МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ КОНТАКТНЫХ ИЗДЕЛИЙ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИЗДЕЛИЕ Российский патент 2000 года по МПК C04B35/52 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам, и может быть использовано в производстве токопроводящих контактных изделий, используемых для производства контактных вставок токоприемников электровозов, метропоездов, электропоездов, городского и другого электрифицированного транспорта.

В патенте Российской Федерации N 2088682 описаны медно-графитовый материал для токопроводящих контактных изделий, способ его производства и изделие, выполненное из него. Материал содержит в мас.%: графит 6,3-60,0, его модификатор, обеспечивающий смачивание графита медью (карбиды металлов IV-VI групп Периодической таблицы) 15-60, пироуглерод 6-20, медь или медные сплавы - остальное. Способ изготовления материала предусматривает смешение частиц графита, плакированных карбидами металлов IV-VI групп Периодической таблицы с порошком меди или ее сплавов, добавление в смесь пластификатора, последующее смешение смеси с пластификатором, прессование путем одноосного прессования в стальной форме, спекание в защитной атмосфере или вакууме и последующее насыщение пироуглеродом. Из описания патента также известно токопроводящее контактное изделие (щетка), обладающее удельным электрическим сопротивлением до 14 мкОм•м, коэффициентом трения 0,16-0,19, твердостью по Шору 28-45 HS, прочностью на сжатие 48-110 МПа и износостойкостью под действием тока 0,27-1,9 мм на 1000 км пробега токоприемника.

В патенте Российской Федерации N 2075805 описаны материал для токопроводящих контактных изделий, способ его изготовления и изделие, которые наиболее близки по своей технической сущности и достигаемому результату к предложенным. Материал содержит следующие компоненты в мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное. Способ включает совместный размол и смешение технического углерода, графита, кокса, углеродистого аэрогеля, отходов обожженного и графитированного углеродистого материала и связующего при следующем соотношении компонентов, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное, затем из полученной смеси формируют заготовку, которую термообрабатывают при 1200^oC и графитирут при 2800^oC. Из готового материала изготавливают образцы и токопроводящие, в т.ч. токосъемные изделия.

К недостаткам известных материалов, полученных известными способами, а также токопроводящего изделия, полученного из этого материала, можно отнести высокую плотность материала (до 2,6 г/см³), высокое удельное электрическое сопротивление (более 10 мкОм•м), низкую износостойкость и усложненную технологию получения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение износостойкости материала и контртела при одновременном упрощении технологии, уменьшение плотности без увеличения удельного электрического сопротивления и его удешевление.

Поставленная задача решается тем, что материал для токосъемных контактных изделий, согласно изобретению, содержит частицы естественного графита, коксовый остаток и пироуглерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Частицы естественного графита - 10-90
Коксовый остаток - 5-20
Пиролитический углерод - 5-70,
при этом материал выполнен прессованным с текстурой графита по всему объему в плоскости, перпендикулярной направлению прессования.

Материал может содержать частицы естественного графита размером от 4 до 300 мкм и содержать пироуглерод в виде матрицы.

Кроме того, он дополнительно может содержать от 0,1 до 30 мас.% углеродных волокон длиной до 30 мм и обладать плотностью 1,5 - 2,2 г/см³.

Поставленная задача также решается способом изготовления материала для токосъемных контактных изделий, включающем смешение частиц естественного графита и связующего в течение 1-3 ч, формирование из готовой смеси заготовки, ее обжиг при 800-1100^oC в течение 0,5-1,5 часов с получением спеченной заготовки со сквозной пористостью не менее 10% и насыщение пироуглеродом с получением материала, содержащего в мас.%: частицы естественного графита 10-90, коксовый остаток 5-20, пиролитический углерод 5-70.

В процессе смешения дополнительно можно вводить углеродные волокна и порообразующий наполнитель в количестве до 40% мас. от массы шихты, а насыщение пироуглеродом вести при температуре 800-1200^oC.

Поставленная задача решается также токосъемным контактным изделием, изготовленным из материала, содержащего в мас.%: частицы естественного графита 10-90, коксовый остаток 5-20, пиролитический углерод 5-70 и характеризуемого плотностью - 1,5-2,2 г/см³ и интенсивностью изнашивания не более 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника.

Техническая сущность изобретения состоит в том, что в состав предлагаемого материала входят только углеродные составляющие: естественный графит, коксовый остаток связующего и пироуглерод. Графит обладает самосмазывающимися свойствами, что способствует снижению интенсивности изнашивания электрических контактов. Естественный же графит является наиболее инертным не только из других графитов (например, искусственного), но и из остальных углеродных материалов. Тот факт, что естественный графит существует в виде чешуек, позволяет получить в готовом изделии анизотропию проводящих свойств, улучшающую эксплуатационные характеристики. При содержании графита в материале менее 10 мас.% теряются его самосмазывающие свойства, снижается электропроводность, значительно увеличивается время пропитки пироуглеродом и стоимость материала. Верхняя граница содержания графита (90%) обусловлена резким снижением сквозной пористости и газопроницаемости, что приводит к невозможности отложения пироуглерода в объеме изделия.

Направление, перпендикулярное текстуре графита, технологически обеспечивается его совмещением с направлением прессования. Этим обеспечивается анизотропия проводящих характеристик, в частности электро- и теплороводности. Причем в плоскостях текстуры электрическое сопротивление меньше, а теплопроводность больше, чем в перпендикулярном направлении, в 2-10 раз.

Органическое связующее добавляется для придания прессованной заготовке механической прочности, необходимой для проведения последующих технологических операций. Нижняя граница в виде коксового остатка (5%) определяется недостаточными механическими свойствами заготовки, а верхняя (20%) - определяется снижением электропроводности и повышением химической активности материала.

