МАТЕРИАЛ ТОКОСЪЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 1995 года по МПК B60L5/08 H01R41/00 

Изобретение относится к электрифицированному транспорту, в частности к созданию материалов токосъемных элементов для сильноточного скользящего контакта, найдет применение в токосъемных устройствах, позволяющих передавать электроэнергию с контактного провода на электроподвижный состав.

Анализ научно-технической информации показал, что в настоящее время не существует порошковых экологически чистых и недорогостоящих материалов токосъемных элементов на медной основе, обеспечивающих необходимый ресурс работы контактирующей пары при высоких скоростях скольжения и токах до 2600 А. Нормальная эксплуатация таких материалов в различных климатических условиях в паре с медным контактным проводом возможна в случае образования и поддержания на поверхности материала разделительной пленки, предотвращающей схватывание, перекос и интенсивный износ контактирующей пары. Образование пленки возможно при наличии твердой смазки на уровне не менее 10% В связи с этим постановка задачи, заключающаяся в создании экологически чистых материалов с количеством твердой смазки выше 10% без снижения механических свойств, актуальна.

Известен материал токосъемного элемента на медной основе, включающий, мас. графит 5-30; олово 2-10; свинец 2-10; хром 2-30; серебро 2-20; медь остальное.

Недостатком этого материала является наличие в составе свинца, увеличивающего при изготовлении и эксплуатации концентрацию вредных веществ в воздухе и грунте.

Известен материал токосъемного элемента, содержащий, мас. графит 0,3-3,0; олово 2-8; алюминий 0,1, сернистую медь 2-10; железо 3-12; борид железа 0,2-5,0.

Недостатком этого материала является повышенный износ пары трения за счет незначительного содержания графита, нe предотвращающего схватывания материалов контактирующей пары.

Наиболее близким к предложенному является материал токосъемного элемента, содержащий медь, графит, серу, свинец, олово, железо и цинк при следующем соотношении компонентов, мас. Медь 0,1-20,0 Графит 0,1-3,0 Сера 0,3-0,8 Свинец 0,5-30,0 Олово 0,1-10,0 Цинк 0,1-20,0 Железо Остальное
Недостатком данного материала является повышенный износ пар трения за счет недостаточного содержания графита, с одной стороны, и в то же время падение механических свойств при его максимальном содержании. Кроме того, наличие дефицитного и дорогостоящего олова экономически нецелесообразно.

Задача изобретения заключается в повышении износостойкости материала токосъемного элемента без снижения его эксплуатационных характеристик.

Это достигается тем, что материал токосъемного элемента, включающий порошки меди, железа, графита и цинка, дополнительно содержит порошок фосфора при следующем соотношении компонентов, мас. Фосфор 0,48-1,20 Железо 9,6-12,0 Цинк 2,4-16,0 Графит 10,5-25,0 Медь Остальное при этом 10-21 мас. графита и 9,0-15 мас. меди входят в материал в виде гранул размером 0,4-2 мм.

Предлагаемый материал получается следующим способом.

На прокатном стане с калиброванными валками получают гранулы определенных размеров и конфигураций, выполненные из смеси порошков графита и меди. Полученные гранулы дошихтовываются в матричную смесь, выполненную из порошков железа, цинка, фосфора, графита и меди. Изготовленную шихту формуют и спекают в печи при определенной температуре в атмосфере водорода.

Известно, что материалы скользящих токосъемных элементов, работающих без внешней смазки, должны обладать высокой несущей способностью, иметь низкие потери при трении и прохождении электрического тока. Сохранять эти требования путем улучшения свойств традиционными методами затруднительно. Поэтому наиболее перспективным представляется создание материала, состоящего из чередующихся качественно различающихся по структуре областей, выполняющих строго определенное предназначение высокопрочной составляющей (матрицы), обеспечивающей необходимую механическую прочность и электропроводность, составляющей с повышенным содержанием твердой смазки, обеспечивающей образование защитных пленок на трущихся контактных поверхностях.

В качестве высокопрочной порошковой матрицы, предлагается медь с добавками фосфора, железа, цинка и графита.

Обоснованность выбора отдельных компонентов и их соотношения определяется следующими критериями. Медь, как основа материала, выбрана в связи с высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью и высокой электропроводностью. Для повышения несущей способности матрицы в медь вводят фосфор и дисперсные включения железа и цинка. Кроме того, железо, как тугоплавкая составляющая, повышает дугостойкость материала.

Соотношение компонентов матрицы следующее, мас. Фосфор 0,8-1,5 Железо 12,0-15,0 Цинк 3,0-20,0 Графит 0 -1,0 Медь Остальное
Повышение механических свойств при легировании фосфором в диапазоне указанных пределов и температурах спекания 800-1000^оС связано с активирующим влиянием медно-фосфористой эвтектики, которая образуется при температуре выше 707^оС и существенно интенсифицирует процесс усадки при спекании.

