МАТЕРИАЛ ТОКОСЪЕМНОГО ЭЛЕМЕНТА РОМАНИТ-УВЛШ

Полезная модель относится к материалу токосъемных элементов для сильноточных скользящих контактов электрифицированного транспорта. Более подробно, полезная модель относится к материалам токосъемных устройств, позволяющих передавать электроэнергию с контактного провода на электроподвижной состав как при малых, так и при высоких скоростях движения.
Анализ научно-технической информации показал, что в настоящее время не существует порошковых экологически чистых материалов токосъемных элементов на медной основе, обеспечивающих необходимый ресурс работы контактирующей пары при высоких скоростях скольжения токах до 3000 А. Нормальная эксплуатация таких материалов в различных климатических условиях в паре с медным контактным проводом возможна в случае высокой их прочности, низкой твердости, отсутствия влагопоглощения, образования и поддержания на поверхности материала разделительной пленки, обеспечивающей низкий коэффициент трения и предотвращающей схватывание, перекос, большой нагрев и интенсивный износ контактирующей пары. Образование пленки возможно при наличии твердой смазки на уровне не менее 10%. Поэтому задача создания экологически чистых материалов с количеством твердой смазки выше 10% с одновременным увеличением механических, электрических и трибологических характеристик остается весьма актуальной.
Известен материал токосъемного элемента в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
фосфор
0,48-1,20
железо
9,60-12,00
цинк
2,40-16,00
графит
10,5-25,00
медь
остальное
При этом мас. % графита и 9,0-15,0 мас. % меди входят в материал в виде гранул размером 0,4-2,0 мм [см. пат. Российской Федерации №2049687 по классам B60L 5/08, H01R 41/00, опубликованный 10.12.1995 г.].
Основным недостатком описанного материала является низкая механическая прочность этого антифрикционного материала, поскольку входящий в состав этого материала цинк при температуре свыше 550°С интенсивно испаряется, что приводит к значительному ослаблению материала. Вследствие этого известный материал имеет низкую прочность, износостойкость и электропроводность.
Известен также антифрикционный материал в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита, гранул графита и меди, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
фосфор
0,5-5,4
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
2,0-24,0
медь
остальное
при этом гранулы графита имеют размер 0,4-1,6 мм при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас. %:
медь
37,0-60,0
графит
остальное
[см. Евразийский патент №004351 по классам B22F 7/04, С22С 1/04, опубликованный 29.04.2004 года; пат. Украины №47235 по классам B22F 7/04, С22С 1/04, опубликованный 15.05.2003 года].
Основным недостатком этого известного материала является высокое удельное электрическое сопротивление и, как следствие, низкая электропроводность, что вызывает повышенный износ как самого токосъемного контакта, так и контактного провода.
Известен композиционный материал для антифрикционных деталей в виде спеченных порошков фосфора, железа, дисульфида молибдена, графита, гранул графита и меди, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
фосфор
0,71-1,44
железо
18,8-25,0
графит
0,78-5,0
гранулы
6,0-24,0
медь
остальное
при этом гранулы графита имеют размер 0,4-1,5 мм при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас. %:
графит
40-70
дисульфид молибдена
15-30
медь
остальное
[см. заявку США №20020100817 по классам B22F 7/04, С22С 1/04, опубликованную 26.03.2001 года].
Основным недостатком описанного материала является низкая прочность гранул из-за содержания в них дисульфида молибдена и недостаточного количества меди в гранулах, что не позволяет создать прочную армирующую медную сетку в грануле графита. К тому же, как показывает опыт, введение дисульфида молибдена в гранулы не позволяет получить достаточную прочность гранул. При работе подвижного токосъемного контакта гранулы графита высыпаются и разделительная пленка не образуется. Образующиеся поры в материале увеличивают его удельное электрическое сопротивление и, как следствие, снижают его электропроводность и вызывают повышенный износ токосъемного элемента и контактного провода. К тому же, в зимние месяца года в поры, образующиеся от высыпания графита, попадает влага, которая при остановке движения замерзает и разрушает токосъемный элемент, что может привести к обрыву контактного провода.