Порообразующие вещества (наполнитель), обычно органические (например, древесная мука), добавляются в шихту содержанием до 40 мас.% для образования достаточной сквозной пористости и соответственно газопроницаемости при достижении достаточной плотности.

Ниже приведен пример реализации изобретения.

Частицы естественного графита, связующего, измельченное углеродное волокно и древесную муку смешивали в закрытом вращающемся барабане в течение двух часов со скоростью обращения 60 об/мин. Затем путем прессования в стальной форме формовали заготовку с усилием - 300-1000 кг/см², после чего проводили обжиг при 800-1100^oC в течение 0,5-1,5 часов. Такой подбор режимов прессования и последующего обжига обусловил получение спеченной заготовки с пористостью не менее 10%. После этого проводили газофазное насыщение пиролитическим углеродом из метана при температуре 900-1200^oC в течение 100 часов.

Из полученного материала изготавливалось токосъемное контактное изделие - контактная пластина или щетка. Определяли его плотность, износостойкость, твердость, удельное электрическое сопротивление, износостойкость под током и прочность на сжатие.

Испытания показали, что, например, материал, содержащий 50% графита, 45% пироуглерода и 5% коксового остатка, полученный при добавлении в шихту около 20% органического наполнителя - порообразователя, обладал твердостью 38 HS, пределом прочности на сжатие 49 МПа, удельным электрическим сопротивлением 2,8 мкОм•м, плотностью - 1,76 г/см³. Износостойкость материала при трении с токосъемом составила 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника, износ медного контртела уменьшился в 2-5 раз по сравнению с применением лучших аналогичных материалов, предельно допустимая линейная плотность электрического тока, выше которой начинается катастрофический износ материала и/или медного контртела, составляет для аналогичных материалов не более 14 А/мм, для предлагаемого материала эта величина составляет более 20 А/мм. Отношение удельного электрического сопротивления, измеренного в направлении прессования к измеренному в перпендикулярной к направлению прессования плоскости, составило 7. Свойства материала в зависимости от состава приведены в таблице.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам, и может быть использовано в производстве токопроводящих контактных изделий, преимущественно электрощеточных, используемых для производства контактных вставок токоприемников электровозов, метропоездов и другого городского электрифицированного транспорта. Задачей, на решение которой направлены изобретения, является повышение износостойкости материала контртела при одновременном упрощении технологии, уменьшении плотности и его удешевления. Материал содержит следующие компоненты, мас. %: частицы естественного графита (размером от 4 до 300 мкм) 10 - 90, коксовый остаток 5 - 20, пиролитический углерод 5 - 70 (как правило - в виде матрицы), при этом он выполнен прессованным и обладает текстурой графита в плоскостях, перпендикулярных направлению прессования. Он также может дополнительно содержать от 0,1 до 30 мас.% углеродных волокон длиной до 30 мм. Способ изготовления материала включает смешение в течение 1-3 ч частиц естественного графита и связующего, формирование из готовой смеси заготовки, ее обжиг 800-1100°С в течение 0,5 - 1,5 ч и последующее насыщение пироуглеродом. Токопроводящее контактное изделие выполнено из этого материала и имеет плотность не более 2,2 г/см² и интенсивность изнашивания не более 0,1 - 0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Материал для токопроводящих контактных изделий, содержащий частицы графита, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коксовый остаток и пироуглерод, а в качестве частиц графита - частицы естественного графита при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Частицы естественного графита - 10 - 90
Коксовый остаток - 5 - 20
Пиролитический углерод - 6 - 70
при этом он выполнен прессованным с текстурой графита по всему объему в плоскости, перпендикулярной направлению прессования. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что содержит частицы естественного графита размером от 4 до 300 мкм. 3. Материал по п.1, отличающийся тем, что содержит пироуглерод в виде матрицы. 4. Материал по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что дополнительно содержит от 0,1 до 30 мас.% углеродных волокон длиной до 30 мм. 5. Материал по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что материал обладает плотностью 1,5 - 2,2 г/см³. 6. Способ изготовления материала для токопроводящих контактных изделий, включающий смешение частиц графита и связующего, формирование из готовой смеси заготовки и ее обжиг, отличающийся тем, что смешение проводят в течение 1 - 3 ч, в процессе смешения используют частицы естественного графита, формирование заготовки осуществляют путем прессования, обжиг проводят при 800 - 1100^oC в течение 0,5 - 1,5 ч, обожженную заготовку получают со сквозной пористостью не менее 10%, а после обжига проводят насыщение пироуглеродом с получением материала, содержащего, мас.%: частицы естественного графита 10 - 90, коксовый остаток 5 - 20, пиролитический углерод 5 - 70. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в процессе смешения дополнительно вводят углеродные волокна. 8. Способ по любому из пп.6 и 7, отличающийся тем, что процесс смешения дополнительно вводят порообразующий наполнитель в количестве до 40 мас.% от массы шихты. 9. Способ по п.6, отличающийся тем, что насыщение пироуглеродом проводят при 800 - 1200^oC. 10. Токопроводящее, в том числе токосъемное контактное изделие, изготовленное из материала, содержащего графит, отличающееся тем, что оно выполнено из материала, дополнительно содержащего коксовый остаток и пиролитический углерод, в качестве частиц графита содержащего частицы естественного графита при следующем соотношении компонентов, мас.%: частицы естественного графита 10 - 90, коксовый остаток 5 - 20, пиролитический углерод 5 - 70 и имеет плотность 1,5 - 2,2 г/см³ и интенсивность изнашивания не более 0,1 - 0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника.