Токосъемный элемент полоза электроподвижного состава Советский патент 1993 года по МПК B60L5/08 H01R41/00 

k

Использование: реализация сильноточных скользящих электрических контактов. Сущность изобретения: для одновременного повышения у токосъемного элемента ме- ханических,эрозионных и антифрикционных свойств, а также его удешевления в промежуточный слой, расположенный на стальном несущем слое, помимо порошкового железа введен углерод, а в рабочем слое к порошковому железу, меди, никелю, свинцу, олову, фосфору и углероду добавлены феррохромоникель, сера или сульфиды металлов в определенном весовом соотношении.

Изобретение относится к электрифицированному транспорту, в частности, к созда- нию токосъемных элементов для сильноточного скользящего контакта. Токо- съемный элемент найдет применение в токосъемных устройствах, позволяющих передавать электроэнергию с контактного провода на электроподвижной состав.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных свойств токосъемно- го элемента и экономия дефицитных материалов при его изготовлении.

Поставленная цель достигается тем, что токосъемный элемент, включающий несущий слой, выполненный иэ листовой стали, промежуточный слой, содержащий железо и

рабочий слоя, содержащий медь, никель, свинец, олово, фосфор, углерод и железо, в соответствии с предполагаемым изобретением изменяется так, что в промежуточный слой мелкодисперсного порошка железа вводится 0,9-1 % углерода, а в рабочий слой дополнительно феррохромоникель, сера или сульфиды, цинка или меди при следующем соотношений компонентов, мас.%: Медь5-8,5 Никель 0,55-0,95 Феррохромоникель при соотношении Cr:Nl как(1-2):1 3,5-9,2 Свинец . 22-28 Олово 0,95-1,4 Фосфор 0,14-0,3

VI Ч) Os

4 ю ю

Углерод0.2-0,35 Сера 1,2-3 или сульфиды металлов Zn или Си 0,75-3,5 Железо Остальное Для удобства крепления токосъемного элемента на полозы выступающие части несущего основания изгибаются так, что образуют с его корпусом тупые углы, что предотвращает излишнее накопление сплава пропитки при операции их пропитки.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Рабочий контактный слой биметаллического токосъемного элемента выполняется на тугоплавкой железной основе с добавлением элементов, в сочетании с которыми достигаются высокая дугостойкость и антифрикционные свойства.

Для улучшения электропроводности и формирования железного каркаса с высокой открытой пористостью добавляется медь. Предельные значения содержания меди определяли экспериментальным путем при спекании в соответствии с изменением пористости железа при добавлении этого металла. Количество меди, определяемое предельной растворимостью ее в железе наряду с другими компонентами, позволяет получить высокую открытую пористость каркаса. Это дает возможность при пропитке сплавом С05(95% РЬ, 5% Sn), ввести в каркас твердые смазки - свинец и олово в количестве 22-28% и 0,95-1,4% соответственно. Указанные пределы содержания свинца и олова обеспечивают необходимый уровень антифрикционных свойств материала рабочего слоя. При содержании свинца и олова менее 22% и 0,95% соответственно износ медного контртела при работе с предложенным порошковым материалом возрастает, так как не образуется сплошного слоя политуры, предохраняющего медное контртело от износа. При содержании свинца и олова более 28% и 1,4% соответственно, износ медного контртела, работающего в паре с токосъем- нымэлементом, снижается, несущественно увеличивается износ порошкового материала из-за большей исходной пористости каркаса. При испытаниях порошкового материала в паре с медным контртелом в режиме сухого трения на машине трения МИ при нагрузке 0,7 МПа на пути 2,5 км в случае содержания менее 22% РЬ и 0,95% Sn износ медного контртела увеличивается . с 0,0152 до 0,0211 г. С повышением содержания свинца выше 28% износ медного контртела уменьшается, но зато растет износ порошкового материала с 0,033 до 0,0387 г.

