СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЩЕТОК Российский патент 1997 года по МПК H01R39/20 

Изобретение относится к области электротехники материала для щеток электрических машин и может быть использовано как в электромашиностроении, так и в транспортных средствах.

Из уровня техники известен способ изготовления электрощеток из углеродного материала, включающий приготовление наполнителя из сажи и элементного графита, смешение наполнителя со связующим, который служит каменноугольный пек в виде порошка, последующее прессование и обжиг [1, 2] Смешение углеродных компонентов производят в вибромельнице без обогрева с одновременным из доизмельчением. Обжигают полученные заготовки в коксовой засыпке. Полученные таким образом электрощетки обладают невысокой износостойкостью при переменных и повышенных скоростях скольжения и, как следствие, имеют ограниченный срок службы. Кроме этого, такой способ приводит к тому, что после выработки ресурса эксплуатации электрощетки поступают в отходы производства.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества и эксплуатационных характеристик электрощеток, а также снижение затрат на производстве.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что углеродный наполнитель приготавливают из углеродных заготовок, содержащих в своем составе сажу, кокс и/или искусственный графит, элементный графит и кокс высокотемпературного каменноугольного пека.

Решение задачи обеспечивается также тем, что в качестве таких углеродных заготовок используют выработавшие ресурс электрощетки или заготовки (кусковые отходы) антифрикционного углеродного материала (далее по тексту выработавшие ресурс электрощетки или заготовки (кусковые отходы) антифрикционного углеродного материала будем называть углеродными заготовками).

Способ реализуется следующим образом.

Углеродные заготовки, содержащие в своем составе указанные компоненты, дробят, а затем измельчают в вибромельнице до получения частиц крупностью не более 90 мкм. Измельченный порошок наполнителя смешивают при комнатной температуре с порошком высокотемпературного каменноугольного пека (температура размягчения 135 150^oC). После смешения полученную шихту загружают в пресс-форму, футерованную огнеупорным электроизоляционным материалом, устанавливают на пресс горячего прессования и осуществляют совместное прессование и обжиг (СПО) при давлении 300-400 кгм/см² и температуре 900-1100^oC с пропусканием электрического тока через шихту в течение 1,5-2,0 ч. Полученную заготовку охлаждают в пресс-форме до примерно 300^oC при сокращении давления, затем выпрессовывают и охлаждают до комнатной температуры.

Приготовление порошка наполнителя из углеродных заготовок способствует повышению прочности и износостойкости получаемых электрощеток. Это объясняется тем, что получаемый материал имеет матричную структуру, где зерна наполнителя связаны между собой мостиками закоксовавшегося связующего каменноугольного высокотемпературного пека, образующимися в процессе нагрева до высоких температур при проведении совмещенного прессования и обжига. Использование при приготовлении порошка наполнителя углеродных заготовок, обладающих законченной сформированной структурой материала, обеспечивает низкую истираемость и высокую прочность электрощеток, полученных из материала с применением такого наполнителя.

При совмещенном прессовании и обжиге происходит одновременный пиролиз сорбированных низкомолекулярных и высокомолекулярных фракций связующего. Приготовление порошка наполнителя из углеродных заготовок способствует увеличению концентрации связей на поверхности раздела наполнитель связующее, что упрочняет материал электрощеток за счет однородности структуры, близкой к изотропной.

Изготовление материала электрощеток на основе порошка-наполнителя, полученного из углеродных заготовок, за счет однородной структуры наполнителя избежать при СПО концентраций напряжений, вызывающих снижение прочности электрощеток.

Известно, что интенсивность изнашивания электрощеток в значительной мере зависит от коэффициента трения, значение которого определяется видом и количеством сухой смазки (твердых веществ со слизистой структурой), вводимых в углеродистую шихту. Из известных смазок (элементный графит, нитрид бора, тальк, дисульфид молибден и др.) в составе материала электрощеток может быть использован только элементный графит как обладающий высокими электропроводящими свойствами, что обеспечивает необходимые коммутационные свойства электрощеток. В связи с этим в качестве углеродных заготовок для приготовления порошка наполнителя могут быть использованы только заготовки тех углеродных материалов, которые имеют в своем составе элементный графит. К таким углеродным материалам относятся также и выработавшие свой ресурс электрощетки.

При этом обеспечивается снижение затрат на производство, так как исключается необходимость специального изготовления углеродных заготовок за счет использования фактически лома электрощеток. С другой стороны, пригодны к использованию заготовки или отходы серийно выпускающихся антифрикционных углеродных материалов, содержащих в своем составе элементный графит (марок АО-600, АО-1500, АГ-600, АГ-1500, МГ-1).

