Künstlicher Graphit, seine Entstehung und Verwendung im Maschinenbau. Von Regierungsbaumeister Dierfeld in Berlin-Friedenau. DIERFELD: Künstlicher Graphit, seine Entstehung und Verwendung im Maschinenbau Man versuchte schon vor langer Zeit, dem gewöhnlichen Schmieröl Graphit zuzusetzen, um so dessen Schmierfähigkeit zu erhöhen. Es ergab sich dabei zwar eine gewisse Oelersparnis, doch konnte diese Schmierung keine praktische Bedeutung erlangen, da hierbei natürlicher Graphit verwandt wurde, welcher durch verschiedene Beimengungen verunreinigt ist. Diese Beimengungen bestehen aus Glimmer, Ton, Kieselerde usw. und können zwar durch besondere mechanische und chemische Verfahren zum Teil ausgeschieden werden, doch gelingt dies nie vollständig. Es ist selbstverständlich, daß eine gute Schmierung nicht stattfinden kann, wenn auch nur ein Teil dieser Verunreinigungen im Graphit zurückbleibt, und es ist hierauf die bisherige sehr geringe Verwendung des natürlichen Graphits im Maschinenbau zurückzuführen. Wenn der Graphit einige Bedeutung für den Maschinenbau gewinnen soll, so muß er eine fast chemische Reinheit besitzen, so fein zerteilt sein, daß er in Flüssigkeiten schwebt, sowie stets in genügender Menge und vollständig gleichmäßiger Qualität erhältlich sein. Diese Bedingungen werden von dem natürlichen Graphit, in welcher Form er auch heute in den Handel kommen mag, in keiner Weise erfüllt. Es gibt kein Verfahren, um alle in diesem Graphit enthaltenen Unreinlichkeiten zu entfernen, auch bei feinster Zerpulverung sind die einzelnen Teilchen immer noch viel zu groß oder haben die Form von großen Blättchen, welche nicht für längere Zeit in irgend einer Flüssigkeit in der Schwebe gehalten werden können. Nun ist der natürliche Graphit je nach dem Orte seiner Gewinnung in der Qualität außerordentlich verschieden, und ist es unmöglich, aus den so verschiedenen Rohprodukten eine gleichmäßige Handelsware zu liefern und noch dazu in genügender Menge. Der bekannte amerikanische Gelehrte Dr. Edward G. Acheson, ein früherer Mitarbeiter Edisons und Erfinder des Karborundums, fand nun vor einigen Jahren ein Verfahren zur Herstellung von künstlichem fast chemisch reinem Graphit, welcher alle oben angeführten Vorzüge besaß und sich in der Praxis so gut bewährte, daß er in England, Frankreich und Amerika heute in umfassender Weise in allen Zweigen des Maschinenbaues verwandt wird. In Deutschland wird künstlicher Graphit heute nur in bescheidenem Maße benutzt; seine mannigfachen Vorzüge und seine vielseitige Verwendbarkeit sind noch nicht genügend bekannt, weshalb in folgendem näher auf die Entstehung und Eigenschaften des künstlichen Graphits eingegangen werden soll. Dr. Acheson erzeugte ursprünglich künstlichen Graphit, indem er Karborundum (C Si) im elektrischen Ofen auf eine derartige Temperatur erhitzte, daß das Silizium verdampfte und ausschied. Der so erhaltene Graphit behält die Form des ursprünglichen Karborundum-Blocks, und ist sehr leicht und sehr fettig. Er besitzt jedoch nicht die Fähigkeit, auf Papier Zeichen zu hinterlassen. Um einen brauchbaren Graphit zu erhalten, erhitzte Dr. Acheson im elektrischen Ofen Anthrazitkohle bis auf über 4000° C, und erhielt so harte Massen von Kohlenstoff, welche nicht fettig sind, aber noch den richtigen Graphitcharakter haben. Fast jede Art von künstlichem Graphit zwischen diesen beiden Extremen kann