КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ КОНТАКТНОЙ ПЛАСТИНЫ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL OF CONTACT PLATE ON COPPER BASIS AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам и способам их изготовления методами порошковой металлургии, предназначенным для изготовления контактных элементов токоприемников электроподвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта.
Известен материал для изготовления контактных пластин марки ВЖЗП, применяемый для токоприемников электровозов, который нашел применение на железнодорожном транспорте и который описан в а.с. СССР №892495, БИ №47, 23.12.81 г. Эта пластина содержит в своем составе железо, медь, никель, свинец и олово. Недостатками этих пластин являются невозможность снятия больших токов из-за высокого электросопротивления материалов на железной основе, а также наличие в составе пластины до 30% экологически вредного в производстве и эксплуатации свинца.
Способ изготовления таких пластин, указанный в этом же а.с. №892495, БИ №47, 23.12.81 г., включает прокатку и спекание железомедного пористого каркаса с последующей пропиткой его свинцом.
Недостатками способа изготовления таких пластин являются неравномерность плотности пластины при прокатке, что приводит к существенной анизотропии ее механических свойств и к уменьшению ресурса работы пластин, а также невозможность получения при прокатке полос высотой более 7-8 мм, что также приводит к уменьшению ресурса работы пластины.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является пластина, показанная в декларационном патенте Украины №38036 А, БИ №4, 2001 г., изготовленная из материала следующего состава - 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, 61,5% меди. Недостатком этого материала являются его низкие механические и антифрикционные свойства, что, в свою очередь, определяет ресурс работы таких пластин на уровне 20-25 тыс.км и является недостаточным для обеспечения необходимой экономической эффективности при их эксплуатации.
Способ изготовления таких пластин, указанный в этом же декларационном патенте Украины №38036, БИ №4, 2001 г., включает операции смешивания порошков, прессования, нагрева и уплотнения порошковых заготовок пластин на медной основе.
Недостатком этого способа является невозможность получения этим способом контактных материалов и пластин из них с повышенными механическими и антифрикционными свойствами.
Задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в разработке композиционного материала контактной пластины на медной основе с повышенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, которые реализуются за счет создания износостойкого, жаростойкого, жаропрочного и антифрикционного материала пластины, в котором структура и основные характеристики определяются совокупным влиянием процессов дисперсионного упрочнения матричного материала (меди) различными тугоплавкими добавками и упрочнением этой же меди путем образования твердого раствора при легировании ее различными элементами, а также способа изготовления такого материала.
Поставленная задача решается тем, что композиционный материал контактной пластины на медной основе, включающий железо, графит и фосфор, отличающийся тем, что согласно изобретению по п.1 он дополнительно содержит серу и медь, взятую в дисперсно-упрочненном виде, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
графит
3,0-10,0
железо
7,0-10,0
фосфор
0,1-0,5
сера
0,1-0,8
дисперсно-упрочненная медь
остальное
В п.2 способ изготовления композиционного материала по п.1, включающий смешивание порошковых материалов, прессование из них пористой заготовки, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение, отличается тем, что перед смешиванием порошковых материалов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала.
Композиционный порошковый материал по п.1, как показано в прототипе, имеет следующий состав - 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, 61,5% меди.
Композиционный порошковый материал по п.1, который предлагается, имеет следующий состав, мас.%:
графит
3,0-10,0
железо
7,0-10,0
фосфор
0,1-0,5
сера
0,1-0,8
дисперсно-упрочненная медь
остальное
Материал такого состава обладает улучшенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, что обеспечивает повышение ресурса работы контактных пластин, изготовленных из этого материала, до 70-80,0 тыс.км и улучшение условий эксплуатации подвижного состава за счет:
1. Создания на основе дисперсно-упрочненной меди жаростойкой и жаропрочной матрицы, что повышает температуру рекристаллизации материала на медной основе с 270-300°С до 750-800°С и тем самым противодействует разупрочнению материала вследствие высоких температур, развивающихся при дуговых разрядах и трении при высоких скоростях движения, в результате этого все физико-механические и антифрикционные свойства такого материала остаются высокими и предельно стабильными на весь срок эксплуатации материала;
2. Введения легирующих добавок фосфора и серы, которые, образуя твердые растворы в меди, дополнительно упрочняют предлагаемый композиционный материал, кроме того, сера и фосфор, образовывая фосфиды и сульфиды меди, являющиеся твердыми смазками, предотвращают образование ювенильных участков на поверхности трения пары - контактный провод - контактная пластина, а следовательно, предотвращают повреждения материала при работе в условиях скользящего контакта;
3. Наличия железа, ограниченно растворимого в матричном материале (меди), а потому находящегося в ней в виде самостоятельной фазы с повышенной тугоплавкостью и дугостойкостью, что повышает электроэрозионную стойкость такого композиционного материала при воздействии электрических разрядов;
4. Введения в качестве твердой смазки графита, который, не взаимодействуя с медной матрицей, участвует в образовании политуры на рабочих поверхностях пары контактный провод - контактная пластина, что резко снижает коэффициент трения, предотвращает схватывание, повышает износостойкость.
