ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ, ИЗГОТОВЛЕННОЕ ИЗ ТОКОПРОВОДЯЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C22C1/05 B22F3/12 H01B1/20 

Изобретение относится к области производства композиционных материалов методами порошково-обжиговой технологии и может быть использовано при производстве токопроводящих контактных вставок для электровозов, трамваев и метропоездов, а также в электротехнических изделиях бытового назначения.

Известен композиционный медно-графитовый материал и способ его изготовления (патент РФ №2088682), применяемый в качестве токосъемных щеток электроподвижного 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°C при остаточном давлении 2-30 торр.

Данный материал обладает удельным электрическим сопротивлением до 14 мкОм·м, коэффициентом трения 0,16-019, прочностью на сжатие 48-110 МПа. К недостаткам данного материала можно отнести сложность процесса модифицирования поверхности графита карбидами металлов IV-VI групп Периодической таблицы, дороговизну самого процесса; высокий коэффициент трения и относительно низкое удельное электрическое сопротивление.

Наиболее близким техническим решением является материал для токопроводящих контактных изделий и способ его изготовления (патент РФ №2150444), выбранный в качестве прототипа. 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°C 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/см³ и интенсивность изнашивания не более 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника.

К недостаткам следует отнести дороговизну готового изделия, связанную со сложностью процесса насыщения пиролитическим углеродом, низкой теплопроводностью и сложностью формования изделия из-за большого количества естественного графита.

В рассмотренных способах процесс насыщения пиролитическим углеродом производится под разрежением при высокой температуре с использованием определенной газовой среды, что приводит к удорожанию процесса получения материала, а соответственно, и самого материала.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получения токопроводящего композиционного материала невысокой плотности при сохранении требуемого уровня физико-механических характеристик за счет подбора компонентов и выбора оптимального технологического режима термообработки, что приводит к снижению его стоимости.

Поставленная задача решается тем, что токопроводящий композиционный материал, содержащий естественный графит, связующее и медный порошок дополнительно содержит в качестве пластификатора поливинилацетат в количестве 9÷35 мас.% от суммарной массы порошкообразных компонентов, при следующем содержании ингредиентов, мас.%:

естественный графит - 40÷55;

медный порошок - 30;

связующее на основе новолачной смолы - 30÷15.

Способ получения материала включает смешивание порошкообразных компонентов, ввод связующего, гомогенизацию и дополнительное введение поливинилацетата с последующим смешиванием и сушкой массы при 45°C на протяжении 20 часов, формованием изделия методом холодного прессования и высокотемпературной обработкой со скоростью нагрева 1,5°C/мин до 1250°C и выдержкой в течение 3 часов.

Поливинилацетат облегчает процесс прессования и исключает расслоение в заготовке изделия за счет придания пластичности материалу. Также возможно прессование сложного изделия, так как масса при прессовании приобретает пластичность и может принимать любую форму. В случае необходимости готовое отпрессованное изделие можно подвергнуть дополнительной калибровке.

Указанный нижний предел количества добавляемого пластификатора (9%) обусловлен необходимостью создания равномерного покрытия чешуек графита при перемешивании. При содержании пластификатора меньше 9% смесь не прессуется. Верхний предел (35%) обусловлен избыточным количеством пластификатора, при котором не происходит улучшения свойств, при этом увеличиваются технические сложности процесса прессования.

Количество связующего на основе новолачной смолы рассчитывалось из того, чтобы при обжиге в изделии была сформирована прочная матрица.

Количество медного порошка в композиции определяет величину удельного электрического сопротивления. Так, при содержании в составе композиции медного порошка менее 30% удельное электрическое сопротивление не обеспечивает требуемой величины, а при содержании более 30% практически не изменяется.

Пример 1

Образец был изготовлен следующим способом.

Смешиваем порошкообразные компоненты: естественный графит - 55%, медный порошок - 30% и вводим 15% связующего на новолачной смоле. Производим гомогенизацию и вводим поливинилацетат в количестве 9,1% от суммарной массы порошкообразных компонентов. Производим смешивание и подвергаем сушке при 45°C на протяжении 20 часов. Затем формуем изделия методом холодного прессования в одноместную глухую матрицу. Давление прессования 16,5 МПа. Затем изделие подвергается термообработке со скоростью нагрева 1,5°C/мин до 1250°C и выдержкой в течение 3 часов.

