Патент на изобретение №2195511
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
(57) Реферат: Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях скольжения при электрическом контакте, преимущественно для сильноточных скользящих контактов, токоподводящих наконечников дуговой сварки и т.п. Задачей изобретения является расширение ассортимента материалов, обладающих высокими показателями тепло- и электропроводности при одновременно высоких показателях ресурса работы и температуры рекристаллизации. Дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий и углерод, дополнительно содержит оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 0,15-0,35, углерод 0,08-0,18, оксид меди 0,20-1,80, медь остальное. Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение тепло- и электропроводности материала и ресурса работы электроконтактных деталей, изготовленных из этого материала, по сравнению с прототипом, а также расширение ассортимента дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе меди, обладающих высокими показателями тепло- и электропроводности при одновременно высоких показателях ресурса работы и температуры рекристаллизации. 5 табл. Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях скольжения при электрическом контакте, преимущественно для сильноточных скользящих контактов, токоподводящих наконечников дуговой сварки и т.п. Известны дисперсионно-твердеющие материалы (бронзы) для изготовления электроконтактных деталей на основе меди, содержащие кроме меди мелкодисперсные выделения хрома, циркония, никеля, титана, бериллия и других элементов или интерметаллидов на их основе [1]. Эти материалы обладают достаточно хорошими прочностными характеристиками и показателями электропроводности. Однако в условиях высокой температуры (500oС и выше), возникающей при работе электроконтактных деталей, происходит рекристаллизация материала и резко снижается его электропроводность. Это обусловливает низкую стойкость электроконтактных деталей из дисперсионно-твердеющих бронз, работающих в условиях скольжения. Известны также дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе меди, содержащие различные упрочняющие добавки [2], которые в готовом материале, как правило, представляют собой мелкодисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений, не взаимодействующих с медью и не растворяющихся в ней. Такие материалы выдерживают достаточно высокие температурные режимы, благодаря высокой температуре рекристаллизации. Наиболее близким к заявляемому является дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди, применяемый для изготовления электроконтактных деталей, содержащий алюминий и углерод [3]. Его изготавливают с помощью размола порошковой смеси исходных компонентов в шаровой мельнице в воздушной среде и дальнейшей температурно-деформационной обработки продукта размола, во время которых происходит взаимодействие алюминия с кислородом воздуха, содержащимся в размольной камере мельницы, и углеродом с образованием ультрадисперсных частиц оксида и карбида алюминия, которые существенно увеличивают температуру рекристаллизации материала, а также его прочностные характеристики, например твердость, что положительно влияет на ресурс работы деталей, изготовленных из такого материала, в том числе электрических скользящих контактов. Однако из-за недостатка кислорода, содержащегося в воздухе размольной камеры шаровой мельницы, образуется недостаточно оксида алюминия, а часть алюминия остается в  -твердом растворе меди. Известный материал обладает недостаточными тепло- и электропроводностью и температурой рекристаллизации, а детали, работающие в условиях скольжения при электрическом контакте, изготовленные из такого материала, обладают недостаточным ресурсом работы.
Заявляемое изобретение решает задачу расширения ассортимента материалов, обладающих высокими показателями тепло- и электропроводности при одновременно высоких показателях ресурса работы и температуры рекристаллизации. Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение тепло- и электропроводности материала, температуры его рекристаллизации и ресурса работы электроконтактных деталей, изготовленных из этого материала по сравнению с прототипом, а также расширение ассортимента дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе меди для электроконтактных деталей.
Этот технический результат достигается тем, что дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий и углерод, дополнительно содержит оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас.%:Алюминий – 0,15-0,35 Углерод – 0,08-0,18 Оксид меди – 0,20-1,80 Медь – Остальное Из уровня техники не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков. Заявляемый материал изготавливают из шихты, приготовленной смешиванием порошков алюминия (ГОСТ 5592-71), углерода в виде графита (ГОСТ 4404-78), оксида меди (ТУ 6-09-765-85) и меди (ГОСТ 4060-75), путем обработки шихты в шаровой мельнице на воздухе до получения гранул, последующего холодного компактирования их в брикеты и горячей экструзии брикета в пруток или профиль при температуре 700-800oС. При обработке шихты в шаровой мельнице алюминий реагирует не только с кислородом воздуха, но и с кислородом, содержащимся в оксиде меди. При этом благодаря значительному количеству кислорода практически весь алюминий расходуется на образование его ультрадисперсного оксида и лишь незначительная его часть остается в -твердом растворе меди. Избыток оксида меди, отрицательно влияющего на тепло- и электропроводность материала, удаляется путем реакции между оксидом меди и углеродом с образованием чистой меди и газов СО и СO2. Избыток углерода, который после обработки в составе исходной шихты в шаровой мельнице также представляет собой ультрадисперсные частицы, дополнительно упрочняет материал и играет роль сухой смазки, обеспечивая тем самым материалу противоадгезионные и антифрикционные свойства.
В соответствии с описанной технологией были изготовлены прутки заявленного материала с вышеуказанным содержанием компонентов, а также по технологии, описанной в [3], – прутки материала-прототипа (табл.1).