Известен антифрикционный материал «Романит-УВЛ» в виде спеченных порошков ферофосфора железа, графита, меди или ее сплавов и волокон или нитей углеродных с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
феррофосфор
0,50-5,40
углеродное волокно
0,50-15,00
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
2,00-24,00
медь
остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
медь
40,0-70,0
графит
остальное
[см. пат. Украины №61751 по классам B22F 7/04, С22С 1/04, С22С 1/10, F16C 33/04, опубликованный 15.11.2006 года; пат. Республики Беларусь №10843 по классам B22F 7/04, С22С 1/04, С22С 1/10, F16C 33/04, опубликованный 08.04.2008 года; пат. Российской Федерации №2336444 по классам B22F 3/16, B22F 7/04, С22С 1/04, опубликованный 20.10.2008 года].
Основным недостатком описанного материала является получение недостаточно прочной разделительной пленки на поверхности токосъемного элемента. Образуемая пленка не прочная и легко разрушается при движении. На поверхности контактного провода разделительная пленка совсем не образуется. Все это приводит к повышенному износу, как токосъемного элемента, так и контактного провода.
Известен антифрикционный материал «Романит-УВЛШ» в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита, меди или ее сплавов, гексагонального нитрида бора, никеля, мелкодисперсных алмазов УДА, оксида кремния, шунгита, меди или ее сплавов и волокон углеродных с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем содержании компонентов в материале, мас. %:
феррофосфор
0,5-5,4
волокна углеродные
0,5-26,25
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
2,0-24,0
гексагональный нитрид бора
0,1-5,0
никель
0,2-10,0
мелкодисперсные алмазы УДА
0,01-5,0
оксид кремния
0,5-20,0
шунгит
0,01-22,0
медь или ее сплавы
остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
медь
37,0-60,0
графит
остальное
[см. пат. Украины №84599 по классам B22F 7/04, С22С 1/04, С22С 1/10, F16C 33/04, опубликованный 10.11.2008 года].
Основными недостатками описанного материала является то, что при совместном введении гексагонального нитрида бора, никеля и мелкодисперсных алмазов УДА при спекании материала гексагональный нитрид бора и никель покрывают поверхность мелкодисперсных алмазов УДА тонкой пленкой и, в результате этого, мелкодисперсные алмазы не участвуют в образовании цепочек атомов, так называемых «нитей жемчуга», и не участвуют в удержании капелек масла. Оксид кремния - это песок, и он воздействует на мягкие материалы, такие как контактный провод, как наждак и вызывает их повышенный износ, и по этой причине этот материал нельзя применять в токосъемных элементах.
Известен антифрикционный материал «Романит-УВЛШДМБ» в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита, гексагонального нитрида бора, никеля, мелкодисперсных алмазов УДА, неорганического соединения бора, не содержащие кислород, дисульфид молибдена, кислородосодержащее соединение бора, шунгита, меди или ее сплавов и волокон углеродных с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем содержании компонентов в материале, мас. %:
феррофосфор
0,5-5,40
волокна углеродные
0,5-26,25
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
2,0-24,0
гексагональный нитрид бора
0,1-5,0
никель
0,2-10,0
мелкодисперсные алмазы УДА
0,01-5,0
шунгит
0,01-22,0
неорганическое соединение бора,
не содержащее кислород
0,005-3,4
дисульфид молибдена
0,5-5,0
кислородосодержащее соединение бора
0,5-3,4
медь или ее сплавы
остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
медь
37,0-60,0
графит
остальное
[см. пат. Украины №86499 по классам B22F 7/00, С22С 1/04, С22С 1/10, F16C 33/04, опубликованный 27.04.2009 года].
Основным недостатком описанного материала является то, что при совместном введении гексагонального нитрида бора, никеля и мелкодисперсных алмазов УДА при спекании материала гексагональный нитрид бора и никель покрывают поверхность мелкодисперсных алмазов тонкой пленкой и, в результате этого, мелкодисперсные алмазы не участвуют в образовании цепочек атомов, так называемых «нитей жемчуга», и не участвуют в удержании капелек масла. В процессе спекания при температуре свыше 800°С дисульфид молибдена окисляется кислородосодержащим соединением бора и в результате этого коксуется и действует на мягкие материалы, такие как контактный провод, как наждак, и вызывает их повышенный износ, и по этой причине этот материал нельзя применять в токосъемных элементах.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является антифрикционный материал Романит-АВ в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита, меди или ее сплавов, масла с ультрадисперсным порошком алмаза и связующего волокон углеродных с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем содержании компонентов в материале, мас. %:
масло
0,50-40
ультрадисперсный порошок алмаза
0,10-5,00
феррофосфор
0,50-5,40
волокна углеродные
0,50-25,0
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
0,50-24,0
медь или ее сплавы
остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
медь
37,0-60,0
графит
остальное
[см. пат. Украины №66227 по классам B22F 7/00, B22F 9/00, С22С 1/04, F16C 33/04, опубликованный 15.11.2006 года].
