КОМПОЗИЦИОННЫЙ СПЕЧЕННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
COMPOSITE SINTERED IRON-BASED POWDER MATERIAL

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов для использования в электротранспортной технике, преимущественно в качестве контактных вставок городского электротранспорта (троллейбусов).
К контактным вставкам предъявляют жесткие и одновременно противоречивые требования. С одной стороны они должны обеспечивать в широком диапазоне высоких и низких температур (от +40°С и до -40°С и ниже) надежную работу в течение длительного периода времени, а с другой - минимальные износ медного контактного провода и разрушение спецчастей и стыков контактных проводов.
Наиболее распространенным материалом для вставок является углеграфитовые композиции (Купцов Ю.И. Увеличение срока службы контактного провода - М.: Транспорт, 1972. - С. 160.). Такие вставки хорошо работают в условиях высоких и средних температур. При низких температурах (ниже -20°С) и в условиях образования инея и льда износ вставок в 10-15 раз ниже нормативов.
Известен композиционный спеченный порошковый материал на основе железа, включающий компоненты в соотношении мас. %: медь 1-5, свинец 9-11, порошок графита карандашного (ГК-1) 2,5-3,5, железо остальное (см. ТУ 16-538.034-75. Вставки контактные троллейбусные).
Недостатком указанного материала является повышенный износ контактных троллейбусных вставок при эксплуатации в условиях низких температур (ниже -15…-20°С), высокой влажности, загазованности и запыленности (превышающих в 2-5 раз нормативные), что характерно для многих городов России, в том числе Сибири и Дальнего Востока. Кроме того, существенным недостатком этого материала является повышенные твердость и прочность материала вставок, приводящие к чрезмерному разрушению спецчастей (стрелок) и стыков проводов контактной сети
Известен спеченный порошковый материал на основе железа, содержащий медь - 30%, свинец - 15%, природный порошок Курейского графита - 3%, остальное железо (Карпов И.В, Ушаков А.В, Редькин В.Е. Изготовление металлокомпозиционных материалов на основе железа для скользящих контактов городского электротранспорта // Технология металлов. - 2006. - №5. - С. 24-27).
Недостатком указанного материала является повышенный расход цветных металлов, увеличенные коэффициент трения и износ пары трения «троллейбусная вставка - контактный провод», разрушение (выше нормативного) спецчастей (стрелок) и стыков проводов контактной сети в условиях весенне-летнего периода, высокой влажности, запыленности и загазованности атмосферы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание материала, обеспечивающего наименьший износ троллейбусных вставок и контактного провода в условиях зимнего периода, характеризуемого повышенной влажностью и низкими температурами (до -40°С и ниже) при наличие инея и льда на контактных проводах, и в условиях весенне-летнего периода при температуре до +40°С и выше, высокой запыленности и загазованности атмосферы.
Поставленная задача решается тем, что композиционный спеченный порошковый материал на основе железа содержит медь (10…15%), свинец (8…10%), природный недефицитный порошок графита, например, Курейский (3%), ультрадисперсный алмазографитовый порошок (0,1…0,2% от общей массы свинца), остальное - железный порошок, что приводит к улучшению антифрикционных и эксплуатационных характеристик при уменьшении в 2-3 раза дефицитных компонентов (меди и свинца).
пл
Преимущество заявляемого материала заключается в том, что введение в композицию в рекомендуемых пропорциях железа, меди и свинца, являющегося легкоплавким компонентом (Т=327°С), обеспечивает необходимую твердость и прочность матрицы троллейбусной вставки.
Использование ультрадисперсного алмазографитового порошка, (0,1…0,2% от массы свинца и средним размером первичных частиц 4-6 нм.), вводимого в шихту в месте со свинцом в качестве модификатора, способствует образованию в процессе спекания мелкокристаллической структуры (размеры зерен свинца уменьшаются в 2…3 раза) и, как следствие, увеличивает прочность и твердость свинца, являющегося наименее прочным компонентом предлагаемого материала. Ультрадисперсный алмазографитовый порошок (УДП-АГ по ТУ 40-2067910-01-91) получают из взрывчатых веществ с избыточным содержанием углерода по технологии, разработанной в России (А.с. 116007 СССР. Способ получения алмазов / Ставер A.M., Губарева Н.В., Лямкин А.И., Петров Е.А. - Заявлено 1.07.1982; Получение алмазов из взрывчатых веществ / Лямкин А.И., Петров Е.А., Ставер и др. // Доклады АН СССР. - 1988. - Т. 302. - №4. - А.И. С. 611-613.
Совместное использование природного порошка графита, например, Курейского (3%) и УДП-АГ (0,1…0,2% от массы свинца), приводит к улучшению антифрикционных свойств композиционного материала, износостойкость повышается в 1,5…2 раза и более, обеспечивается более длительный срок эксплуатации контактной сети и спецчастей в различных климатических условиях весенне-летнего и зимнего сезонов с колебанием температур до ±40°С и больше.
