СПЕЧЕННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРОКОНТАКТА Российский патент 2014 года по МПК C22C1/05 H01H1/21 C22C33/02 

Изобретение относится к триботехнике и триботехническому материаловедению, в частности к антифрикционным материалам, применяемым для изготовления токосъемных щеток, например, униполярных генераторов или токосъемных башмаков, контактирующих с рельсом туннельной железной дороги.

Известен спеченный материал для токосъемных скользящих контактов на основе железа [RU2126457, С22С 33/02, B60L 5/08, Н01Н 1/02, опубл. 20.02.1999] [1], содержащий графит и медь в следующих количествах, мас.%:

Графит 8-18 Медь 8-20 Железо остальное.

Недостатками известного композита являются невысокие твердость и механическая прочность, что связано с большим содержанием графита. Большое содержание графита или другой твердой смазки (свинец, олово и др.) в материале обусловлено необходимостью предохранения поверхности трения медного контртела от быстрого разрушения и повышенного износа. Общим недостатком известных токосъемных материалов, скользящих по медному контртелу без консистентной смазки, является невозможность обеспечить удельную поверхностную электропроводность контакта более 150 См/см² и удовлетворительную износостойкость при контактной плотности тока более 50 А/см².

Наиболее близким по назначению и достигаемому результату является материал для сильноточного скользящего электроконтакта [RU2368971, Н01Н 1/021, С22С 33/02, опубл. 27.09.2009] [2] следующего состава, мас.%:

Медь 18-46 Графит 2-3 Переработанная сталь ШХ 15 остальное.

Этот известный композит (прототип) имеет удовлетворительную твердость НВ (см. таблицу). Кроме того, он формирует контакт с более высокими удельной поверхностной электропроводностью r_s ^-1 (r - электросопротивление контакта) и низкой интенсивностью изнашивания I_h в условиях трения по стали без смазки при плотности тока более 100 А/см². При некоторой критической плотности тока j_c электропроводность r_s ^-1 достигает максимального значения r_sc ^-1, соответствующего началу катастрофического изнашивания.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка материала для сильноточного скользящего электроконтакта для работы в паре со стальным контртелом, имеющего высокую электропроводность контакта и низкую интенсивность изнашивания при скольжении с контактной плотностью тока более 100 А/см².

Для достижения указанного технического эффекта предлагается спеченный материал, скользящий по стальному контртелу при контактной плотности тока более 100 А/см², содержащий медь, графит, железо, при следующем соотношении компонентов, (мас.%):

Медь 24-57 Графит 2-3 Железо остальное.

Сравнение предлагаемого изобретения с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый спеченный материал отличается от известного применением железа в качестве структурной составляющей. Уменьшение твердости НВ предлагаемого спеченного материала (см. таблицу) происходит вследствие того, что твердость частицы железа более низкая по сравнению с твердостью частицы стали ШХ15. Удельное электросопротивление ρ материала в предлагаемом техническом решении уменьшается вследствие более низкого удельного электросопротивления железа по сравнению с электросопротивлением стали. Принципиального различия пористости П предлагаемого материала и пористости прототипа не наблюдается (см. таблицу).

Введение меди более 57% уменьшает твердость, электропроводность и износостойкость контакта, а также увеличивает коэффициент трения. Содержание меди менее 24% приводит к повышению хрупкости, уменьшению теплопроводности и электропроводности трибоконтакта. Введение графита более 3% приводит к уменьшению прочности и электропроводности трибосистемы в целом. Введение менее 2% графита приведет к увеличению коэффициента трения.

Электропроводность контакта предлагаемого спеченного материала при работе в паре со стальным контртелом увеличивается при увеличении контактной плотности тока и при некоторой критической контактной плотности токa j_c достигает максимума, что соответствует началу катастрофического изнашивания материала. Значения электропроводности r_sc ^-1 и интенсивности изнашивания I_hc, соответствующие началу катастрофического изнашивания, представлены в таблице. Видно, что режим катастрофического изнашивания известного материала [2] наступает при более низкой r_sc ^-1, чем r_sc ^-1 контакта предлагаемого материала (см. таблицу). Следует отметить, что электропроводность rs^-1 предлагаемой пары трения при контактной плотности тока около 50 А/см находится на уровне 200 См/см², т.е. выше r_s ^-1 контакта известных материалов, скользящих по меди. Интенсивность изнашивания I_hc известного материала [2] в начале катастрофического изнашивания выше, чем I_hc предлагаемого материала (см. таблицу). Видно также, что режим катастрофического изнашивания реализуется в парах трения известного и спеченного материалов - сталь при практически одинаковой плотности тока j_c.≈300 А/см² (см. таблицу). Поверхностный слой в материалах пар трения деформируется по механизму вязкой жидкости, что не приводит к накоплению структурных дефектов и реализуется некоторая пластичность. Отсутствие легирующих элементов в железных частицах является причиной их более высокой пластичности и более низкого удельного электросопротивления, что приводит к формированию более электропроводного и, следовательно, более теплопроводного контактного слоя в предлагаемой паре трения. Более высокая теплопроводность (за счет более низкой ρ) и более легкий переход к пластическому течению (за счет более низкой НВ) предлагаемого материала являются факторами, которые обеспечивают более высокие r_s ^-1 и I_h.

Триботехническое нагружение осуществлено по схеме «вал-колодка», со скоростью 5 м/с при давлении 0,13 МПа по контртелу из стали 45 (50 HRC) Интенсивность изнашивания I_h определена по отношению I_h=h/L, где h - изменение высоты образца на пути трения L (36 км).

Таблица

п/п Сu Fe ШХ15 С r_sc ^-1, См/см² I_hc, МКМ/КМ П, % j_c, А/см² ρ, мкO м*м НВ, МПа мас.% 1 24 73 - 3 362 9 10 290 0,16 1220 2 57 40 - 3 333 8 8 300 0,09 820 3 35 62.5 - 2.5 342 8 10 280 0,13 940 4 45 53 - 2 321 11 11 305 0,11 890 5 24 - 73 3 190 60 12 280 0,24 1722

В таблице представлены предельно достижимая электропроводность контакта r_sc ^-1 и соответствующая ей интенсивность изнашивания I_hс, пористость П, удельное электросопротивление ρ, твердость НВ спеченных композитов, содержащих железо (п/п.1-4) и переработанную сталь ШХ15 (п.5).

Пример. Порошки компонентов в соотношениях, приведенных в таблице (п/п.1-4), смешивают в вибромельнице в течение 2 часов. Высушенную порошковую смесь помещают в стальную пресс-форму с верхним и нижним пуансонами и прессуют при давлении 550 МПа. Прессованные брикеты спекают при температуре 1080-1100°С в вакууме в течение 2 часов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым антифрикционным материалам для сильноточных скользящих контактов. Может использоваться для изготовления токосъемных щеток, например, униполярных генераторов или токосъемных башмаков, контактирующих с рельсом туннельной железной дороги. Материал сильноточного скользящего электроконтакта, работающего в паре со стальным контртелом с контактной плотностью тока более 100 А/см² содержит, мас.%: медь 24-57; графит 2-3; железо - остальное. Обеспечивается высокая электропроводность контакта и низкая интенсивность изнашивания при скольжении. 1 табл., 1 пр.

Спеченный материал для сильноточного скользящего электроконтакта, работающего в паре со стальным контртелом при контактной плотности тока более 100 А/см², содержащий медь и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь 24-57 графит 2-3 железо остальное.