МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ КОНТАКТНОГО ТОКОСЪЕМА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MATERIAL FOR PRODUCING CONTACT CURRENT-COLLECTING ARTICLES AND METHOD OF PRODUCING SAID MATERIAL

Изобретение относится к материалам для изготовления из них изделий скользящего контактного токосъема, например для изготовления токосъемных вставок для железнодорожного и городского электротранспорта, токосъема подъемных транспортных устройств, электрических щеток, и технологиям их получения.
В патенте RU 2075805 раскрывается материал для изготовления токосъемных вставок и способ его изготовления.
Материал включает следующие компоненты, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное.
Способ изготовления материала включает совместный размол и смешение технического углерода, графита, кокса, углеродистого аэрогеля, отходов обожженного и графитированного углеродистого материала и связующего при следующем соотношении компонентов, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное, затем из полученной смеси формируют заготовку, которую термообрабатывают при 1200°C и графитируют при 2800°C. Из готового материала изготавливают токопроводящие, в т.ч. токосъемные, изделия.
Известное изобретение позволяет несколько уменьшить длительность цикла совместного размола, использовать не дорогостоящие компоненты и реализовать следующие преимущества: на 20-40% сокращается длительность подготовки пресс-композиции в вибромельнице; на 15-30% снижается коэффициент трения; в 1,3-1,6 раза уменьшается износ элементов при их эксплуатации; ликвидируются местные перегревы.
К недостаткам данного известного изобретения относятся относительно высокий уровень удельного электрического сопротивления вставок, обусловленный совместным размолом и измельчением всех составляющих пресс-массы, низкая дугостойкость, не позволяющая их применение для мощного и высокоскоростного железнодорожного транспорта, а также необходимость высокотемпературной обработки при 2800°C, значительно повышающей энергоемкость технологии.
Наиболее близкий материал для изготовления изделий контактного токосъема к предложенному и способ его изготовления раскрываются в патенте RU 2150444.
В соответствии с данным патентом материал содержит следующие компоненты, мас.%:
Частицы естественного графита
10-90
Коксовый остаток
5-20
Пиролитический углерод
6-70
Способ предусматривает смешение частиц графита и связующего, формирование путем прессования из готовой смеси заготовки и ее обжиг при 800-1100°C в течение 0,5-1,5 ч в условиях, обеспечивающих получения открытой пористости не менее 10% и последующее насыщение полученной пористой заготовки пироуглеродом.
Материал характеризуется следующими свойствами: предел прочности на сжатие 49 МПа, удельное электрическое сопротивлением 2,8 мкОм·м, интенсивность изнашивания вставки при трении с токосъемом - 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега, уменьшенный в 2-5 раз износ медного контртела, предельно допустимая линейная плотность электрического тока, выше которой начинается катастрофический износ материала и/или медного контртела - более 20 А/мм.
К недостаткам наиболее близкого технического решения относится относительно высокая интенсивность изнашивания при низких плотностях тока и при скольжении без тока.
Задачей изобретения является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.
Поставленная задача решается материалом для изготовления устройств контактного токосъема, включающим графит и коксовый остаток, в соответствии с которым он дополнительно содержит кокс и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Графит
5,0-30,0
Кокс
50,0-80,0
Железный порошок
0,5-1,5
Коксовый остаток
остальное.
Поставленная задача также решается способом изготовления данного материала, в соответствии с которым осуществляют смешение частиц графита, кокса, связующего и железного порошка, затем формируют из полученной смеси заготовку путем прессования с усилием 80-120 МПа и обжигают полученную заготовку при условиях, обеспечивающих карбонизацию связующего.
В частных воплощениях изобретения в качестве связующего используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Качественное и количественное соотношение компонентов материала выбрано из следующих соображений.
Кокс необходим для обеспечения собственной износостойкости и твердости материала. Превышение содержания кокса выше заявленных значений приводит к значительному увеличению удельного электрического сопротивления (УЭС), к повышенному износу контактного провода и к снижению дугостойкости электроконтактных вставок. Его содержание ниже заявленных значений приводит к снижению механических свойств материала и к увеличению интенсивности изнашивания изделий контактного токосъема.
Графит необходим для обеспечения достаточного удельного электрического сопротивления, самосмазывающих свойств, высокой дугостойкости. Его повышенное содержание приводит к снижению механических свойств вставки. Его пониженное содержание приводит к снижению дугостойкости и повышению удельного электрического сопротивления. Графит в примерах реализации использован природный, поскольку он привлекателен своей ценой, но может быть использован и искусственный графит.
Железный порошок необходим для обеспечения необходимой износостойкости вставки при повышенных значениях тока. Его повышенное содержание, выходящее за заявляемые пределы, приводит к повышенному износу контактного провода. Его пониженное содержание приводит к повышенному износу вставки при высоких значениях тока. При реализации изобретения может быть использован порошок. Под порошком понимается такое состояние вещества при котором твердое вещество, входящее в его состав, очень сильно измельчено, причем частицы этого вещества не соединены друг с другом, что позволяет придавать их скоплению произвольную форму.
Для достижения декларируемого технического результата важно присутствие всех заявляемых компонентов в заявленных соотношениях.
В качестве связующего может быть использован любой карбонизующийся материал с высоким коксовым остатком - нефтяные и каменноугольные пеки, фенолформальдегидные смолы, полиамидные смолы и пр.
Для некоторых воплощений изобретения наиболее привлекательным является использование высокотемпературных пеков. Использование таких пеков обеспечивает изобретению наиболее оптимальные условия получения материалов, работающих в условиях токоприемников с повышенной плотностью тока.
В других реализациях изобретения возможным является использование в качестве связующего термореактивных смол. В этом случае улучшаются механические характеристики материала, однако при этом несколько ухудшаются электрические свойства и выбор связующего зависит от конкретных условий эксплуатации.
Пример реализации изобретения.
Частицы графита, кокса, связующего - высокотемпературного каменноугольного пека и порошок железа смешивали в рассчитанных количествах в закрытом вращающемся барабане в течение двух часов со скоростью вращения 60 об/мин. Затем, путем прессования в стальной закрытой форме с усилием 80-120 МПа, формовали заготови, после чего заготовки подвергали карбонизирующему обжигу при температуре 1000-1100°С и нормальном атмосферном давлении.
Полученный материал подвергался испытаниям. Определяли его эксплуатационные свойства - износостойкость вставки и взаимодействующего с ней провода, твердость, удельное электрическое сопротивление, износостойкость под током.
Свойства материала в зависимости от состава приведены в таблице 1.
Как следует из представленных данных, материал показывает приемлемый уровень износостойкости при высоких плотностях тока и отличную интенсивность изнашивания при низких плотностях тока и при скольжении без тока, что позволяет использовать материал в производстве контактов как электровозов, так и электричек.
Необходимо отметить, что даже мощные электровозы, за исключением высокоскоростного транспорта, не потребляют повышенные токи постоянно, а только при разгоне и при подъемах. Остальное время они либо потребляют сравнительно небольшие токи, или движутся без потребления тока. Как правило, углеродные вставки с малым электрическим сопротивлением, приспособленные для потребления больших токов, обладают невысокими механическими свойствами. В этом случае они будут относительно быстро изнашиваться при потреблении малых токов и без тока. Наоборот, углеродные вставки с большим электрическим сопротивлением интенсивно изнашиваются при потреблении больших токов. Предлагаемые универсальные углеродные вставки одинаково надежно могут эксплуатироваться при любых токах без скачков в интенсивности изнашивания и без аварийных замен по износу.
Состав, мас.%
УЭС, мкОм·м
Твердость, HS
Интенсивность изнашивания, усл. ед.:
Кокс
Железный порошок
Графит
Кокс. остаток
Вставка
Провод
Вставка, при высоком токе
Вставка, при низком токе
Вставка, без тока
50
0,5
30
остальное
13
48
2,3
1
3,9
1,8
1,8
80
1
10
27
69
1,5
2,1
2,8
1,3
1,1
60
1,5
18,5
19
63
1,8
1,4
1,6
1,5
1,5
70
1
5
30
75
2
3,3
4,8
1,2
1
65
1
9
27
70
1,3
2,8
3,7
1,2
1
63
0,5
23,5
16
53
1
1,2
4,1
1,4
1,3