunden S t S 20 Stunden bei einer Endtemperatur T mit 180 °C < T < 250 °C ausgehãrtet werden.
Ein hoher spezifischer elektrischer Widerstand des erfindungsgemäßen harzgebundenen Graphitwerkstoffes ergibt sich dann. wenn 15-75 Gewichtsanteile an rußhaltigem Elektrographit, 15-75 Gewichtsanteile an rußfreiem feinkörnigen Elektrographit und 15-35 Gewichtsanteile an Bindemittel gemischt werden, wobei der Mischung vor- zugsweise 0-10 Gewichtsanteile Festschmierstoff und/oder 0-1 Gewichtsanteile ab- rasiver Zusatzstoff beigegeben wird.
Als rußfreier Elektrographit können mßfreier Elektrographit-Recyclingwerkstoff und/oder als rußhaltiger Elektrographit Kartuschengraphit verwendet werden. Als Bin- demittel können sowohl in Lösungsmittel gelöstes Pulverharz als auch lösungsmittel- freies Flüssigharz eingesetzt werden, wobei als Bindemittel ein solches auf der Basis eines synthetischen Kunststoffes wie Epoxidharz oder Phenolharz zum Einsatz gelangen sollte. Bei der Verwendung von tlüssigem Bindemittel sollte dieses eine Glasumwand- lungstemperatur Tc mit 50 °C < TG < 250 °C und/oder bei Raumtemperatur eine Visko- sität V von 10 cP zu V i 6000 cP aufweisen.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das erfindungsgemäße harzgebundene Graphitmaterial als Material für eine Kohlebürste oder einen Schleifring verwendet wird.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen-für sich und/oder in Kom- bination-, sondern auch aus der nach zumindest folgenden Beschreibung von Beispie- len.
Beispiel 1 : Zur Herstellung einer Kohlebiirste bestimmt für Elektrokleinmotoren wurden 50 Ge- wichtsanteile rußhaltigen Elektrographits mit einem Rußgehalt von 50 Gew. %, einem spezifischen elektrischen Widerstand Wspez von in etwa 100 µ#m und eienr Korngröße d50 von 30 um mit 50 Gewichtsanteilen rußfreiem feinkörnigen Elektrographit- Recyclingwerkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand Wspez von 20 pQm und einer Korngröße d50 von 30 µm mit 25 Gewichtsanteilen eines lösungsmittelgelö- sten Pulverharzes in Form eines Epoxidharzes in einem Sigmakneter bei Raumtempe- ratur gemischt. Die fertige Mischung wurde sodann auf eine Korngröße d50 = 90 um aufgemahlen und mit einem spezifischen Pressdruck von 1500 kp/cm2 verpresst. Der Pressling wurde anschließend einem 15-stündigen Aushärtezyklus mit einer Endtempe- ratur von 200 °C unterworfen. Entsprechende Presslinge wiesen einen spezifischen elektrischen Widerstand Wspcx von 8000 plDm auf. Aus entsprechenden Presslingen hergestellte Kohlebürsten wurden sodann zu Vergleichsmessungen mit Kohlebürsten aus herkömmliche harzgebundene Kohlenstoff-Graphitwerkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand Wgpe von 600 pQm verglichen. Dabei wurden Funkstörmes- sungen an zwei Elektromotoren durchgeführt. Die Ergebnisse sind der Fig. 1 zu ent- nehmen.
Der in der einzigen Figur mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnete Graph entspricht dem Grenzwert des Funkstörpegels. wohingegen die Gerade mit dem Bezugszeichen 12 der um 7 dB reduzierte Grenzwert ist.
Die Kurven 14, 16 wurden an zwei Motoren, die mit den Kohlebürsten aus herkömmli- chem Kohlebürstenwerkstoff bestückt waren, gemessen. Die Meßkurven 18, 20 sind die Ergebnisse der gleichen Motoren, jedoch bestückt mit den aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff hergestellten Kohlenbürsten, die einen spezifischen elektrischen Widerstand von 8000 plQm aufwiesen. Eine deutliche Reduzierung der Funkstörung mit dem erfin- dungsgemäßen Werkstoff ist erkennbar.
Beispiel 2 : Zur Herstellung einer Kohlebürste bestimmt für Elektrokleinmotoren wurden 40 Ge- wichtsanteile rußhaltigen Elektrographits mit einem Rußgehalt von 50 Gew. %, einem spezifischen elektrischen Widerstand Wspez. von in etwa 100 um und einer Korngröße d50 von 30 um mit 60 Gewichtsanteilen rußfreiem feinkörnigen Elektrographit- Recyclingwerkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand Wspez von 20 pQm und einer Korngröße dso von 30 pm mit 25 Gewichtsanteilen eines lösungsmittelgelö- sten Pulverharzes in Form eines Epoxidharzes in einem Sigmakneter bei Raumtempe- ratur gemischt. Die fertige Mischung wurde sodann auf eine Korngröße d50 = 90 um aufgemahlen und mit einem spezifischen Pressdruck von 1500 kp/cm2 vepresst. Der Pressing wurde anschießend einem 15-stündigen Aushärtezyklus mit einer Endtempe- ratur von 200 °C untervorfen. Entsprechende Presslinge wiesen einen spezifischen elektrischen Widerstand Wspex von 5000 FtQm auf. Aus entsprechenden Presslingen hergestellte Kohlebürsten wurden sodann zu Vergleichsmessungen mit Kohlebürsten aus herkömmlichem harzgebundenen Kohlenstoff-Graphitwerkstoff mit einem spezifi- schen elektrischen Widerstand Wspez von 600 IlQm verglichen. Funkstörmessungen ha- ben entsprechend dem Beispiel 1 eine deutliche Reduzierung der Funkstörung im Ver- gleich zu herkömmlichen Bürsten ergeben.