Для получения предлагаемого материала была использована технология, включающая операции приготовления шихты (смеси порошков), прессования и спекания. Шихту получают в следующей последовательности. На первом этапе приготавливают в смесителе однородную механическую смесь, включающую порошок свинца марки ПСА, ПС1 или ПС (по ГОСТ 16138-78) и ультрадисперсный алмазографитовый порошок УДП-АГ. Время смешивания в зависимости от объема навески - 0,5…1,0 час. На втором этапе полученную смесь смешивают в заданных пропорциях с порошками меди и железа. Время смешивания в зависимости от объема навески - 1,0…2,0 час.
Прессование заготовок (прессовок) в массовом производстве можно производить на механических пресс-автоматах с объемным дозированием, при серийном выпуске троллейбусных вставок - в разъемных пресс-формах. Давление прессования равняется 600…800 МПа.
Спекание рекомендуется производить в контейнере с защитной засыпкой из чугунной стружки при температуре 850°С по технологии, разработанной Гуревичем Ю.Г. и Казаковым А.В. (Гуревич Ю.Г, Казаков А.В. Спекание конструкционных деталей в стальных контейнерах // Сб.: Порошковая металлургия железа и карбидов. - Свердловск, - 1978 - С. 19-35), позволяющей существенно сократить энергозатраты. Продолжительность спекания - 2 часа. При 850°С не происходит образование жидкой фазы меди, спекание протекает за счет активизации диффузионных процессов и образования жидкой фазы свинца. Часть природного порошка графита (содержание углерода в Курейском графите может достигать 90…94%) при спекании взаимодействует с оксидами железа и меди, создает восстановительную среду внутри материала, в результате чего при температуре выше 650°С образуется монооксид углерода, являющийся хорошим восстановителем. Образующийся в процессе нагрева диоксид углерода создает в материале защитную атмосферу, защищая материал от внутреннего окисления.
Для улучшения трибологических характеристик троллейбусных вставок их рекомендуется пропитывать в ультразвуковой ванне в масляной алмазографитовой суспензии на основе индустриального масла И20А (Карпов И.В., Ушаков А.В., Редькин В.Е., Крушенко Г.Г. Ультразвуковая пропитка скользящих контактов смазочными материалами, модифицированными нанопорошками // Технология металлов. - 2010. - №11. - С. 17-19.).
Изготовленные вставки из предложенных материалов, включая составы с увеличенным и уменьшенным содержанием Cu, Pb, Fe, Курейского графита и УДП-АГ, подвергались лабораторным (стендовым) испытаниям. Лабораторные испытания вставки и контактной пары «вставка - контактный провод», проводились на машине для испытания материалов на трение и износ (патент на полезную модель №163180 РФ) и исследовательском стенде (патент на полезную модель №45827 РФ; Крушенко Г.Г., Редькин В.Е., Карпов И.В. и др. Испытательный стенд для определения износа пары «вставка контактная троллейбусная - контактный провод» // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2002. - №9. - С. 64-65). Износостойкость вставок из предложенных составов повышается в 1,5…2 раза, а износ контактного провода на 10000 проходов составил менее 0,05 мм, при допустимом по ТУ 16-538.034-75 0,11 мм. Износ вставок и контактных проводов с увеличенным и уменьшенным содержанием Cu, Pb, Fe, Курейского графита и УДП-АГ в материале оказались существенно выше.
Эксплуатационные испытания вставок, изготовленных из предложенных составов, проводились в Красноярске при различных климатических условиях с использованием маршрутного троллейбуса. Режим испытаний полностью соответствовал рабочим режимам. Было установлено, что такие троллейбусные вставки обеспечивают пробег троллейбуса до их смены в условиях и необразования при температуре -20…-30°С 400-500 км, в условиях выпадения осадков до 1800…2000 км, в сухую погоду пробег составляет не менее 2500 км, что больше нормативного в 1,2…1,5 раза.
Следующие примеры поясняют сущность изобретения.
Пример 1
Состав троллейбусных вставок:
Медь
10 мас. %
Свинец
10 мас. %
Природный порошок графита
3 мас. %
Ультрадисперсный алмазографитовый
порошок (УДП-АГ)
0,1 мас. % (от массы свинца)
Железо
остальное
Условия: Температура окружающей среды -20…-30°С. Туман. Инеобразование и лед на спецчастях.
Пробег (до смены вставки) - 420 км.
Пример 2
Состав троллейбусных вставок:
Медь
15 мас. %
Свинец
5 мас. %
Природный порошок графита
3 мас. %
Ультрадисперсный алмазографитовый
порошок (УДП-АГ)
0,2 мас. % (от массы свинца)
Железо
остальное
Условия: Температура окружающей среды +10…+18°С. Временами дождь.
Пробег (до смены вставки) - 2100 км.
Таким образом, лабораторные и стендовые испытания вставок из предложенных составов показали, что их износостойкость повышается в 1,5…2 раза, а износ контактного провода на 10000 проходов составил менее 0,05 мм, при допустимом по ТУ 16-538.034-75 0,11 мм. Эксплуатационные испытания вставок из предложенного материала показали, что обеспечивается пробег троллейбуса до их смены в условиях инеобразования при температуре -20…-30°С до 400…500 км, в условиях выпадения осадков до 1800…2000 км, в сухую погоду пробег составляет не менее 2500 км, что больше нормативного в 1,2…1,5 раза.