Увеличение содержания фосфора свыше 1,5% приводит к повышению содержания фосфида меди в фосфидной эвтектике, что вызывает отрицательное влияние на износостойкость медного провода в связи с повышенной микротвердостью фосфида меди в сравнении с твердостью меди, легированной цинком и фосфором в пределах твердого раствора.

При содержании фосфора менее 0,8% проявляется упрочнение меди по растворному механизму без значительного образования жидкой фазы, т.е. не обнаруживается интенсификация прироста плотности при спекании.

Экспериментально установлено, что содержание железа в матрице находится в интервале 12-15 мас. Содержание железа менее 12 мас. недостаточно для упрочняющего действия, свыше 15 мас. возрастает опасность образования в период эксплуатации под действием дуговых разрядов закалочных структур (типа мартенсит), приводящих к повышенному износу медного контртела. При легировании меди цинком с увеличением содержания цинка механические свойства растут, достигая максимума при 3 мас. При содержании цинка более 20 мас. наблюдается повышенное испарение и окисление цинка из контактного материала в процессе эксплуатации, что приводит к повышению износа контактного материала.

В зависимости от условий эксплуатации материала содержание графита в матрице может колебаться от 0,5 до 4 мас. Количество графита более 4 мас. вызывает снижение механических свойств материала матрицы. Содержание графита в матрице менее 0,5% может вызывать в период эксплуатации локальное схватывание материалов токосъемного элемента и контртела.

Известно, что введение графита в свободном состоянии более 5% резко разупрочняет материал. В то же время создание материалов с содержанием графита более 10 мас. благоприятствует образованию на поверхности материала разделительных пленок, предотвращающих повышенный износ контактирующей пары.

Поэтому предлагается твердую смазку (графит) вводить в порошковую матрицу материала токосъемного элемента в виде гранул размером 0,4-2 мм, получаемых непрерывной прокаткой в профилированных валках прокатного стана.

Размер гранул любой конфигурации, в любом направлении должен быть не менее 0,4 мм. Если размер меньше, то при требуемом содержании графита гранулы будут занимать большую площадь и объем, что уменьшит несущую способность токосъемного элемента и его износостойкость.

Гранулы размером более 2 мм, как области с пониженной плотностью, могут рассматриваться как концентраторы напряжений, значительно снижающие механические характеристики, особенно ударную вязкость, при этом в эксплуатации могут наблюдаться сколы в местах контактирования провода и токосъемного элемента.

Содержание графита в материале в пределах 10,5-25,0 мас. осуществляется при введении в матрицу материала от 0,5 до 4% графита в свободном состоянии и локализованного в виде "гранул" в количестве 10-21 мас. Количество графита в материале менее 10,5% не обеспечивает создание разделительной пленки, введение графита в количестве более 25 мас. резко снижает механические свойства материала. Медь добавляется в гранулы для улучшения условий формования гранул и обеспечения диффузионных связей матрицы и гранул, реализуемых в процессе спекания. Содержание графита и меди в гранулах в количестве 21,0 и 9,0 мас. от общего количества этих составляющих в материале соответствует 70 и 30 мас. содержания этих элементов в гранулах. Экспериментально установлено, что соотношение меди и графита 30 70 является верхним пределом формования гранул без разрушения. При содержании меди 28,29 мас. графита 72,71 мас. материал не формуется в гранулы (прокат рассыпается). Содержание графита и меди в гранулах в количестве 15 и 10 мас. от общего количества этих составляющих в материале соответствует 60 и 40 мас. содержания этих элементов в гранулах. Содержание меди в гранулах более 60% и соответственно уменьшение графита в них не позволяют выйти на уровень минимально необходимого содержания графита в материале (10,5 мас.), что не обеспечивает получение материала с высокими антифрикционными свойствами.

При практическом использовании предложенного материала по установленному на токоприемнике токосъемному элементу скользит контактный провод.

Использование: электрифицированный транспорт, токосъемники с сильноточными скользящими контактами. Сущность изобретения: материал токосъемного элемента содержит порошки железа, меди, графита, цинка и фосфора при содержании компонентов, мас. фосфор 0,48 1,20; железо 9,6 12,0; цинк 2,4 16,0; графит 10,5 25,0; медь остальное. При этом 10 21 мас. графита и 9,0 - 15,0 мас. меди введены в виде гранул размером 0,4 2,0 мм. При выбранном составе материал характеризуется повышенной износостойкостью без снижения эксплуатационных характеристик.

МАТЕРИАЛ ТОКОСЪЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА, содержащий порошки железа, меди, графита и цинка, отличающийся тем, что в него дополнительно включен порошок фосфора при содержании компонентов, мас.

Фосфор 0,48 1,20
Железо 9,6 12,0
Цинк 2,4 16,0
Графит 10,5 25,0
Медь Остальное
при этом 10 21 мас. графита и 9,0 15,0 мас. меди введены в виде гранул размером 0,4 2,0 мм.