СПЕЧЕННЫЙ КОМПОЗИЦИОНЫЫЙ МЕДНО-ГРАФИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C22C1/05 C22C30/02 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к медно-графитовым композиционным материалам и способам их изготовления и может быть использовано при производстве электрощеточных материалов, в частности для контактных вставок токоприемников электровозов, метропоездов и другого городского электрифицированного транспорта.

Известен самосмазывающийся материал на меднографитовой основе, содержащий медь с не менее 0,5% фосфора, 4-25% твердой смазки (графит), и около 20% свинца. Известен способ получения этого материала включающий холодное прессование исходных порошковых компонент материала, термическую обработку при 750-850^oC и последующее горячее или холодное прессование (патент Великобритании N 1148011, С 22 С 1/05, 1969). К недостаткам материала и способа его получения можно отнести его низкие прочностные свойства.

Известен спеченный медно-графитовый композиционный материал, применяющийся в производстве электроконтактов, содержащий 3-25 мас. пятиокиси тантала, окиси кобальта или окиси цинка остальное медь и графит. Известен также способ изготовления этого материала, включающий смешение исходных порошков меди, окислов металлов и графита в заданном соотношении, формование из подготовленной смеси контактов путем прессования под давлением 1-5 Т/см, последующее спекание в защитной атмосфере азота, водорода или вакууме при температуре 800-1000^oC в течение 1-2 ч. Затем полученные контакты допрессовывают или калибруют, после чего проводят окончательный отжиг в защитной или нейтральной атмосфере при 450-500^oC (авт. св. СССР N 139379, С 22 С 1/05, 1960). Данный материал, изготовленный в соответствии с известным способом, обладает удовлетворительными механическими и электрическими характеристиками, однако может применяться только в производстве контактов для низковольтной аппаратуры.

Наиболее близким спеченным меднографитовым материалом к предложенному является материал (Справочник по щеткам электрических машин./ Под ред. Лившица П. С. М. 1983, с. 13.) Данный материал содержит 50-75 мас. меди или ее сплавов и графит с добавками свинца и олова остальное. Способ изготовления этого материала предусматривает смешение порошков, их прессование и спекание при температуре ниже 1000^oC. К недостаткам материала-прототипа и способа его изготовления можно отнести то, что они не обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Причиной этого является отсутствие смачивания в системе медь-графит, что обусловлено как выбором легирующих компонентов, так и проведением термической обработки при температурах ниже температуры плавления меди. Другим недостатком известных материалов, полученных известными способами является наличие в них экологически вредных добавок, таких как свинец, добавляемых, как правило, для снижения температуры спекания.

Таким образом, задачей на решение которой направлено изобретение, является создание принципиально новой серии экологически чистых композиционных медно-графитовых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в частности, износо- и дугостойкостью с одновременным снижением интенсивности изнашивания медного контртела контактного провода.

Поставленная задача решается тем, что материал согласно изобретению имеет следующий состав в мас. частицы графита 6,3-60,0 по крайней мере один карбид металла IV-VI групп 15-60, медь или ее сплавы остальное. В качестве металлов IV-VI групп используют титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам. Материал может дополнительно содержать пироуглерод в виде матрицы в количестве 0,6-22,2 мас. и может дополнительно содержать короткие углеродные волокна с длиной не более 5 мм и диаметром не более 8 мкм в количестве 0,1-4,2 мас. при предпочтительном содержании частиц графита 6,3-56,4 мас. Карбиды металлов IV-VI групп нанесенным на частицы графита, размер которых не должен превышать 250 мкм, в виде не образующего несплошностей покрытия. Частицы графита могут быть выполнены в форме плоских дисков с диаметром не более 250 мкм и толщиной 6-20 мкм. Медь или ее сплавы могут содержаться в материале в виде матрицы. Сплавы на основе меди могут содержаться в материале в виде матрицы. Сплавы на основе меди могут содержать от 0,5 до 5 мас. никеля или до 8 мас. по крайней мере одного металла, выбранного из группы, содержащей титан, цирконий, гафний и хром.

Способ получения вышеописанного спеченного меднографитового материала включает смешение частиц графита, плакированных карбидом по крайней мере одного металла IV-VI групп периодической системы с порошками меди или ее сплавов, формование из готовой смеси материала путем одноосного прессования с пластификатором и спекание материала при температуре выше температуры плавления меди. В процессе смешения добавляют короткие углеродные волокна. Процесс смешения проводят в течение не более 4 ч, причем первые 1-2 ч смешивают всухую, затем добавляют пластификатор и продолжают смешение еще в течение не более двух ч. Формование осуществляют путем одноосного прессования с нагрузкой 5-25 МПа. Спекание проводят в вакууме при температуре от 1100 до 1600^oC, наиболее предпочтительная температура 1250^oC. Спекание можно проводить также в атмосфере защитного газа (азота или аргона) при температуре 1350-1660^oC, наиболее предпочтительная температура 1550^oC. Спекание проводится в графитовых формах с обжатием от 5 до 20 МПа, предпочтительно от 7 до 10 МПа. После проведения процесса спекания проводят насыщение пироуглеродом. Предпочтительный вариант: насыщение проводится из смеси метана и водорода при 1028-1065^oC при остаточном давлении 2-30 торр.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем.

