МАТЕРИАЛ ДЛЯ СИЛЬНОТОЧНОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРОКОНТАКТА
MATERIAL FOR HIGH-CURRENT SLIDING ELECTROCONTACT

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к антифрикционным материалам, применяемым для изготовления токосъемных щеток, в частности униполярных генераторов или токосъемных башмаков, контактирующих с рельсом.
2
Для работы в этих условиях необходимы высокая электропроводность, хорошие механические свойства и высокая стойкость к электрической эрозии при плотности тока более 100 А/см.
Известен спеченный материал на основе меди следующего состава (мас.%) [1]:
Графит
0.5-6
Олово
2-13
Никель
3-15
Свинец
2-8
Медь
остальное
Недостатками известного материала являются низкая механическая прочность и низкая износостойкость при повышенной шероховатости стального контртела, возникающей в результате электроэрозии.
Известен спеченный материал для контактных пластин токоприемников следующего состава, мас.% [2]:
Никель
1-10
Медь
5-30
Олово
1-5
Свинец
8-20
Нитрид бора
1-10
Железо
остальное
2
Недостатками этого материала являются низкая электропроводность, низкие механические свойства и высокая интенсивность изнашивания при плотности тока выше 100 А/см в условиях скольжения по контртелу с повышенной шероховатостью (Ra>0.63).
Наиболее близким по назначению, фазовому составу и достигаемому результату является композит, содержащий мас.%: графит - 8-18, медь - 8-20, железо - остальное [3].
2
Недостатками этого композита являются невысокие механические свойства, износостойкость и электропроводность, которые особенно проявятся при скольжении с плотностью тока более 100 А/см.
Задачей изобретения является разработка материала для сильноточного скользящего электроконтакта с повышенной износостойкостью в условиях сухого скользящего электроконтакта, увеличение механических свойств токосъемника при удовлетворительной электропроводности зоны трения.
Для достижения указанного технического эффекта предлагается композиционный материал, который содержит медь, графит, а в качестве основы дополнительно содержит частицы стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама подшипникового производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь
18-46
Графит
2-3
Переработанная сталь ШХ15
остальное
Сравнение с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый материал отличается от известного введением нового компонента, а именно стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама подшипникового производства, а также отсутствием тугоплавких (нитрид бора) и легкоплавких (олово, свинец) компонентов. Увеличение механических свойств происходит за счет образования матрично-наполненной структуры. Низкое удельное электросопротивление и невысокая пористость материала получены благодаря сочетанию протяженной медной матрицы и равномерно расположенных в ней частиц переработанной стали ШХ15, а также вследствие частичного заполнения медью частицы стали ШХ15, обладающей развитой внутренней пористостью микронного и субмикронного размера. Такая структура композита не имеет аналогов, т.к. композиция Cu-сталь ШХ15-графит представлена на двух масштабных уровнях - на уровне композита в целом (масштаб образца, т.е. более 1 мм) и на уровне частицы стали ШХ15 (масштаб частицы, т.е. менее 100 мкм). Увеличение износостойкости происходит вследствие релаксации деформации материала зоны трения путем фазового превращения. Поверхностный слой в этом случае обладает свойствами вязкой жидкости и может деформироваться без накопления структурных дефектов с удовлетворительной пластичностью, позволяющей формировать достаточно большую общую площадь фактического контакта. Последний фактор определяет невысокое электросопротивление зоны трения.
Введение меди более 46% уменьшает твердость и износостойкость, а также увеличивает коэффициент трения. Содержание меди менее 18% приводит к повышению хрупкости, уменьшению теплопроводности и электропроводности трибоконтакта. Введение графита способствует процессам прессования и спекания, улучшает триботехнические характеристики контакта. Содержание графита менее 2% увеличивает коэффициент трения и повышает адгезию к контртелу, а более 3% приводит к уменьшению прочности и электропроводности трибосистемы в целом.
Пример.
Порошки компонентов смешиваются в вибромельнице в течение 2 часов. Высушенную порошковую смесь помещают в стальную пресс-форму с верхним и нижним пуансонами и прессуют при комнатной температуре с давлением 550 МПа. Прессованные брикеты спекают при температуре 1080-1100°С в вакууме.
Металлографическое исследование показало, что композиты имеют матрично-наполненную структуру. Удельное электросопротивление, пористость и механические свойства определены по стандартным методикам.
Предельно достижимая плотность тока и соответствующая интенсивность изнашивания, электросопротивление контакта, коэффициент трения, пористость, удельное электросопротивление, твердость и предел прочности при изгибе спеченных композитов на основе переработанной стали ШХ15 представлены в таблице.
Интенсивность изнашивания Ih определена по отношению Ih=h/L, где h - изменение высоты образца вследствие изнашивания, L - путь трения (36 км). Считается, что режим катастрофического изнашивания реализуется при Ih~100 мкм/км. Предельная достижимая плотность тока jk, электросопротивление зоны трения Rк и соответствующая интенсивность изнашивания представлены в таблице. Скольжение с токосъемом проведено со скоростью 5 м/с по контртелу из стали 45 (50 HRC) с шероховатостью 1.25.
Источники информации
1. Пат. Японии 48-20963. Износостойкий спеченный сплав на основе меди, опубл. 25.06.73.
2. А.с. 465439, С22С 33/02, Н01Н 1/02, опубл. 30.03.1975.
3. RU 2126457, С22С 33/02, B60L 5/08, Н01Н 1/02, опубл. 20.02 1999.
Таблица
Сu
ШХ15
С
j<sub>к </sub>А/см<sup>2</sup>
I<sub>h</sub>, мкм/км
R<sub>к</sub>
f
П,
ρ,
НВ,
σ<sub>и,</sub>
Ом
%
Ом*м
МПа
МПа
1
22
76
2
170
96
0.11
0.24
9
0.15
1700
-
2
18
79
3
250
86
0.13
0.21
16
0.25
2190
1163
3
24
73
3
310
62
0.063
0.23
11
0.21
2050
905
4
46
51
3
170
78
0.058
0.27
18
0.17
820
221