Граничное содержание отдельных составляющих определялось экспериментально с изменением концентрации одного из элементов при неизменном содержании других при испытаниях на износ порошкового материала и сопряженного с ним медного контакта на машине трения МИ в режиме сухого трения при нагрузке 0,7 МПа.
Общими признаками изобретения и прототипа по п.1 является наличие в составе материала меди, железа, графита и фосфора.
Отличительными признаками от прототипа по п.1 является дополнительное введение серы и меди, взятой в дисперсно-упрочненном виде, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
графит
3,0-10,0
железо
7,0-10,0
фосфор
0,1-0,5
сера
0,1-0,8
дисперсно-упрочненная медь
остальное
Способ, показанный в прототипе, включающий операции смешивания отдельных компонентов, прессование порошковой смеси, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение, не позволяет получить материал пластины с достаточными для эксплуатации физико-механическими и антифрикционными свойствами вследствие отсутствия операций получения дисперсно-упрочненной меди и нагартовки уплотненного материала и, тем самым, не позволяет обеспечивать приемлемые для практики эксплуатационные требования и ресурс работы контактных пластин.
Способ изготовления композиционного материала, который предлагается, заключается в том, что перед смешиванием порошковых материалов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала. Операция получения дисперсно-упрочненного порошка меди при ее упрочнении тонкими включениями частиц тугоплавких соединений позволяет создать жаропрочную матрицу на медной основе. Операция нагартовки уплотненного материала дополнительно повышает прочностные характеристики такого композиционного материала и устраняет поверхностные дефекты получаемого материала, что уменьшает период его приработки и, соответственно, увеличивает ресурс работы материала.
Общими признаками изобретения и прототипа по п.2 является смешивание порошковых компонентов материала, прессование порошковой смеси, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение.
Отличительными признаками является то, что в способе изготовления материала перед смешиванием порошковых компонентов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала.
Указанные признаки по п.1 и п.2 являются существенными, так как они увеличивают физико-механические и антифрикционные характеристики материала, а сравнение заявляемого решения с другими известными техническими решениями в данной отрасли техники не позволило обнаружить в них признаки, похожие на заявляемое решение.
Критериями оценки предлагаемого материала и способа его изготовления являются физико-механические (электросопротивление, твердость при температурах 20 и 800°С, предел прочности при изгибе) и антифрикционные свойства (износ порошкового материала и медного контртела, коэффициент трения).
Определение электросопротивления проводили на универсальном измерительном приборе Р4833 ГОСТ 7165-89 по мостовой схеме, определение предела прочности при изгибе - на испытательной машине Р-05 ГОСТ 7855-85, испытания твердости при комнатной температуре и при повышенных температурах проводились на твердомере ТШ-2 ГОСТ 23677-79.
Испытания при повышенных температурах проводились методом отпечатка при использовании твердосплавного шарика диам. 10 мм, длительности выдержки под нагрузкой 10 сек, величине нагрузки 500 кг. Нагрев образца до температуры 800°С осуществлялся непосредственным пропусканием тока в камере в защитной среде - водороде. Триботехнические характеристики определялись на машине трения МИ ГОСТ 2576-89, при нагрузке 7,5 кг, скорости скольжения 6 м/с, на пути трения 2,5 км, материал контртела - нагартованный медный пруток с твердостью 130-140 НВ.
Суть изобретения заключается в следующем.