erzeugt werden, indem man auf passende Weise die Versuchsbedingungen ändert. So erhält man einen sehr zähen, künstlichen Graphit, welcher für Ofen-Elektroden brauchbar ist und auf der Drehbank bearbeitet sowie mit Gewinde versehen werden kann. Derartige Elektroden können bis zum letzten Stück aufgebraucht werden, da man einfach auf die alten verbrauchten Stücke neue Längen aufschraubt. Auch können Graphite erzeugt werden, welche sich für Bleistifte eignen, und wegen ihres Freiseins von Unreinheiten den Vorzug vor dem natürlichen Graphit verdienen. Bei dem letzteren ist es praktisch unmöglich, die natürlichen Beimischungen zu entfernen, da z.B. Mika, welches sich sehr häufig findet, dasselbe spezifische Gewicht wie der natürliche Graphit selbst hat. Im elektrischen Ofen erhält man jedoch einen fast reinen Graphit mit einem Kohlenstoffgehalt von über 99,8 v. H. Man kann auch chemisch reinen Graphit erzeugen, indem man sehr reinen Graphit im elektrischen Ofen erhitzt, durch welchen ein Strom von Kohlenstoff-Monoxyd fließt. Auf diese Weise wurde ein Produkt erhalten, in welchem der bekannte Gelehrte William Crooks nicht das Vorhandensein irgend einer Unreinheit feststellen konnte. Von den mannigfachen Anwendungen der verschiedenen Arten des künstlichen Graphits ist wohl keine wichtiger wie seine Verwendung als Schmiermittel. Damit diese möglich ist, muß der Graphit in eine flüssige Form gebracht werden, und zwar dürfen sich die fein zerteilten Graphitteilchen nicht in der Lösung niederschlagen. Nach vielen Versuchen gelangte Dr. Acheson dahin, den auf geeigneten Maschinen zu sehr feinem Pulver zerteilten künstlichen Graphit in einer Lösung von Tannin mit Wasser zur Schwebe zu bringen, wobei ein wenig Ammoniak beigefügt wurde, um Fermentieren des Tannins zu verhüten. Die feinen Graphitteilchen in dieser Emulsion sind nur in dem Ultra-Mikroskop sichtbar, ihr Durchmesser überschreitet nicht den vierzehnten Teil von einem Tausendstel Millimeter. Diese feinen Graphitteilchen gehen mit der Lösung frei durch gewöhnliches Filterpapier hindurch, und bleiben ständig in der Schwebe, wenn die Lösung frei von Säuren gehalten wird. Fügt man der Lösung dagegen ein wenig Salzsäure hinzu, so vereinigen sich diese kleinsten Teilchen zu größeren Aggregaten, welche von gewöhnlichem Filterpapier zurückgehalten werden, während eine klare Flüssigkeit hindurchfließt. Bei der Fabrikation des künstlichen Graphits für Schmierzwecke wird in derselben -Weise verfahren. Der im elektrischen Ofen gewonnene, zu feinstem Pulver zermahlene künstliche Graphit wird mit 32 Gewichtsteilen von weichem Wasser gemischt und in einem Mastikator durchgeknetet. Der Mastikator läuft mit hoher Drehzahl, und die Graphitwassermischung wird darin während einer Periode von sieben Tagen bearbeitet, während welcher Zeit in bestimmten Zwischenräumen Muster zur Untersuchung genommen werden. Während dieses Verfahrens verschwinden etwa ¾ v. H. der Graphitladung, welche anscheinend einer chemischen Aenderung unterworfen wurde. Zu dem Wasser im Mastikator wird eine Tanninlösung hinzugefügt, welcher als Vorbeugemittel in Zwischenräumen von neun Stunden etwas Ammoniak hinzugefügt wird. Im Verlaufe dieses Knetprozesses nimmt ein Teil des Graphits die Form einer Emulsion an, und wenn dieses Verhältnis etwa 8 v. H. erreicht, wird der Inhalt des Mastikators in einen großen Behälter abgelassen, wo