ИЗНОСОСТОЙКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ ПЛАСТИН ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
WEAR-RESISTANT COMPOSITE POWDER MATERIAL ON COPPER BASE FOR CONTACT PLATES OF CURRENT COLLECTORS OF ELECTRIC STOCK

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам, изготовленным методами порошковой металлургии и предназначенным для изготовления контактных пластин токоприемников электроподвижного состава железнодорожного транспорта.
Основными требованиями, предъявляемыми к контактным пластинам, являются высокие механические и антифрикционные свойства, достаточная электропроводность, низкое переходное электросопротивление, эрозионная и коррозионная стойкость, недефицитность и относительно невысокая стоимость.
С учетом этих требований и тенденции увеличения скоростей движения железнодорожного транспорта до 200-250 км/ч наибольшее развитие получили работы по созданию композиционных материалов контактных пластин на медной основе для оснащения токоприемников электроподвижного состава железнодорожного транспорта, в основном, работающего на постоянном токе. Преимуществами их является высокая электро- и теплопроводность, достаточная прочность и износостойкость, незначительное изнашивание контактного провода и т.д., как показано в книге В.Я.Берента «Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта». М., Интекст, 2005, с.41-50, 193-194.
Так, в патенте Украины №42520, В60L, 5/08, БИ №9, 2001 г. показан композиционный материал на медной основе для токосъемных контактов, включающий: графит - 1,5-3,0 мас.%, хром - 0,2-2,0 мас.%, медь - остальное. Недостатком этого материала является незначительное содержание графита - до 3 мас.%. При эксплуатации контактных пластин из такого материала, особенно в осеннее-зимний период, наблюдается интенсивное вымывание твердой смазки - графита из очага контакта, антифрикционные свойства материала резко падают, наблюдается схватывание элементов контактирующей пары и повышение износа как контактного провода, так и контактной пластины.
Известен материал контактной пластины по патенту Украины №38036, B22F, 3/12, БИ №4, 2001 г., включающий: 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, остальное - медь [3]. Он обладает достаточными антифрикционными свойствами, но недостатком материала являются низкие механические свойства, это определяет ресурс работы таких пластин на уровне 20-25 тыс. км, что является недостаточным для обеспечения необходимой экономической эффективности при их эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому решению является износостойкий материал контактной пластины на медной основе, включающий: 1-5 мас.% графита, 3-15 мас.% олова, 0,5 мас.% свинца, 3-20 мас.% хрома, 0,1-0,25 мас.% фосфора, показанный в справочнике «Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения». Киев, Наукова думка, 1985, с.323.
Недостатком такого материала является наличие пористости до 10%, что приводит к низким механическим свойствам и недостаточной износостойкости, это определяет ресурс работы пластин на уровне 30-35 тыс. км, что является недостаточным для нормальной эксплуатации подвижного состава. Недостаточное суммарное количество твердой смазки - графита и свинца (1,5-5,5 мас.%) приводит к несплошности разделительной пленки твердой смазки на поверхностях контактной пары, а отсюда - к локальным задирам на поверхностях и повышенному износу контактной пары.
Кроме того, наличие в составе даже небольшого количества экологически вредного свинца (до 0,5%), при значительном количестве потребляемого материала, делает небезопасным процесс изготовления и эксплуатации контактных пластин.
Задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в разработке износостойкого композиционного порошкового материала контактных пластин на медной основе с повышенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, которые реализуются за счет создания износостойкой, жаростойкой, жаропрочной и антифрикционной медной матрицы материала пластины, в которой структура и основные ее характеристики определяются совокупным влиянием процессов дисперсного и твердеющего упрочнения.
Поставленная задача решается тем, что износостойкий, композиционный порошковый материал на медной основе, включающий олово, фосфор и графит, отличается тем, что он дополнительно содержит железо и чугун, который размещен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо - 0,5-10,0%, графит - 6,0-8,0%, олово - 0,5-7,0%, фосфор - 0,3-0,4%, чугун - 2,78-5,97, медь - остальное.
Композиционный материал, как показано в прототипе, имеет следующий состав, мас.%: 1-5% графита, 3-15% олова, 0,5% свинца, 3-20% хрома, 0,1-0,2% фосфора, остальное - медь.
Износостойкий композиционный порошковый материал, который предлагается, включает железо и чугун, который расположен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм в количестве 3-8 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 0,5-10,0% железа, 6,0-8,0% графита, 0,5-8,0% олова, 0,3-0,4% фосфора, 2,78-5,97% чугуна, остальное - медь.