Графит обладает самосмазывающимся действием и способствует повышению износостойкости скользящих электрических контактов. Однако, скользящие контакты подвержены кроме трения другим видам нагрузки, способствующим повышению интенсивности изнашивания, таким как прохождению через контакты электрического тока, вызывающем появление дуговых и искровых разрядов. К интенсивному разрушению контактов также может привести низкая прочность графита и др. При содержании частиц графита в материале менее 6,3 мас. не может быть получена удовлетворительная износостойкость контактов. Ограничение содержания графита с верхней стороны 60 мас. обусловлено невозможностью создания композиционного материала с высоким значением электропроводности, т.к. медь представляет собой отдельные включения, а не матрицу.

Модифицирование поверхности частиц графита карбидом или карбидами металлов IV-VI групп периодической системы улучшает смачивание в системе графит-медь. При отсутствии модификатора поверхности частиц графита у известных меднографитовых материалов в зоне электрического контакта происходит выпотевание меди, что является причиной их недостаточной дуго- и износостойкости. В материале, согласно изобретению, графит прочно связан в матрице из меди или ее сплавов и последняя представляет собой дисперсно-упрочненную медь или ее сплавы. При содержании карбидов менее 15 мас. нельзя получить сплошной слой на частицах графита. Это приводит к недостаточному смачиванию и снижению электропроводности материала и его дугостойкости. При содержании карбидов более 60 мас. резко возрастает интенсивности изнашивания медного контртела скользящего электрического контакта (коллектора электродвигателя, контактного провода и др.). Предпочтительное содержание карбида или карбидов составляет от 20 до 50 мас. наиболее предпочтительное от 25 до 40 мас.

Механическая прочность материала может быть повышена дополнительным введением короткого углеродного волокна с высоки м модулем упругости. При этом, если содержание углеродного волокна менее 0,1 мас. его присутствие не сказывается на механической прочности. В случае, когда содержание волокна превышает 4,2 мас. возникает сложность обеспечения его равномерного распределения по объему композиционного материала, что снижает его эксплуатационные характеристики. Предпочтительное содержание углеродного волокна от 0,1 до 3,0 мас. Наиболее предпочтительное от 0,2 до 1,8 мас.

Механическая прочность заявленного материала может быть также повышена дополнительным введением пироуглерода в количестве 0,6-22,0 мас. Пироуглерод может содержаться в материале в виде матрицы. При этом, материал может одновременно содержать как матрицу из меди или ее сплавов, так и матрицу из пироуглерода. Пироуглеродная матрица приводит к дополнительному упрочнению материала и повышению его износо- и дугостойкости.

Использование частиц графита в форме плоских дисков, позволяет получить анизотропные эксплуатационные характеристики. Если их диаметр превышает 250 мкм, то резко снижается прочность композиционного материала. Предпочтительными размерами являются: диаметр диска менее 80 мкм, толщина менее 20 мкм.

Кроме того, материал согласно изобретению может дополнительно содержать никель, титан, цирконий, гафний и хром. Пределы содержания вышеуказанных компонентов выбираются исходя из получения достаточно высоких свойств, с одной стороны, и, исходя из ограничения резкого повышения температуры плавления медного сплава, с другой стороны. Предпочтительное содержание титана, циркония, гафния и хрома 2,0-6,0 мас. наиболее предпочтительное 3,5-5,0 мас. Предпочтительное содержание никеля 0,5-5,0 мас. наиболее предпочтительное 0,5-2,0.

Выбор температуры спекания позволяет меди или ее сплавам самопроизвольно сформироваться в виде медной матрицы. В зависимости от атмосферы, в которой происходит спекание, регулируется температура спекания при использовании вакуума оптимальная температура составляет 1150-1350^oC, при использовании защитной атмосферы оптимальная температура составляет 1450-1550^oC, хотя эти значения температур не исчерпывают всех возможных.

Изобретение можно проиллюстрировать на следующем конкретном примере.