Все полученные прутки были подвергнуты анализам и испытаниям, результаты которых представлены в табл.2 и 3. Химический анализ материалов проводился по ГОСТ 15027.2-77. Рентгеноструктурный анализ материалов проводился по правилу Вегарда.
Из табл. 2 видно, что для материала-прототипа характерно содержание в свободном виде более половины вводимого в шихту алюминия в -твердом растворе меди, тогда как составы, изготовленные в соответствии с заявляемым изобретением, содержат его значительно меньше. Уменьшение доли алюминия в -твердом растворе меди приводит к увеличению доли упрочняющих частиц и повышению тепло- и электропроводности материала.
Температура рекристаллизации материалов определялась измерением их твердости после отжига в течение 2 ч как температура, при которой происходит падение твердости на 15%.
Электропроводность материалов определялась на основе ГОСТ 7229-76. Теплопроводность материалов определялась по методу продольного потока тепла.
Из табл.3 следует, что тепло- и электропроводность, а также температура рекристаллизации заявляемого материала значительно выше соответствующих значений материала-прототипа.
Для оценки износостойкости заявляемого материала и ресурса работы электроконтактных деталей из него при работе в условиях скольжения и коммутации больших удельных токов из заявляемого материала и материала-прототипа были изготовлены токоподводящие наконечники М10х40 мм для дуговой сварки плавящимся проволочным электродом в среде защитных газов. Токоподводящий наконечник представляет собой цилиндр с центральным отверстием, через которое подается в зону сварки плавящийся проволочный электрод. Поверхность отверстия наконечника и проволочный электрод образуют сильноточную скользящую контактную пару. Во время работы отверстие наконечника вследствие механического и электроэрозионного износа увеличивается и контакт между наконечником и проволочным электродом нарушается, что приводит к прекращению горения дуги между плавящимся проволочным электродом и свариваемым изделием.
Поэтому за критерий ресурса работы токоподводящих наконечников может быть выбрано время непрерывного горения дуги между плавящимся сварочным электродом и свариваемым изделием (табл.4).
Из табл. 4 следует, что токоподводящие наконечники из заявляемого материала обладают более высоким ресурсом работы, чем из материала-прототипа.
С целью оценки износостойкости заявляемого материала и ресурса работы электроконтактных деталей из него в условиях скольжения и коммутации больших удельных токов из заявляемого материала и материала-прототипа были изготовлены токосъемные пластины прямоугольного сечения 63,5х10,0 мм и длиной 575 мм, применяемые в скоростных электровозах для съема тока с контактного провода и его передачи к электроприводу электровоза.
Токосъемные пластины испытывались на износ на специальном стенде, имитирующем работу контактной пары “токосъемная пластина – контактный провод” пантографа электровоза.
Испытания проводились при токе силой 400 А и напряжением 100 В и скорости вращения диска с контактным проводом марки МФ 100 (ГОСТ 2583) сечением 1,0 см2, изготовленным из медного сплава, 400 об/мин нажатием каретки на контактный провод с давлением 12 кг/см2.
Испытания заканчивались, когда путь, пройденный контактным проводом относительно токосъемной пластины, составлял 30 000 км.
За критерий ресурса работы токосъемных пластин была выбрана относительная потеря их массы  m (табл.5), рассчитанная по формуле: где m0 – измеренная взвешиванием масса токосъемной пластины до испытаний; mк – измеренная взвешиванием масса токосъемной пластины после испытаний. Из табл.5 следует, что токосъемные пластины из заявляемого материала обладают более высоким ресурсом, чем из материала-прототипа. Источники информации 1. Справочник по обработке цветных металлов и сплавов. А.П. Смирягин, Н. З. Днестровский, А. Д. Ландиков и др. /Под ред. Л.Е. Миллера. – М.: Металлургиздат, 1961, 872 с. 2. Е. П. Данелия, В.М. Розенберг. Внутреннеокисленные сплавы. – М.: Металлургия, 1978, 232 с. 3.  Nr. 400580. Kupferwerkstoff  elektrisch leitende Verschleissteile.  Nr. 1341/91 vom 08.07.1993.
Формула изобретения
Алюминий – 0,15-0,35 Углерод – 0,08-0,18 Оксид меди – 0,20-1,80 Медь – Остальное РИСУНКИ
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Номер и год публикации бюллетеня: 21-2003
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 10.04.2003 № 16492
Извещение опубликовано: 27.07.2003
QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): Шалунов Евгений Петрович
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Завод механически легированных материалов “ДИСКОМ”
Договор № РД0027016 зарегистрирован 25.09.2007
Извещение опубликовано: 10.11.2007 БИ: 31/2007
* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия
QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения
Лицензиар(ы): Шалунов Евгений Петрович
Вид лицензии*: НИЛ
Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью “Завод порошковых изделий “КУПОЛ”
Договор № РД0027017 зарегистрирован 25.09.2007
Извещение опубликовано: 10.11.2007 БИ: 31/2007
* ИЛ – исключительная лицензия НИЛ – неисключительная лицензия
|
||||||||||||||||||||||||||