Решение поставленной задачи обеспечивается также тем, что при изготовлении электрощеток прессования и обжиг ведут методом СПО. Пропускание при этом методе через шихту электрического тока способствует формированию текстуры электрощетки за счет микроэлектрических дуг, возникающих между зернами наполнителя и пробивающих пленку связующего при локальном повышении температуры. При этом происходит интенсивное расплавление высокотемпературного каменноугольного пека, и его высокомолекулярные фракции адсорбируются на поверхности частиц наполнителя. Это обеспечивает формирование однородной микроструктуры материала с малым размером пор и повышает выход годного материала с высокой плотностью.

Предлагаемый способ иллюстрируется примерами получения материала для электрощеток согласно описанной технологии, в которые заложены композиции с равными соотношениями компонентов для представления многообразия составов.

При общем содержании в материале электрощетки порошка измельченной углеродной заготовки в пределах 85-90 мас. уменьшение количества каменноугольного высокомолекулярного пека (менее 10 мас.) приводит к снижению прочности и износостойкости электрощеток, а содержание его более 15 мас. к повышению концентрации напряжений в материале и появлению трещин. В дальнейшем это приводит к разрушению электрощеток в процессе эксплуатации.

Результаты и составы приведены в табл. 1 и 2.

Пример 1.

Наполнитель приготавливали из углеродных заготовок, в качестве которых использовали отработавшие свой ресурс электрощетки марки ЭГ-84. Их измельчали до размера частиц ≅ 90 мкм. В смесильную машину дозировали высокомолекулярный каменноугольный пек марки "Г" (ТУ 14-6-84-7) с размером частиц не более 0,5 мм и порошок измельченной углеродной заготовки. Затем, не останавливая машины, дозировали элементный графит марки ГЭ-4 (ГОСТ 7478-75) и дополнительно перемешивали в течение 60 мин. Готовую шихту загружали в пресс-форму, футерованную огнеупорным электроизоляционным материалом, устанавливали на пресс горячего прессования и осуществляли СПО при давлении 400 кгс/см² и температуре 1000^oC с пропусканием через шихту электрического тока напряжением 6-9 В в течение 1,5 ч. Полученную заготовку в пресс-форме охлаждали до 300^oC при сохранении давления, затем выпрессовывали и охлаждали до комнатной температуры.

Пример 2.

Наполнитель приготавливали из углеродных заготовок, в качестве которых использовали заготовки из антифрикционного углеграфитового материала марки АГ-1500 (ТУ 48-20-4-87). Их измельчали до размера частиц ≅ 90 мкм. В смесительную машину дозировали высокоморлекулярный каменноугольный пек марки "Г" (ТУ 14-6-84-7) с размером частиц не более 0,5 мм и порошок измельченной углеродной заготовки. Затем, не останавливая машины, дозировали элементный графит марки ГЭ-4 (ГОСТ 7478-75) и дополнительно перемешивали в течение 60 мин. Готовую шихту загружали в пресс-форму, как в примере 1, и осуществляли СПО при давлении 350 кгс/см² и температуре 1100^oC с пропусканием через шихту электрического тока напряжением 6-9 В в течение 2,0 ч. Полученную заготовку в пресс-форме охлаждали до 300^oC при сохранении давления, затем выпрессовывали и охлаждали до комнатной температуры.

Оптимальным переходным сопротивлением, обеспечивающим нормальную работу электрощеток, являются значения в пределах 3,0-5,0 мк0м.м. Как видно из таблиц, отклонение от оптимального состава композиций (NN 4 и 5) приводит к отклонению переходного сопротивления от оптимального, увеличению скорости изнашивания, к уменьшению прочности и выхода годного.

Использование: изобретение относится к области электротехники и касается материала для щеток электрических машин, может быть использовано как в электромашиностроении, так и в транспортных средствах. Сущность изобретения: углеродный наполнитель материала приготавливают путем дробления углеродных заготовок, содержащих в своем составе сажу, кокс и /или искусственный графит, элементный графит и кокс высокотемпературного каменноугольного пека. Использование в качестве наполнителя порошка, полученного из углеродных заготовок, способствует повышению прочности и износостойкости материала электрощеток за счет получения более однородной структуры с малым размером пор. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ изготовления электрощеток, включающий приготовление углеродного наполнителя и шихты на его основе, формирование из шихты заготовок и последующий обжиг заготовок, отличающийся тем, что углеродный наполнитель готовят путем измельчения углеродных заготовок, выполненных на основе сажи, прокаленного кокса и/или искусственного графита, элементного графита и каменноугольного высокотемпературного графита. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродных заготовок используют отработавшие свой ресурс электрощетки или заготовки антифрикционного углеграфитового материала. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что полученную шихту подвергают совместному прессованию и обжигу с пропусканием через нее электрического тока. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что шихту приготавливают при следующем соотношении компонентов, мас.

Порошок измельченной углеродной заготовки 85 90
Каменноугольный высокотемпературный пек 10 15о