Основным недостатком антифрикционного материала Романит-АВ является высокое удельное электрическое сопротивление этого материала и, как следствие, неспособность воспринимать электрическую дугу при движении, что не позволило использовать материал Романит-АВ для изготовления токосъемных элементов подвижных контактов.
В основу полезной модели поставлена задача создания материала для токосъемных элементов в виде волокон и нитей углеродных и спеченных порошков железа, графита, с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, содержащий масло с ультрадисперсными алмазами (УДА), в котором путем дополнительного введения меди, упрочненной хромистым чугуном, шунгита, соединения четырехвалентного молибдена (IV), упрочняюще-легирующих компонентов и введением в матрицу ультрадисперсных алмазов УДА и соответствующего подбора компонентов получают материал токосъемного элемента с низким удельным электрическим сопротивлением, с высокой электропроводностью, с высокой самосмазывающейся способностью, повышенной износостойкостью, механической прочностью и низким коэффициентом трения.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном антифрикционном материале в виде волокон и нитей углеродных и спеченных порошков железа, графита, с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, пропитанных после спекания маслом, содержащем ультрадисперсные алмазы, согласно предложению состав материала дополнительно содержит медь, упрочненную хромистым чугуном, шунгит, соединения четырехвалентного молибдена (IV), упрочняюще-легирующие компоненты, ультрадисперсные алмазы УДА, при следующем соотношении компонентов в материале, мас. %:
масло с ультрадисперсными алмазами
0,50-40,00
волокна и нити углеродные
0,50-15,00
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
2,00-24,00
упрочняюще-легирующие компоненты
0,50-5,40
соединения четырехвалентного молибдена (IV)
0,50-5,00
ультрадисперсные алмазы УДА
0,01-5,00
шунгит
0,10-22,00
медь с хромистым чугуном
остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
медь
37,0-60,0
графит
остальное
при этом медь с хромистым чугуном имеет следующее соотношение компонентов в порошке, мас. %:
хромистый чугун
5,0-30,0
медь
остальное
при этом масло с ультрадисперсными алмазами имеет следующее соотношение компонентов в порошке, мас. %:
ультрадисперсные алмазы
0,10-5,00
масло
остальное
2
4
4
2
в качестве упрочняюще-легирующих порошкообразных компонентов выбирают по меньшей мере один материал, выбранный из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (ферро-фосфор), а в качестве соединения четырехвалентного молибдена (IV) выбирают по меньшей мере один материал, выбранный из группы интерка-ляционного соединения молибдена (IV), оксида молибдена (IV) МоO, хлорида молибдена (IV) МoСl, бромида молибдена (IV) МoВr, сульфида молибдена (IV) MoS.
60
60
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняетсячертежами, на которых изображено следующее: фиг. 1 - общий вид токосъемного элемента, скользящего по контактному проводу; фиг. 2 - общий вид части накладки токосъемного элемента; фиг. 3 - молекула фуллерена углерода C; фиг. 4 - элементоорганическое соединение фуллерена С c медью, упрочненной хромистым чугуном, дисульфидом молибдена, ультрадисперсными алмазами УДА и железом.
Введение в материал токосъемного элемента в качестве основы меди, легированной хромистым чугуном, обусловлено тем, что, введение хромистого чугуна в медь в сотни раз упрочняет медь, увеличивая ее микротвердость, искажает кристаллическую решетку меди, активизируя диффузионные процессы, протекающие при спекании меди и, как результат, значительно улучшает электрические и антифрикционные свойства меди, снижает и стабилизирует коэффициент трения материала (фиг. 1 и фиг. 2).
3
3
Введение в материал токосъемного элемента в качестве упрочняюще-легирующих порошкообразных компонентов одного из материалов, выбранного из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (феррофосфор), обусловлено тем, что фосфор активирует спекание материала, сильно повышает скорость диффузионных процессов, происходящих в α-фазе (примерно в 100 раз), резко снижает температуру спекания, упрочняет феррит в 290 раз, образует фосфид меди, твердость которого выше твердости меди. Фосфор взаимодействует с медью, железом и образует сложные соединения в системах Fe-FeP, Cu-CuP, что значительно увеличивает электропроводимость материала.
Предельные содержания упрочняюще-легирующих компонентов определены экспериментальным путем, в связи с ограниченной растворимостью фосфора в железе и меди.
Экспериментально установлено, что содержание в меди хромистого чугуна менее 5% не оказывает заметного влияния на улучшение электрических и трибологических свойств материала, а при содержании в меди хромистого чугуна более 17% приводит к повышенному износу сопрягаемых поверхностей.
60
Введение в материал токосъемного элемента шунгита обусловлено тем, что шунгит содержит до 60% фуллеренов углерода C или, как ранее называли, стеклографита (фиг. 3).
60
Благодаря тому, что фуллерены углерода C обладают более высокой симметрией и наибольшей стабильностью, созданы материалы с повышенными электрическими, трибологическими и механическими свойствами для эксплуатации в линиях как постоянного, так и переменного тока.
В материале токосъемного элемента присоединение к фуллерену металлсодержащего радикала меди, упрочненной хромистым чугуном, соединения четырехвалентного молибдена (IV), ультрадисперсных алмазов УДА (фиг. 4) уменьшает сродство этой молекулы к электрону и открывает огромные перспективы создания абсолютно нового класса токосъемных композиционных вставок с параметрами, изменяющими в широких пределах. При этом молекулы фуллерена выполняют роль основной цепи.
60
Присоединения к фуллеренам углерода металлосодержащих радикалов, входящих в материал токосъемного элемента, меди, упрочненной хромистым чугуном, соединений четырехвалентного молибдена (IV), ультрадисперсных алмазов УДА, образуют цепочки, которые получили образное название «нить жемчуга». Образование таких цепочек возможно только благодаря шунгиту, меди с растворенным в ней хромистым чугуном, соединений четырехвалентного молибдена (IV), ультрадисперсным алмазам УДА. Образование фуллеренами углерода таких цепочек обеспечивает высокую электропроводность материала токосъемного элемента и предельно низкий коэффициент трения и прочно удерживает плакированные медью гранулы графита, которые образовывают при трении на сопрягаемых поверхностях прочную разделительную пленку твердой смазки, резко снижающей коэффициент трения, что предотвращает схватывание и износ сопрягаемых поверхностей. Кроме того, при пропитке маслом с ультрадисперсными алмазами, масло попадает вовнутрь молекулы фуллерена углерода C и обеспечивает постоянный выход масла на поверхность трения в процессе всего срока эксплуатации элемента и резко снижает коэффициент трения (фиг. 1-2).
Введение шунгита менее 0,1% не оказывает заметного влияния на улучшение электрических и трибологических свойств в связи с недостаточным количеством образующихся «нитей жемчуга», а при введении более 22% смесь компонентов перестает уплотняться.
Введение в материал токосъемного элемента соединений четырехвалентного молибдена (IV) обусловлено свойствами этого материала. Соединения четырехвалентного молибдена (IV), присоединяясь к фулеренам углерода, располагаются вдоль образовавшихся «нитей жемчуга», благодаря пластическому строению, что значительно уменьшает коэффициент трения, увеличивает предельно допустимое давление, увеличивает предельно допустимые скорости скольжения, повышает допустимую величину произведения Р×V и резко повышает антифрикционные свойства материала. Экспериментально установлено, что уже при введении интеркаляционных соединений дисульфид молибдена в количестве 0,5 мас. % происходит значительное увеличение антифрикционных свойств материала. Экспериментально установлено, что уже при введении соединения четырехвалентного молибдена (IV) в количестве до 5 мас. % происходит значительное увеличение антифрикционных свойств материала. При введении в материал соединения четырехвалентного молибдена (IV) свыше 5 мас. %, наблюдается резкое разупрочнение материала и значительное снижение его антифрикционных свойств.