3
Смесь медного порошка и порошка дисперсно-упрочняющей добавки в количестве 0,3-4,5 мас.% совместно измельчают-смешивают в аттриторе в среде изопропилового спирта со стальными мелющими шарами, затем производят сушку и восстановление полученного порошка. Порошки железа - 7,0-10,0 мас.%, графита - 3,0-10,0 мас.%, фосфора - 0,1-0,5 мас.%, серы - 0,1-0,8 мас.% и полученный порошок дисперсно-упрочненной меди - остальное смешивают и прессуют для получения пористой заготовки. Затем пористую заготовку нагревают со скоростью 10-10°С/мин до температур не более 0,95 Тпл меди. Нагретую заготовку помещают в прессформу и уплотняют со скоростью 0,01-30 м/с при удельной энергии деформирования 200-1000 МДж/м. После уплотнения заготовку подвергают нагартовке под давлением 300 МПа.
Пример осуществления изобретения
3
Смесь порошков - 0,3 мас.% оксида алюминия и 99,7 мас% меди совместно смешивают и размалывают в аттриторе в среде изопропилового спирта со стальными мелющими шарами, взятыми в соотношении 1:8. Затем производят сушку смеси в сушильном шкафу при температуре 100°С, восстановление порошка в среде водорода при температуре 500°С. Далее производят смешивание порошков в следующем соотношении - 7,0 мас.% железа, 3,0 мас.% графита, 0,1 мас.% фосфора, 0,1 мас.% серы и 89,8 мас.% дисперсно-упрочненной меди. Полученную смесь порошков прессуют для получения пористой заготовки, потом ее нагревают со скоростью 100 град/мин и уплотняют со скоростью 10 м/с при удельной энергии деформирования 500 МДж/м, а затем нагартовывают под давлением 300 МПа.
Характеристики полученного материала были следующими: электросопротивление - 0,225 мкОм·см, предел прочности при изгибе - 258 МПа, твердость по Бринелю при температуре 20°С - 730 МПа, а при температуре 800°С - 490 МПа, износ порошкового материала - 0,0051 мг/2,5 км, износ контртела - 0,0089 мг/2,5 км, коэффициент трения - 0,25.
Технические характеристики других материалов полученных по данному способу показаны в таблице.
Данные, приведенные в таблице, показывают, что создание износостойкой и жаропрочной матрицы, что подтверждается значениями триботехнических свойств и твердости при температуре 800°С, позволяет получать электроконтактные материалы с повышенными по сравнению с прототипом физико-механическими и триботехническими свойствами.
Повышенные характеристики заявляемых пластин и способа их изготовления подтверждаются положительными результатами эксплуатационных испытаний контактных пластин токоприемников электровозов постоянного тока, проведенных на Октябрьской и Московской железных дорогах Российской федерации. Удельный износ контактных пластин составляет 0,7-0,8 мм на 10 тыс.км пробега электровоза, что обеспечивает ресурс пробега пластин более 50 тыс.км, что вполне удовлетворяет условиям эксплуатации.
Таблица
№ п/п
Состав материала, мас.%
Дисперсно-упрочняющая добавка в меди, мас.%
Физико-механические свойства
Триботехнические свойства
ρ, мкОм·см
σ<sub>из</sub>, МПа
Твердость, МПа
Iм, мГ/2,5 км
Iк, мГ/2,5 км
f
С
S
Р
Fe
Zn
дисп.-упрочн. Сu
Сu
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SiC
BN
20°С
800°С
1
2
0,05
0,05
5
-
92,9
-
0,2
-
-
0,200
190
670
420
0,0106
0,0690
0,44
2
3
0,1
0,1
7
-
89,8
-
0,3
-
-
0,225
258
730
490
0,0051
0,0089
0,25
3
6,5
0,45
0,3
8,5
-
84,25
-
-
2,25
0,220
260
740
505
0,0016
0,0038
0,25
4
10
0,8
0,5
10
-
78,7
-
-
-
4,5
0,230
270
745
495
0,0099
0,010
0,26
5
11
0,7
0,9
11
-
76,4
-
-
-
5,0
0,240
180
670
395
0,0120
0,071
0,36
6*
16,5
-
1,1
11
10
-
61,4
-
-
-
0,240
241
690
290
0,0158
0,082
0,31
*прототип