Патент на изобретение №2368462
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ КОНТАКТНОЙ ПЛАСТИНЫ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области электротехники, в частности к композиционным материалам на медной основе, и может быть использовано для изготовления контактных элементов токоприемников электроподвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта. Композиционный материал содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: графит – 3,0-10,0, железо – 7,0-10,0, фосфор – 0,1-0,5, сера – 0,1-0,8, дисперсно-упрочненная медь – остальное. Способ изготовления композиционного материала включает изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 мас.% дисперсно-упрочняющей добавки, смешивание порошковых материалов, прессование из них пористой заготовки, нагрев спрессованной заготовки, ее уплотнение и нагартовку полученного материала. Технический результат – повышение физико-механических и антифрикционных свойств материала. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам и способам их изготовления методами порошковой металлургии, предназначенным для изготовления контактных элементов токоприемников электроподвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта. Известен материал для изготовления контактных пластин марки ВЖЗП, применяемый для токоприемников электровозов, который нашел применение на железнодорожном транспорте и который описан в а.с. СССР Способ изготовления таких пластин, указанный в этом же а.с. Недостатками способа изготовления таких пластин являются неравномерность плотности пластины при прокатке, что приводит к существенной анизотропии ее механических свойств и к уменьшению ресурса работы пластин, а также невозможность получения при прокатке полос высотой более 7-8 мм, что также приводит к уменьшению ресурса работы пластины. Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является пластина, показанная в декларационном патенте Украины Способ изготовления таких пластин, указанный в этом же декларационном патенте Украины Недостатком этого способа является невозможность получения этим способом контактных материалов и пластин из них с повышенными механическими и антифрикционными свойствами. Задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в разработке композиционного материала контактной пластины на медной основе с повышенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, которые реализуются за счет создания износостойкого, жаростойкого, жаропрочного и антифрикционного материала пластины, в котором структура и основные характеристики определяются совокупным влиянием процессов дисперсионного упрочнения матричного материала (меди) различными тугоплавкими добавками и упрочнением этой же меди путем образования твердого раствора при легировании ее различными элементами, а также способа изготовления такого материала. Поставленная задача решается тем, что композиционный материал контактной пластины на медной основе, включающий железо, графит и фосфор, отличающийся тем, что согласно изобретению по п.1 он дополнительно содержит серу и медь, взятую в дисперсно-упрочненном виде, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
В п.2 способ изготовления композиционного материала по п.1, включающий смешивание порошковых материалов, прессование из них пористой заготовки, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение, отличается тем, что перед смешиванием порошковых материалов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала. Композиционный порошковый материал по п.1, как показано в прототипе, имеет следующий состав – 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, 61,5% меди. Композиционный порошковый материал по п.1, который предлагается, имеет следующий состав, мас.%:
Материал такого состава обладает улучшенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, что обеспечивает повышение ресурса работы контактных пластин, изготовленных из этого материала, до 70-80,0 тыс.км и улучшение условий эксплуатации подвижного состава за счет: 1. Создания на основе дисперсно-упрочненной меди жаростойкой и жаропрочной матрицы, что повышает температуру рекристаллизации материала на медной основе с 270-300°С до 750-800°С и тем самым противодействует разупрочнению материала вследствие высоких температур, развивающихся при дуговых разрядах и трении при высоких скоростях движения, в результате этого все физико-механические и антифрикционные свойства такого материала остаются высокими и предельно стабильными на весь срок эксплуатации материала; 2. Введения легирующих добавок фосфора и серы, которые, образуя твердые растворы в меди, дополнительно упрочняют предлагаемый композиционный материал, кроме того, сера и фосфор, образовывая фосфиды и сульфиды меди, являющиеся твердыми смазками, предотвращают образование ювенильных участков на поверхности трения пары – контактный провод – контактная пластина, а следовательно, предотвращают повреждения материала при работе в условиях скользящего контакта; 3. Наличия железа, ограниченно растворимого в матричном материале (меди), а потому находящегося в ней в виде самостоятельной фазы с повышенной тугоплавкостью и дугостойкостью, что повышает электроэрозионную стойкость такого композиционного материала при воздействии электрических разрядов; 4. Введения в качестве твердой смазки графита, который, не взаимодействуя с медной матрицей, участвует в образовании политуры на рабочих поверхностях пары контактный провод – контактная пластина, что резко снижает коэффициент трения, предотвращает схватывание, повышает износостойкость. Граничное содержание отдельных составляющих определялось экспериментально с изменением концентрации одного из элементов при неизменном содержании других при испытаниях на износ порошкового материала и сопряженного с ним медного контакта на машине трения МИ в режиме сухого трения при нагрузке 0,7 МПа. Общими признаками изобретения и прототипа по п.1 является наличие в составе материала меди, железа, графита и фосфора. Отличительными признаками от прототипа по п.1 является дополнительное введение серы и меди, взятой в дисперсно-упрочненном виде, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Способ, показанный в прототипе, включающий операции смешивания отдельных компонентов, прессование порошковой смеси, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение, не позволяет получить