Введение непосредственно в материал токосъемного элемента ультрадисперсных алмазов УДА обеспечивает их встраивание в «нити жемчуга». Встраивание ультрадисперсных алмазов УДА в «нити жемчуга» обеспечивает, при пропитке материала маслом, притягивание капелек масла по всей поверхности этих нитей и их прочное удержание. Экспериментально установлено, что наиболее оптимальным является введение ультрадисперсных алмазов УДА в количестве 0,01-5,00 мас. %, что обеспечивает более полное покрытие и прочное удержание по всей поверхности «нити жемчуга» частиц масла, что обеспечивает постоянное нахождение масла в материале токосъемного элемента и резко снижает коэффициент трения. При введении ультрадисперсных алмазов УДА в количестве более 5,0 мас. % в материале токосъемного элемента появляются не покрытые маслом частицы ультрадисперсных алмазов УДА, что оказывает отрицательное влияние на трибологические характеристики материала.
Предложенный материал изготавливают следующим образом.
Гранулирование известным способом первой смеси порошков до размера гранул 0,4-2,0 мм осуществляют путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана и смешивания далее со второй смесью порошков, содержащих дополнительно порошки меди, легированной хромистым чугуном, шунгит, соединения четырехвалентного молибдена (IV), упрочняюще-легирующие компоненты, ультрадисперсные алмазы УДА, прокатывания шихты дозированными порциями между валками прокатного стана и спекания полученной шихты при температуре 900-1000°С в среде защитного газа, что позволяет получить в конечном результате материал токосъемного элемента с самосмазывающейся способностью, обладающий низким удельным сопротивлением, высокой электропроводностью, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, механической прочностью и обладающего способностью создавать на поверхности трения толстую разделительную пленку, предотвращающую износ контактирующих пар трения и значительно превышающим по трибологическим характеристикам известные современной науке материалы, что подтверждается данными, приведенными в таблице.
Результаты сравнительных испытаний по износу контактных проводов различными типами накладок.
Материал токосъемного элемента с несущим элементом с напеченным на нем слоем материала токосъемного элемента позволяет получить на поверхности материала, обладающего повышенной электропроводностью, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, механической прочностью, толстую разделительную пленку, предотвращающую износ контактирующих пар трения.
Медь и хромистый чугун расплавляют в плавильной электрической печи и затем распыляют на установке ударного дробления (УУД) с получением порошка следующего состава, в мас. %:
хромистый чугун
5,0-17,0
медь
остальное
смесь порошков меди и графита в количестве, мас.:
медь
37,0-60,0
графит
остальное
известным способом, пропускают между калиброванными валками прокатного стана для получения гранул размером 0,4-2,0 мм.
Порошки меди, упрочненные хромистым чугуном, шунгита, соединения четырехвалентного молибдена (IV), упрочняюще-легирующие компоненты и ультрадисперсных алмазов УДА добавляют во вторую смесь порошков. Эту смесь загружают в смеситель и производят сухое смешивание. Затем известным способом добавляют увлажнитель и производят мокрое смешивание.
Гранулы смешивают со второй смесью порошка, содержащей мас. %:
волокна углеродные
0,50-15,00
железо
10,91-26,25
графит
0,16-5,16
гранулы
2,00-24,00
упрочняюще-легирующие компоненты
0,50-5,40
соединения четырехвалентного молибдена (IV)
0,50-5,00
ультрадисперсные алмазы УДА
0,01-5,00
шунгит
0,10-22,00
медь с хромистым чугуном
остальное
при этом соотношение гранул и второй смеси порошков выбирают из известного способа 1:50-1:3.
Полученную шихту сначала формуют, прокатывая дозированными порциями между валками прокатного стана, а затем спекают при температуре 900-1100°С в проходной печи в среде защитного газа.
Для получения материала токосъемного элемента полученную шихту насыпают через дозатор на подготовленную по существующему способу поверхность стального листа из низкоуглеродистой стали необходимой формы толщиной 1-7 мм, прессуют и затем спекают при температуре 900-1000°С в проходной печи в среде защитного газа. При этом толщина рабочего слоя материала токосъемного элемента составляет 1,0-12,0 мм.
Затем полученный материал токосъемного элемента, известным способом, помещается в емкость для пропитки маслом с ультрадисперсными алмазами. Пропитка осуществляется в вакууме с подогревом до температуры интенсивного испарения масла.
Таким образом, полезная модель позволяет создать материал для токосъемных элементов, обладающий самосмазывающейся способностью, обладающий повышенной электропроводностью, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, механической прочностью и способный создавать на трущихся поверхностях толстую разделительную пленку, предотвращающую износ контактирующих пар трения.