die Flüssigkeit während 15 Tagen verbleibt. In dieser Zeit schlagen sich die größeren Graphitteilchen nieder, und es bleiben in permanenter schwebender Lösung die ultramikroskopischen Graphitteilchen zurück. Diese Lösung enthält zu wenig Graphit, als daß sie im Handel verwandt werden könnte, und muß deshalb konzentriert werden. Dies wird bewirkt in großen Filterpressen, wobei der Druck gegen Ende des Verfahrens 4,2 at erreicht. Die aus den Filterpressen entnommene Graphitpaste wird mit Wasser entsprechend verdünnt, so daß in der Lösung ein stets gleicher Graphitgehalt ist, und kommt unter dem Namen Aquadag in den Handel. Die Endung dag in dem Worte ist zusammengezogen aus den Worten „deflocculated Acheson Graphite“. Um aus Aquadag eine Schwebelösung von Graphit in Oel zu erhalten, wird die aus den Filterpressen entnommene Graphitpaste vier Stunden mit Oel durchknetet. Hierdurch wird das Wasser gezwungen, sich in Tropfen zu sammeln und auszuscheiden, wobei seine Stelle von dem Oel eingenommen wird. Nachdem das ausgeschiedene Wasser herausgepreßt ist, wird die Paste mit Oel verdünnt, und schließlich unter einem bestimmten Vakuum getrocknet. Diese Graphitmasse wird nun in bestimmtem Gewichtsverhältnis mit Oel gemischt, wo es seinen Schwebezustand annimmt, und kommt als konzentriertes Oildag in den Handel. In ähnlicher Weise wird eine Mischung des künstlichen Graphits mit flüssigem oder konsistentem Fett erzeugt, welche unter den Namen Gredag in den Handel gebracht wird. Ich will im folgenden zunächst die Eigenschaften des künstlichen Graphits und seine Verwendung als Schmiermittel besprechen, wobei ich. mich auf Versuchsergebnisse stütze, welche der bekannte amerikanische Gelehrte Prof. Charles F. Mabery kürzlich bekannt Zeit in Minuten gab. Dieser Gelehrte benutzte bei seinen Versuchen die bekannte Carpentermaschine mit hartem Weißmetallager, das entsprechend belastet wurde. Als Graphit kam die Form des künstlichen Graphits zur Verwendung, welcher zur Herstellung von Oildag verwandt wird und in Oel in der Schwebe bleibt. Wir wollen diese Graphitform im folgenden mit Schwebegraphit bezeichnen. Textabbildung Bd. 329, S. 322 Abb. 1. Für den ersten Versuch wurde eines der besten Automobilöle ausgewählt, welches zuerst allein und dann mit Zusatz von Schwebegraphit geprüft wurde. Das Oel lief auf das Lager mit einer Geschwindigkeit von 8 Tropfen in der Minute, und zwar für zwei Stunden, wobei ein Thermometer in die Oeffnung des Lagers zur Ablesung der Temperatur gesteckt wurde. Die Drehzahl des Lagers betrug 450 in der Minute, der Flächendruck im Lager 13,6 kg für das cm2, die Gesamtbelastung des Lagers 6 75 kg. Abb. 1Bei sämtlichen Kurven hört die Oelzufuhr bei den Linien x auf. zeigt den Reibungskoeffizienten während der Versuchsdauer. Man ersieht aus der Kurve Nr. 1, daß der Oelfilm 17 Minuten nach dem Aufhören des Oelzuflusses durchbrochen wurde, und der Reibungskoeffizient so hoch stieg, daß Gefahr des Festfressens bestand. Bei der Anwendung einer Mischung desselben Motoröles mit 0,35 v. H. künstlichen Schwebegraphits war nicht nur der Reibungskoeffizient in den ersten zwei Stunden viel niedriger, wie auch die Temperatur niedriger blieb, sondern blieb auch nach Abschneiden des Oelzuflusses für eine Zeit von vier Stunden immer noch niedriger als der Reibungskoeffizient des mit reinem Oel normal geschmierten Lagers. Die gestrichelte Kurve Nr. 2 in Abb. 1 zeigt den Verlauf des Versuches bei Graphitölmischung an. Hierbei sei gleich bemerkt, daß bei Verwendung von reinem Oel ein Oelzufluß von acht Tropfen in der Minute den geringsten Betrag darstellte, mit dem sich bei diesem Druck die Reibung überwinden ließ. Dies wurde in einem anderen Versuch festgestellt, wo der Oelzufluß auf sechs Tropfen in der Minute gemindert wurde. Der Oelfilm wurde bald nach dem Beginn des Versuches durchbrochen, und der Reibungskoeffizient stieg unzulässig, woraus zu ersehen war, daß diese Oelmenge nicht genügte. Jedenfalls ist das aus Abb. 1 ersichtliche Fortdauern der Schmierwirkung des Graphites nach Abschneiden des Oelzuflusses, welches sich sicherlich noch über einen längeren Zeitraum erstreckt hätte, von der größten Bedeutung für den Maschinenbau, da dann ein Heißlaufen von Lagern infolge mangelnder Oelzufuhr nicht mehr eintreten kann, wenn man die Mischung von Oel mit künstlichem Graphit, genannt Oildag, zum Schmieren verwendet. Textabbildung Bd. 329, S. 323 Abb. 2. Um sich zu vergewissern, ob ein größerer oder kleinerer Prozentgehalt von künstlichem Graphit vorteilhaft ist, wurden mehrere Versuche angestellt mit Oel, welches 0,5 v. H. und kleinere Mengen bis hinunter zu 0,1 v. H. Graphit enthielt, aber keiner dieser Versuche hatte ein befriedigendes Ergebnis. Abb. 2 zeigt den Reibungskoeffizienten des Motoröles mit 0,25 v. H. Graphitgehalt, bei einem Flächendruck im Lager von 10 kg/cm2. Die Ergebnisse dieses Versuches sind nicht beträchtlich verschieden von denen in Abb. 1 mit 0,35 v. H. Graphitgehalt, obgleich der Reibungskoeffizient bei dem höheren Graphitgehalt sich etwas niedriger stellt. Es ist also ziemlich gleichgültig, welchen von diesen Prozentgehalten man wählt, um den schützenden Graphitüberzug auf dem Lager zu erzeugen. Aber wie wir später sehen werden, kann dieser Ueberzug sowohl durch vermehrte Zuführung eines Oeles mit geringerem Graphitgehalt oder auch durch verringerten Zufluß von Oel mit normalen Graphitgehalt erreicht werden. Den geringsten Graphitgehalt, welcher zur Erzeugung eines permanenten Graphitüberzuges im Lager erforderlich ist, wurde ermittelt in einer Reihe von Versuchen, wobei unter demselben Flächendruck und bei derselben Drehzahl des Lagers der Oelzufluß allmählich verringert wurde. Das Oel enthielt dabei 0,35 v. H. Graphit, und der Oelzufluß wurde von acht auf vier Tropfen in der Minute verringert. Wie aus der Kurve Nr. 1 in Abb. 3 zu sehen, zeigte sich nach Ablauf von drei Stunden, wo normale Verhältnisse eingetreten waren, der Reibungskoeffizient praktisch unverändert bis zum Verlaufe von sechs Stunden. Schließlich wurde der Oelzufluß von vier auf zwei Tropfen in der Minute verringert, und wie vorher blieb der Reibungskoeffizient praktisch derselbe (Kurve Nr. 2) während 15 Stunden mit geringen Aenderungen, die auf Anhalten und Anlassen der Maschine zurückzuführen sind. Der Flächendruck betrug bei diesen Versuchen 13,6 kg/cm2, und die Drehzahl 450 in der Minute. Unter denselben Verhältnissen wurde eine Minderung von zwei auf einen Tropfen in der Minute vorgenommen, die Ergebnisse sind in der Kurve / in Abb. 4 dargestellt. Es zeigte sich auch hier keine Aenderung des Reibungskoeffizienten. Minderte man den Oelzufluß noch weiter auf einen Tropfen für je zwei Minuten, so erhielt man das in Abb. 4 durch Kurve Nr. 2 dargestellte Ergebnis. Während einer Dauer von 16 Stunden blieb der Reibungskoeffizient konstant, und kein Wechsel der Temperatur trat auf. Da bei diesem Versuch der Reibungskoeffizient am Ende der 16 Stunden noch unverändert war, so würde wahrscheinlich noch eine stärkere Verminderung des Oelzuflusses genügt haben, um den Graphitüberzug zu erhalten. Leider ließ sich aber an dem Oelbecher eine geringere durchfließende Menge nicht mehr mit Genauigkeit messen. Textabbildung Bd. 329, S. 323 Abb. 3. Textabbildung Bd. 329, S. 323 Abb. 4. Man ersieht hieraus, daß man dieselbe Schmierwirkung erhält, wenn man bei Graphitbeimischung 1/16 der Oelmenge verwendet, die bei Benutzung reinen Oeles zur Aufrechterhaltung der Schmierung mindestens notwendig ist, denn wie aus Kurve I in Abb. 1 zu sehen, war ein Oelzufluß von acht Tropfen in der Minute die geringste Oelmenge, mit der die Reibung überwunden werden konnte. Die Dauerhaftigkeit des Graphitüberzuges wurde festgestellt, indem nach Beendigung des Versuches Nr. 2 in Abb. 4 der Oelzufluß ganz abgesperrt wurde, und man die Prüfmaschine solange laufen ließ, bis das Lager anfing großen Reibungswiderstand zu zeigen. Das Ergebnis dieses Versuches ist in Abb. 5 dargestellt. Textabbildung Bd. 329, S. 324 Abb. 5. Der Flächendruck von 13,6 kg/cm2 sowie die Drehzahl von 450 in der Minute blieben hierbei dieselben, und es zeigte sich, daß während der Zeit von zehn Stunden der Reibungskoeffizient nur unwesentlich höher als bei den vorigen Versuchen war, und daß erst nach Ablauf dieser Zeit ein Anwachsen des Reibungswiderstandes eintrat, weil der Graphitüberzug teilweise abgenutzt oder durchbrochen war. Natürlich ist ständig Reibung erforderlich, um diesen Graphitüberzug gänzlich zu entfernen. Auch hierüber wurden Versuche angestellt, und zwar wurde hierzu der beim Versuch Abb. 5 durchbrochene Graphitüberzug benutzt, wobei reines Oel im Verhältnis von sechs Tropfen in der Minute zugeführt wurde, um den Punkt festzustellen, wo der Graphit-Überzug der Lagerfläche nicht länger bei der Schmierung mitwirken kann. Bei jedem Versuche wurde das Oel eine bestimmte Zeit laufen gelassen, und die Lagerflächen wurden sorgfältig abgetrocknet. Abb. 6 zeigt die Mitwirkung des Graphits bei der Oelschmierung unverändert während der Versuche Nr. 1 bis 6, und der Graphitüberzug war erst vollständig abgenutzt in dem Versuch Nr. 7, so daß immerhin annähernd 3½ Stunde dazu nötig waren, um den Graphitüberzug so abzunutzen, daß er nicht länger Mithilfe bei der Schmierung leistete. Textabbildung Bd. 329, S. 324 Abb. 6. Bei diesen Versuchen verlaufen die Kurven der Temperaturen fast genau wie die Reibungskurven, so daß unnötig war, sie hier noch einmal zu verzeichnen. In allen Fällen konnte man beobachten, daß die Temperatur allmählich anstieg mit der Dauer des Versuches, bis sie einen praktisch konstanten Wert erreichte, welcher 19 ° C nicht überstieg, und daß meistens die Temperaturen beträchtlich niedriger waren. Danach scheint es, daß die Reibung eine gewisse Wärmemenge erzeugt, welche von einem gewissen Punkte an praktisch konstant bleibt. Im allgemeinen wird die Temperatur um so niedriger sein, je niedriger der Reibungskoeffizient ist. Dies zeigt sich deutlich bei dem Versuch Nr. 1 in Abb. 1, wo der Reibungskoeffizient und die Temperatur für Oel allein beträchtlich höher waren als bei dem Oel mit Graphitbeimischung. (Schluß folgt.)