МАТЕРИАЛ ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРОКОНТАКТА Российский патент 2009 года по МПК H01H1/21 C22C33/02 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к антифрикционным материалам, применяемым для изготовления токосъемных щеток, в частности униполярных генераторов или токосъемных башмаков, контактирующих с рельсом.

Для работы в этих условиях необходимы высокая электропроводность, хорошие механические свойства и высокая стойкость к электрической эрозии при плотности тока более 100 А/см².

Известен спеченный материал на основе меди следующего состава (мас.%) [1]:

Графит 0.5-6 Олово 2-13 Никель 3-15 Свинец 2-8 Медь остальное

Недостатками известного материала являются низкая механическая прочность и низкая износостойкость при повышенной шероховатости стального контртела, возникающей в результате электроэрозии.

Известен спеченный материал для контактных пластин токоприемников следующего состава, мас.% [2]:

Никель 1-10 Медь 5-30 Олово 1-5 Свинец 8-20 Нитрид бора 1-10 Железо остальное

Недостатками этого материала являются низкая электропроводность, низкие механические свойства и высокая интенсивность изнашивания при плотности тока выше 100 А/см² в условиях скольжения по контртелу с повышенной шероховатостью (Ra>0.63).

Наиболее близким по назначению, фазовому составу и достигаемому результату является композит, содержащий мас.%: графит - 8-18, медь - 8-20, железо - остальное [3].

Недостатками этого композита являются невысокие механические свойства, износостойкость и электропроводность, которые особенно проявятся при скольжении с плотностью тока более 100 А/см².

Задачей изобретения является разработка материала для сильноточного скользящего электроконтакта с повышенной износостойкостью в условиях сухого скользящего электроконтакта, увеличение механических свойств токосъемника при удовлетворительной электропроводности зоны трения.

Для достижения указанного технического эффекта предлагается композиционный материал, который содержит медь, графит, а в качестве основы дополнительно содержит частицы стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама подшипникового производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь 18-46 Графит 2-3 Переработанная сталь ШХ15 остальное

Сравнение с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый материал отличается от известного введением нового компонента, а именно стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама подшипникового производства, а также отсутствием тугоплавких (нитрид бора) и легкоплавких (олово, свинец) компонентов. Увеличение механических свойств происходит за счет образования матрично-наполненной структуры. Низкое удельное электросопротивление и невысокая пористость материала получены благодаря сочетанию протяженной медной матрицы и равномерно расположенных в ней частиц переработанной стали ШХ15, а также вследствие частичного заполнения медью частицы стали ШХ15, обладающей развитой внутренней пористостью микронного и субмикронного размера. Такая структура композита не имеет аналогов, т.к. композиция Cu-сталь ШХ15-графит представлена на двух масштабных уровнях - на уровне композита в целом (масштаб образца, т.е. более 1 мм) и на уровне частицы стали ШХ15 (масштаб частицы, т.е. менее 100 мкм). Увеличение износостойкости происходит вследствие релаксации деформации материала зоны трения путем фазового превращения. Поверхностный слой в этом случае обладает свойствами вязкой жидкости и может деформироваться без накопления структурных дефектов с удовлетворительной пластичностью, позволяющей формировать достаточно большую общую площадь фактического контакта. Последний фактор определяет невысокое электросопротивление зоны трения.

Введение меди более 46% уменьшает твердость и износостойкость, а также увеличивает коэффициент трения. Содержание меди менее 18% приводит к повышению хрупкости, уменьшению теплопроводности и электропроводности трибоконтакта. Введение графита способствует процессам прессования и спекания, улучшает триботехнические характеристики контакта. Содержание графита менее 2% увеличивает коэффициент трения и повышает адгезию к контртелу, а более 3% приводит к уменьшению прочности и электропроводности трибосистемы в целом.

Пример.

Порошки компонентов смешиваются в вибромельнице в течение 2 часов. Высушенную порошковую смесь помещают в стальную пресс-форму с верхним и нижним пуансонами и прессуют при комнатной температуре с давлением 550 МПа. Прессованные брикеты спекают при температуре 1080-1100°С в вакууме.

Металлографическое исследование показало, что композиты имеют матрично-наполненную структуру. Удельное электросопротивление, пористость и механические свойства определены по стандартным методикам.

Предельно достижимая плотность тока и соответствующая интенсивность изнашивания, электросопротивление контакта, коэффициент трения, пористость, удельное электросопротивление, твердость и предел прочности при изгибе спеченных композитов на основе переработанной стали ШХ15 представлены в таблице.

Интенсивность изнашивания Ih определена по отношению Ih=h/L, где h - изменение высоты образца вследствие изнашивания, L - путь трения (36 км). Считается, что режим катастрофического изнашивания реализуется при Ih~100 мкм/км. Предельная достижимая плотность тока jk, электросопротивление зоны трения Rк и соответствующая интенсивность изнашивания представлены в таблице. Скольжение с токосъемом проведено со скоростью 5 м/с по контртелу из стали 45 (50 HRC) с шероховатостью 1.25.

Источники информации

1. Пат. Японии 48-20963. Износостойкий спеченный сплав на основе меди, опубл. 25.06.73.

2. А.с. 465439, С22С 33/02, Н01Н 1/02, опубл. 30.03.1975.

3. RU 2126457, С22С 33/02, B60L 5/08, Н01Н 1/02, опубл. 20.02 1999.

Таблица   Сu ШХ15 С j_к А/см² I_h, мкм/км R_к f П, ρ, НВ, σ_и, Ом % Ом*м МПа МПа 1 22 76 2 170 96 0.11 0.24 9 0.15 1700 - 2 18 79 3 250 86 0.13 0.21 16 0.25 2190 1163 3 24 73 3 310 62 0.063 0.23 11 0.21 2050 905 4 46 51 3 170 78 0.058 0.27 18 0.17 820 221

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к антифрикционным материалам. Может использоваться для изготовления токосъемных щеток, в частности униполярных генераторов или токосъемных башмаков, контактирующих с рельсом. Композиционный материал следующего состава, мас.%: медь 18-46; графит 2-3; переработанная сталь ШХ15 - остальное. Материал обладает высокой износостойкостью в условиях сухого скользящего электроконтакта и позволяет увеличить механические свойства токосъемника при удовлетворительной электропроводности зоны трения. 1 табл.

Материал для сильноточного скользящего электроконтакта, содержащий медь, графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит частицы стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама подшипникового производства, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь 18-46 Графит 2-3 Переработанная сталь ШХ15 Остальное