материал пластины с достаточными для эксплуатации физико-механическими и антифрикционными свойствами вследствие отсутствия операций получения дисперсно-упрочненной меди и нагартовки уплотненного материала и, тем самым, не позволяет обеспечивать приемлемые для практики эксплуатационные требования и ресурс работы контактных пластин. Способ изготовления композиционного материала, который предлагается, заключается в том, что перед смешиванием порошковых материалов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала. Операция получения дисперсно-упрочненного порошка меди при ее упрочнении тонкими включениями частиц тугоплавких соединений позволяет создать жаропрочную матрицу на медной основе. Операция нагартовки уплотненного материала дополнительно повышает прочностные характеристики такого композиционного материала и устраняет поверхностные дефекты получаемого материала, что уменьшает период его приработки и, соответственно, увеличивает ресурс работы материала. Общими признаками изобретения и прототипа по п.2 является смешивание порошковых компонентов материала, прессование порошковой смеси, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение. Отличительными признаками является то, что в способе изготовления материала перед смешиванием порошковых компонентов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала. Указанные признаки по п.1 и п.2 являются существенными, так как они увеличивают физико-механические и антифрикционные характеристики материала, а сравнение заявляемого решения с другими известными техническими решениями в данной отрасли техники не позволило обнаружить в них признаки, похожие на заявляемое решение. Критериями оценки предлагаемого материала и способа его изготовления являются физико-механические (электросопротивление, твердость при температурах 20 и 800°С, предел прочности при изгибе) и антифрикционные свойства (износ порошкового материала и медного контртела, коэффициент трения). Определение электросопротивления проводили на универсальном измерительном приборе Р4833 ГОСТ 7165-89 по мостовой схеме, определение предела прочности при изгибе – на испытательной машине Р-05 ГОСТ 7855-85, испытания твердости при комнатной температуре и при повышенных температурах проводились на твердомере ТШ-2 ГОСТ 23677-79. Испытания при повышенных температурах проводились методом отпечатка при использовании твердосплавного шарика диам. 10 мм, длительности выдержки под нагрузкой 10 сек, величине нагрузки 500 кг. Нагрев образца до температуры 800°С осуществлялся непосредственным пропусканием тока в камере в защитной среде – водороде. Триботехнические характеристики определялись на машине трения МИ ГОСТ 2576-89, при нагрузке 7,5 кг, скорости скольжения 6 м/с, на пути трения 2,5 км, материал контртела – нагартованный медный пруток с твердостью 130-140 НВ. Суть изобретения заключается в следующем. Смесь медного порошка и порошка дисперсно-упрочняющей добавки в количестве 0,3-4,5 мас.% совместно измельчают-смешивают в аттриторе в среде изопропилового спирта со стальными мелющими шарами, затем производят сушку и восстановление полученного порошка. Порошки железа – 7,0-10,0 мас.%, графита – 3,0-10,0 мас.%, фосфора – 0,1-0,5 мас.%, серы – 0,1-0,8 мас.% и полученный порошок дисперсно-упрочненной меди – остальное смешивают и прессуют для получения пористой заготовки. Затем пористую заготовку нагревают со скоростью 10-10°С/мин до температур не более 0,95 Тпл меди. Нагретую заготовку помещают в прессформу и уплотняют со скоростью 0,01-30 м/с при удельной энергии деформирования 200-1000 МДж/м3. После уплотнения заготовку подвергают нагартовке под давлением 300 МПа. Пример осуществления изобретения Смесь порошков – 0,3 мас.% оксида алюминия и 99,7 мас% меди совместно смешивают и размалывают в аттриторе в среде изопропилового спирта со стальными мелющими шарами, взятыми в соотношении 1:8. Затем производят сушку смеси в сушильном шкафу при температуре 100°С, восстановление порошка в среде водорода при температуре 500°С. Далее производят смешивание порошков в следующем соотношении – 7,0 мас.% железа, 3,0 мас.% графита, 0,1 мас.% фосфора, 0,1 мас.% серы и 89,8 мас.% дисперсно-упрочненной меди. Полученную смесь порошков прессуют для получения пористой заготовки, потом ее нагревают со скоростью 100 град/мин и уплотняют со скоростью 10 м/с при удельной энергии деформирования 500 МДж/м3, а затем нагартовывают под давлением 300 МПа. Характеристики полученного материала были следующими: электросопротивление – 0,225 мкОм·см, предел прочности при изгибе – 258 МПа, твердость по Бринелю при температуре 20°С – 730 МПа, а при температуре 800°С – 490 МПа, износ порошкового материала – 0,0051 мг/2,5 км, износ контртела – 0,0089 мг/2,5 км, коэффициент трения – 0,25. Технические характеристики других материалов полученных по данному способу показаны в таблице. Данные, приведенные в таблице, показывают, что создание износостойкой и жаропрочной матрицы, что подтверждается значениями триботехнических свойств и твердости при температуре 800°С, позволяет получать электроконтактные материалы с повышенными по сравнению с прототипом физико-механическими и триботехническими свойствами. Повышенные характеристики заявляемых пластин и способа их изготовления подтверждаются положительными результатами эксплуатационных испытаний контактных пластин токоприемников электровозов постоянного тока, проведенных на Октябрьской и Московской железных дорогах Российской федерации. Удельный износ контактных пластин составляет 0,7-0,8 мм на 10 тыс.км пробега электровоза, что обеспечивает ресурс пробега пластин более 50 тыс.км, что вполне удовлетворяет условиям эксплуатации.
Формула изобретения
1. Композиционный материал на медной основе для контактной пластины, содержащий железо, графит и фосфор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серу, а в качестве медной основы – дисперсноупрочненную медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. Способ изготовления композиционного материала по п.1, включающий изготовление дисперсноупрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 мас.% дисперсноупрочняющей добавки, смешивание порошковых материалов, прессование из них пористой заготовки, нагрев спрессованной заготовки, ее уплотнение и нагартовку полученного материала.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
892495, БИ 
, мкОм·
из, МПа