Никель, как технологическая присадка, в количестве 0,55:0,85% вводится для улучшения формования рабочего слоя и активи- рования процесса спекания. Количество никеля более 0,85%, при массовом производстве токосъемных элементов, удорожает производство, менее 0,55% его не выполняет своего функционального назначения.

Предельные соотношения и других легирующих компонентов определяли экспериментально путем постепенного введения отдельных компонентов и дальнейшего испытания их на машине трения МИ по той же методике.

Для повышения дугостойкости в рабочий слой вводится тугоплавкая составляющая в виде порошка феррохромоникеля.

Металлографическими исследованиями мест повреждений порошкового материала электрической дугой установлено, что фронт оплавления порошкового материала в образовавшемся кратере, проходит по частицам

феррохромоникеля. При испытании материалов 5-8,5% Си; 0,2-0-35% С; 0,15-0,3% Р; 22-28% РЬ; 0,95-1.4% Sn; 0,55-0,95% N1; 3,5-9,2% феррохромоникеля, остальное - железо, износ медного контртела составил

0,0048 г при содержании 3,5% феррохромоникеля, и 0,0089 г. при 9,2%. Дальнейшее увеличение содержания феррохромоникеля до 10 и 13,5% повышает износ медного контртела до 0,0182 г и 0,0234 г. Снижение

содержания феррохромоникеля до 2,5 и 1,5% также приводит к повышению износа медного контртела до 0,0052 и 0,0135 г соответственно.:

Для улучшения антифрикционных

свойств в состав вводились сера или сульфиды меди или цинка. Предельные содержания серы 1,2-3,5% были установлены испытаниями на износ порошковых материалов состава 5-8,5% Си, 0,2-0,35% С, 3.59,2% феррохромоникеля, 22-28% РЬ, 0,55-0,95 Ni, 0-095-1,4% Sn и 0,14-0,3% Р. Результаты показали, что износ медного .контртела при содержании 1,2% серы составляет 0,0041 г. а при содержании 1,0 и

0,8% - 0.0058 и г, соответственно. При содержании серы в количестве 3 и 3,5% износ медного контртела и порошкового материала составил 0,0026 и 0,0042 г, соответственно. В случае увеличения серы до 4 и 6%

износ медного контртела несколько снижается, но увеличивается износ токосъемного элемента с 0,0583-0,067 до 0,0635-0,0748 г, при износе 0,0256-0.0452 г. в случае содержания 1,2-3,5% S. Сера, введенная в состав

рабочего слоя, может быть заменена сульфидами меди или цинка, или сульфидами других металлов, введенных в количестве 0,75-3,5%. Сульфиды металлов, как и сера, способствуют улучшению антифрикционных характеристик материалов. Определение пределов содержания сульфидов проводилось аналогично, как и серы. При этом в случае износа медного контртела были получены практически такие же результаты, как и при введении S в порошковый материал с отклонением 0,002 г, а для порошкового материала ±0,005 г. Содержание графита и фосфора устанавливается по влиянию их на восстановление окислов хрома на поверхности частиц феррохромоникеля и по образованию твердых структурных составляющих в железе.

Твердые окислы хрома на частицах феррохромоникеля - фосфиды меди и железа, а также сетка цементита или закалочные структуры типа сорбит, тростит или мартенсит, образующиеся при электрических разрядах, оказывают интенсивное воздействие на медный контактный провод.

Измерение твердости железа с различным содержанием углерода после закалрч- ный явлений, возникающих после воздействия электрической дугой, было установлено содержание углерода в пределах 0,2-0,35%.

При содержании углерода выше 0,35% С микротвердость при закалке в зоне воз действия опорной точки электрической дуги резко возрастает с 3350 МПа до 3500 МПа при 0,4% С и до 3800 МПа при 0,5% С, Кроме того, при содержании углерода выше 0,5% С, начинает падать ударная вязкость порошкового материала.