Материал такого состава обладает улучшенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, что обеспечивает повышение ресурса работы контактных пластин, изготовленных из этого материала, до 80-100 тыс. км и улучшение условий эксплуатации подвижного состава за счет:
1. Создания на основе порошков меди, дисперсно-упрочненной ультратонкими частицами чугуна, износостойкой, жаростойкой и жаропрочной матрицы, что повышает температуру рекристаллизации матричного материала пластины с 270-300°С до 750-800°С и тем самым сдерживает разупрочнение материала вследствие повышенных температур, развивающихся при дуговых разрядах и трении, в результате этого все физико-механические свойства такого материала существенно повышаются и остаются стабильными при эксплуатации; кроме того, использование в качестве дисперсно-упрочняющих добавок чугунов, таких как, например, хромистый чугун Fe-Cr-C, характеризующихся ограниченной растворимостью железа и хрома в меди, позволяет создать материал, в котором матрица представляет собой частицы меди с высаженными на них частицами чугуна, и это дает возможность сочетания высокой электропроводности меди и высокой прочности и термостойкости чугуна, а при применении антифрикционных чугунов - и дополнительного увеличения антифрикционных свойств материала, что уменьшает и стабилизирует износ контактной пары провод - пластина. При введении добавки чугуна в медь в количестве менее 3% не обеспечивается необходимое упрочнение меди, а при введении свыше 8% образуются крупные включения, которые, обладая повышенной твердостью по отношению к меди, могут приводить к локальным задирам и повышенному износу провода. Размеры дисперсных включений чугуна в меди регулируются технологией изготовления и определяются тем, что размеры дисперсных включений чугуна менее 0,05 мкм лимитируются технологией изготовления, а более 11 мкм могут вызывать повышенный износ контактного провода;
2. Введения легирующих добавок олова и фосфора, которые, образуя твердые растворы в меди по механизму твердофазного упрочнения, повышают все физико-механические характеристики материала, кроме того, фосфор, образовывая фосфид меди, являющийся твердой смазкой, предотвращает образование ювенильных участков на поверхности трения пары контактный провод - контактная пластина, а следовательно, предотвращает задиры и другие 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, повышает электроэрозионную стойкость заявляемого 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 является наличие в составе материала меди, олова, графита и фосфора.
Отличительными признаками от прототипа является дополнительное введение железа и чугуна, который расположен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм в количестве 3-8 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо - 0,5-10,0, графит - 6,0-8,0, олово - 0,5-7,0, фосфор - 0,3-0,4, чугун - 2,78- 5,97, остальное - медь.
Указанные признаки являются существенными, так как они улучшают 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 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 твердости при повышенных температурах проводились методом отпечатка при использовании твердосплавного шарика Ø 10 мм, длительности выдержки под нагрузкой 10 с, 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
3
В объем графитового тигля индукционной плавильной печи вводят шихту, содержащую медь и чугун в количестве 3-8 мас.%. Шихту расплавляют и производят распыление дисперсно-упрочненного порошка медь-чугун, в котором дисперсионно-упрочняющей фазой является ультратонкие частицы чугуна со средним размером 0,05-11 мкм. Далее порошок железа - 0,5-10,0 мас.%, графита - 6,0-8,0 мас.%, олова - 0,5-7,0 мас.%, фосфора - 0,3-0,4 мас.% и порошок меди, дисперсионно-упрочненной чугуном, - 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 пресс-форму 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.
В ванну с жидкой медью погружают куски хромистого чугуна в количестве 5,5 мас.%. После нагрева расплава до температуры 1480°С расплав распыляют до получения дисперсно-упрочненного порошка медь-чугун, который затем высушивают.
3
Далее производят смешивание порошков в следующем соотношении: графит - 7,5 мас.%, олово - 3,5 мас.%, фосфор - 0,35 мас.%, железо - 5 мас.%, дисперсно-упрочненный порошок - 83,65 мас.%. Полученную смесь порошков прессуют для получения пористой заготовки, потом ее нагревают со скоростью 100°С/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 следующие: электросопротивление - 0,225 мкОм·см, предел прочности при изгибе - 262 МПа, твердость по Бринеллю при температуре 20°С - 766 МПа, а при температуре 800°С - 546 МПа, износ порошкового материала - 0,0014 мг/2,5 км, износ контртела - 0,0036 мг/2,5 км, коэффициент трения - 0,16.
Технические характеристики других материалов показаны в таблице.
Данные, приведенные в таблице, показывают, что создание износостойкой дисперсно-упрочненной матрицы в сочетании с легирующими элементами и твердой смазкой, подтвержденное достигнутыми показателями 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 материалов подтверждаются положительными результатами эксплуатационных испытаний контактных пластин токоприемников электровозов постоянного тока, проведенных на Октябрьской железной дороге Российской Федерации.