Частицы чешуйчатого (в форме плоских дисков) графита с покрытием из карбидов металлов IV-VI групп периодической системы с диаметром 45 мкм и толщиной не более 8 мкм, измельченное углеродное волокно с покрытием из этих же карбидов с длиной 2-3 мм, медный порошок с размером менее 60 мкм смешивали при соотношениях, указанных в табл.1. Смешение проводили в закрытом вращающемся барабане, так, что скорость вращения составляла 60 об/мин. Смешение проводили в течение 2 ч. Через 2 ч смешения добавили пластификатор формования 4% водный раствор поливинилового спирта и продолжили смешение еще в течение двух часов. Результат смешения прессовали в стальной пресс-форме по схеме одноосного нагружения с нагрузкой 10 МПа. Полученные сформованные образцы сушили при температуре 80-85^oC в течение 3,5-4 ч.

После этого образцы помещали в графитовые формы и проводили спекание при температуре 1250^oC в вакуумной печи при остаточном давлении 0,01 торр в течение 15 мин или при температуре 1550^oC в печи сопротивления в защитной атмосфере в течение 5 мин. Полученные после спекания образцы композиционного материала насыщали пироуглеродом из смеси метана и углерода при температуре 1040^oC в течение 120 ч при остаточном давлении от 2 до 30 торр. В результате получали образцы с размерами от 10х10х55 мм и до 30х45х270 мм, из которых механической обработкой изготавливали образцы для измерения плотности, электрического сопротивления, твердости по Роквеллу, износостойкости под воздействием тока.

Износостойкость определяли на образцах в виде щетки размером 7х20х30 мм. Нагрузка на образец составляла 1 кг. Скорость перемещения провода составляла 0,63 м/сек при переменном токе 100 А. В течение длительности эксперимента около 24 ч количество проходов токоприемника составило около 100000. При этом, износ контактного провода не превысил 0,02 мм на 10000 проходов токоприемника, а износ композиционного материала оптимального состава не превысил 0,27 мм, в то время как для известного материала эти цифры, соответственно, 0,08 и 2,25 мм.

В табл. 1 приведены составы заявленного спеченного меднографитового материала, а в табл. 2 приведены свойства этих составов.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к медно-графитовым композиционным материалам и способам их изготовления и может быть использовано при производстве электрощеточных материалов, в частности, для контактных вставок токоприемников электровозов, метропоездов и другого городского электрифицированного транспорта.

Материал согласно изобретению имеет следующий состав в мас.%: частицы графита 6,3-60,0 по крайней мере один карбид металла IV-VI групп 15-60, медь или ее сплавы - остальное. В качестве металлов IV-VI групп используют титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам. Материал может дополнительно содержать пироуглерод в виде матрицы в количестве 0,6-22,2 мас.% и может дополнительно содержать короткие углеродные волокна с длиной не более 5 мм и диаметром не более 8 мкм в количестве 0,1-4,2 мас.%. Карбиды металлов IV-VI групп нанесены на частицы графита и короткие углеродные волокна в виде не образующего несплошностей покрытия. Частицы графита могут быть выполнены в форме плоских дисков с диаметром не более 250 мкм и толщиной 6-20 мкм. Медь или ее сплавы могут содержаться в материале в виде матрицы.

Способ получения выше описанного спеченного меднографитового материала включает смешение частиц графита, плакированных карбидом по крайней мере одного металла IV-VI групп периодической системы с порошками меди или ее сплавов, формование из готовой смеси материала путем одноосного прессования со связующим и спекание материала при температуре выше температуры плавления меди. В процессе смешения добавляют короткие углеродные волокна. После проведения процесса спекания проводят насыщение пироуглеродом для получения пироуглеродной матрицы. Предпочтительный вариант: насыщение проводится из смеси метана и водорода при 1028-1065^oC при остаточном давлении 2-30 торр. 2 с. и 23 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Спеченный медно-графитовый композиционный материал, содержащий частицы графита и медь или сплав на основе меди, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один карбид металла IV VI групп Периодической системы при следующем соотношении компонентов, мас.

Частицы графита 6,3 60,0
По крайней мере один карбид металла IV VI групп Периодической системы - 15 60
Медь или сплав на основе меди Остальное
2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что содержит 10 60 мас. частиц графита.

Частицы графита 10 60
По крайней мере один карбид металла IV VI групп Периодической системы - 25 40
По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан, цирконий, гафний и хром 3,50 5,00
Медь Остальное
16. Материал по п.10, отличающийся тем, что сплав на основе меди содержит по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей никель, титан, цирконий, гафний и хром, при следующем соотношении компонентов в материале, мас.

Частицы графита 6,30 56,4
Карбид по крайней мере одного металла, выбранного из IV VI групп Периодической системы 25 40
Пироуглерод 0,6 22,2
Углеродные волокна 0,2 1,8
По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей
Никель 1,0 1,5
Титан 3,5 5,0
Цирконий 3,5 5,0
Гафний 3,5 5,0
Хром 3,5 5,0
Медь Остальное
при этом материал содержит частицы графита в виде плоских дисков с диаметром не более 250 мкм и толщиной не более 20 мкм, а сплав на основе меди и пироуглерод в виде матрицы.