При содержании в порошковом железе менее 0,2% С твердость закалочных структур составляет 3100-3200 МПа, но такое содержание углерода не обеспечивает разрушение окисных пленок на частицах феррохромоникеля. При содержании углерода в интервале 0,2-0,35%, по данным металлографического анализа и измерением микротвердости отдельных составляющих в значительной степени восстанавливаются окислы хрома при спекании, что уменьшает абразивное воздействие порошкового материала на медный провод.

Содержание фосфора, как раскислите- ля, устанавливается в пределах от 0,14 до 0,3%. При содержании фосфора выше 0,3% образуется большое количество фосфидов меди с высокой твердостью, вызывающих повышенный износ медного контртёла, а содержание фосфора менее 0,14% недостаточно, для более полного прохождения про- цессов восстановления окислов на

поверхности частиц феррохромоникеля. Так при содержании в порошковом железе 0,3% Р, 5-8% Си, 0,2-0,35% С, 3,5-9,2% феррохромоникеля. 22-28% РЬ, 0,55-0,95% NI, 5 0,95-1,4% Sn износ медного контртела составил 0,0056 г, при 0,4% Р-0,0821 г, а при 0,6% Р - 0,1146 г. В случае содержания в порошковом материале такого же состава фосфора менее 0,14%, износ медного

0 контртела увеличивается до 0,0072 г за счет сохранения окислов на частицах порошка хромоникелевой стали.

С целью уменьшения себестоимости то- косъемных биметаллических элементов, при

5 неизменном качестве сцепления слоев, карбонильный железный порошок, из которого выполнен промежуточный слой, выполняется из смеси железного порошка, с размером частиц менее 50 мкм, и 0,9-1 % порошка

0 графита, или порошка железа, содержащего 0,9-1% углерода, Такое количество углерода позволяет снизить температуру припека- ния промежуточного слоя к несущему стальному основанию. Увеличение содер5 жания углерода свыше 1 % приводит к резкому снижению механических свойств (д раст с 350 до 250 МПа Дзг с 570 до 500 МПа), за счет наличия в нем структурно свободного графита, являющегося концентраторами на0. пряжений. Меньшее содержание углерода не позволяет активировать процесс припе- кания промежуточного слоя к несущему основанию.

Снижение содержания графита до 0,8%

5 С и более вызывает снижение прочности сцепления слоев, за счет снижения активирующего действия графита на припекание промежуточного и рабочего слоев. Прочность сцепления слоев при 0,8% С, снижается

0 до 20 МПа. Прочность сцепления слоев в случае, когда промежуточный слой выполнен из порошка железа с размером частиц менее 50 мкм достигает 130 МПа, а при увеличении размера частиц до 60, 100 и 160

5 мкм, прочность, соответственно, уменьшается до 90, 50,30 МПа. Достигаемая прочность сцепления на уровне 130 МПа достаточна для обеспечения надежной работы токосьемного элемента.

0

Допускается ввод в промежуточный слой до 50% порошка карбонильного железа, в случае необходимости повышения прочности сцепления до 160 МПа.

5 Изобретение иллюстрируется следующим примером выполнения токосьемного элемента.

Несущее основание выполняется из малоуглеродистой стальной ленты толщиной

0,8 мм. На несущее основание наносится промежуточный слой порошка железа марки ПЖ4 с размером частиц не более 50 мкм, который предварительно смешивается с 1 % С. Поверхность промежуточного слоя, пред- ставляет собой чередующиеся выступы и впадины толщиной 1 и 0,2 мм соответственно. Слой порошка припекается к несущему основанию в проходной печи в среде водорода при температуре 1100°С в течение 8 мин, На промежуточный слой накатывается рабочий композиционный слой следующего состава: 8%я Си, 0,4% С, 8% хромоникеле- вой стали с соотношением Сг к N1 как 1:1, 1% N1, 0,3% Р, 2% S ост железо, который спекался при температуре 1150°С в среде водорода в проходной печи. После спекания и поперечной резки на мерные отрезки каркас токосъемного элемента помещался в автоклав под расплав, состоящий из 95% РЬ, 5% Sn, вакуумировался до 1-5 мм рт, столба, выдерживался 5 мин, при разряжении, а затем в течении 30 мин под давлением 120 Ат. Представленные результаты по износу медного контртела и токосъемного элемента показывают, что наименьший износ имеют материалы токосъемного элемента, где рабочий слой имеет следующее соотношение элементов, мас.%; медь 5-8,5, никель 0,55-0,95, хромоникелевая сталь 3,5-9,2, свинец 22-28, фосфор 0,14-0,3; углерод 0,2-0,35; сера 1,2- 3,5%, или сульфиды меди или цинка -0,75- 3,5, железо - остальное.