Характеристики полученного изделия: удельное электрическое сопротивление - 13,9 мкОм·м; коэффициент трения - 0,169; прочность на сжатие - 12,5 МПа; кажущаяся плотность - 2,65 кг/см²; удельная поверхность - 6,60 м²/г.

Пример 2

Технология получения изделия аналогична описанной в примере 1 и отличается тем, что количество добавленного поливинилацетата составило 16,7% от суммарной массы порошкообразных компонентов.

Характеристики полученного изделия: удельное электрическое сопротивление - 14,2 мкОм·м; коэффициент трения - 0,171; прочность на сжатие - 11,2 МПа; кажущаяся плотность - 2,44 г/см³; удельная поверхность - 9,87 м²/г.

Пример 3

Технология получения изделия аналогична описанной в примере 1 и отличается тем, что количество добавленного поливинилацетата составило 24,8% от суммарной массы порошкообразных компонентов.

Характеристики полученного изделия: удельное электрическое сопротивление - 14,4 мкОм·м; коэффициент трения - 0,172; прочность на сжатие - 11,6 МПа; кажущаяся плотность - 2,24 г/см³; удельная поверхность - 12,90 м²/г.

Пример 4

Технология получения изделия аналогична описанной в примере 1 и отличается тем, что количество добавленного поливинилацетата составило 33,3% от суммарной массы порошкообразных компонентов.

Характеристики полученного изделия: удельное электрическое сопротивление - 14,0 мкОм·м; коэффициент трения - 0,176; прочность на сжатие - 12,4 МПа; кажущаяся плотность - 1,86 г/см³; удельная поверхность - 25,43 м²/г.

Полученный материал обладает развитой удельной поверхностью, позволяющей при необходимости дополнительно модифицировать изделие под конкретные нужды. Благодаря естественному графиту коэффициент трения по стальному и медному контртелу находится в пределах 0,16÷0,17, линейный износ за 12 часов составляет 1,47 мкм и при увеличении тока изменяется незначительно. Плотность материала сильно зависит от количества добавленного пластификатора и находится в пределах от 1,8 до 2,6 г/см³. Температура, при которой начинается процесс окисления композиции кислородом воздуха, превышает имеющиеся аналоги более чем на 100°C и составляет порядка 630-670°C. Это позволяет эксплуатировать данные электротехнические изделия при повышенной температуре окружающей среды. Данная технология является экологически безопасной, поскольку не содержит вредных веществ, и технически простой, что говорит о дешевизне получаемой продукции.

Изобретение относится к изготовлению электротехнических изделий из композиционного материала. Электротехническое изделие изготовлено из токопроводящего композиционного материала формованием методом холодного прессования, при этом токопроводящий композиционный материал содержит 40÷55 мас.% порошка естественного графита, 30÷15 мас.% связующего на основе новолачной смолы, 30 мас.% медного порошка и дополнительно поливинилацетат в качестве пластификатора в количестве 9÷35 мас.% от суммарной массы порошкообразных компонентов. В способе получения электротехнического изделия смешивают порошок естественного графита и медный порошок, в полученную смесь вводят связующее, гомогенизируют смесь и вводят поливинилацетат, смешивают и сушат полученную массу при 45°C на протяжении 20 часов. Формуют изделие холодным прессованием и проводят высокотемпературную обработку со скоростью нагрева 1,5°C/мин до 1250°C и выдержкой в течение 3 часов. Обеспечивается получение токопроводящего материала невысокой плотности, что облегчает процесс прессования и исключает расслоение изделия. 2 н.п. ф-лы, 4 пр.

1. Электротехническое изделие, изготовленное из токопроводящего композиционного материала, содержащего порошок естественного графита, связующее и медный порошок, формованием методом холодного прессования, отличающееся тем, что токопроводящий композиционный материал дополнительно содержит поливинилацетат в качестве пластификатора в количестве 9÷35 мас.% от суммарной массы порошкообразных компонентов, а в качестве связующего содержит связующее на основе новолачной смолы при следующем содержании ингредиентов, мас.%:
естественный графит 40÷55 медный порошок 30 связующее на основе новолачной смолы 30÷15

2. Способ изготовления электротехнического изделия по п. 1, заключающийся в том, что смешивают порошок естественного графита и медный порошок, в полученную смесь вводят связующее, гомогенизируют смесь и вводят поливинилацетат, смешивают и сушат полученную массу при 45°C на протяжении 20 часов, после чего формуют изделия холодным прессованием и проводят высокотемпературную обработку со скоростью нагрева 1,5°C/мин до 1250°C и выдержкой в течение 3 часов.