Объясняется это наличием большого количества твердой смазки (Pb, Sn, S или суль- фидов) в сочетании с прочным железо-медным каркасом. Железный каркас основы, и хромоникелевая сталь повышает дугостойкость порошкового материала, что необходимо при работе электрических контактов. Одновременное введение фосфора и углерода, восстанавливает твердые фазы (окислы хрома) на границе частиц феррохромоникеля. Это предотвращается повышенный износ мед- ного контртела,

Сочетание рабочего слоя с высокими эрозионными и антифрикционными характеристиками, наличие промежуточного слоя, обеспечивающее надежное сцепле- ние слоев, выполненного из недефицитных и дешевых железных порошков с добавкой углерода и несущего основания из стали, дает возможность создать токосъемный элемент с высокими эксплуатационными ха- рактеристиками.

Известные токосъемные элементы не обладают таким комплексом свойств. Если износ медного, контртела порошковым материалом взятого за прототип составляет

0,012 г., то материалом по предлагаемому изобретению 0,004 г.

Новизна предлагаемого изобретения характеризуется его отличительными признаками и состоит в введении в состав рабочего слоя феррохромоникеля и серы или сульфидов металлов при следующем соотношении компонентов; 5-8,5 Си, 0,2-0,35% С, 3-5-9-2% феррохромоникеля с соотношением Сг к NI как (1-2):1, 22-28% РЬ, 0,55- 0,95% NI, 0,95-1,4% Sn, 0,14-0,3% Р, 1,2-3,5- или 0,75-3,5% сульфидов меди или цинка, а промежуточный слой состоит из железного порошка с размером частиц менее 50 мкм с содержанием 0,9-1% С, который возможно добавлять до 50% карбонильного железа. Для удобства крепления токосъемного элемента на полоз несущее основание его делается шире корпуса, выполненного из порошкового материала, а перед пропиткой выступающие части несущего основания отгибаются так, чтобы между корпусом токосъемного элемента и ими образовывался тупой угол. Такой угол отгиба выступающих участков несущего основания предотвращает при пропитке токосъемных элементов сосредоточения в углах у корпуса сплава пропитки и этим уменьшает его расход.

Токосъемный элемент работает следующим образом.

По установленному на полозе электровоза токосъемному элементу скользит контактный провод. Электрический ток с провода поступает на токосъемный элемент, проходит рабочий, промежуточный и несущий слои и далее на полоз, токоприемник и в электрический двигатель. Формула из обретения Токосъемный элемент полоза электроподвижного состава, содержащий последовательно установленные стальной несущий слой, промежуточный слой с порошковым железом и рабочий слой с порошковым железом, медью, никелем( свинцом, оловом, фосфором и углеродом, отличающийся тем, что, с целью удешевления и повышения надежности работы, в промежуточном слое к порошковому железу, ограниченному размерами частиц не более 50 мкм, добавлено 0,9-1% углерода, а в рабочий слой дополнительно введены феррохромоникель, сера или сульфиды металлов при следующем соотношении компонентов, мас.%;

Медь5-8,5 Никель 0,55-0,95 Феррохромоникель (при доле хрома, равной или превышающей не более, чем вдвое, долю хрома) 3,5-9,2 Свинец 22-28

9179649910

Олово0,95-1,4Сера 1,2-3,5

Фосфор0.14-0,3Или сульфиды металлов 0,75-3,5

Углерод0,2-0,35Железо Остальное