СПЕЧЁННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
SINTERED COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к составам композиционных материалов, содержащих антифрикционный наполнитель, получаемых методом порошковой металлургии и предназначенных для использования в качестве скользящих контактов, обеспечивающих подачу электрического тока с токонесущего медного провода на транспортное средство, например троллейбус. Материал может использоваться в сильноточных скользящих контактах городского электротранспорта.
К скользящим электроконтактам (токосъемникам) для транспорта типа троллейбусов и электропоездов, помимо требования высоких электропроводности и прочности, предъявляются повышенные требования по антифрикционным свойствам. Это обусловлено интенсивным изнашиванием рабочей части токосъемника в области, контактирующей с медным проводом, вследствие трения. Интенсивность изнашивания и, как следствие, срок службы определяют, в основном, антифрикционные и электротехнические свойства материала токосъемника, характеризуемые его износостойкостью и электропроводностью.
Для скользящих электрических контактов троллейбусов (вставки троллейбусные) в соответствии с современными требованиями износ медного провода в контакте со вставкой должен быть не более 40 км при 10000 проходов троллейбуса [Ивин К.В. Токосъем наземного городского транспорта. - М.: Издательство литературы по строительству, 1965, с. 112-128]. В связи с этим при значительной протяженности маршрутов троллейбусов в системе «ГОРЭЛЕКТРОТРАНС» города Санкт-Петербурга требуется большое количество вставок - не менее 200 тысяч штук в год. Поэтому, кроме указанных выше свойств материала вставки, существенную роль при выборе материала играет его стоимость.
Известен спеченный антифрикционный материал на основе железа (патент RU 2064519, С22С 1/05, опубл. 27.07.1996), содержащий, мас. %:
Графит
1-6
Пустотелые стеклянные микросферы или отходы
15,8-17,9
Медь
10-40
Железо
до 100
Присутствие в составе микросфер или отходов стекла при указанном соотношении компонентов позволило, по сравнению с известными на дату подачи заявки аналогичными составами, получить высокий уровень антифрикционных характеристик пары трения "вставка-медный провод". По сведениям авторов, интенсивность изнашивания вставки и медного провода снижаются более чем в 100 раз.
Однако указанное сочетание высоких антифрикционных свойств описанного материала на практике не подтверждается.
Кроме того, наличие в материале стекла способствует появлению царапин и задиров на медном (дорогом) проводе, а также пылевыделению в виде мелких стеклянных частиц, экологически вредных для окружающей среды. Вследствие указанных недостатков данный материал до настоящего времени не внедрен в производство вставок.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому материалу является известный спеченный композиционный материал на основе железа, применяемый для изготовления контактных вставок токоприемников троллейбусов [ТУ 37.311.002 - 96, прототип]. Материал содержит, мас. %:
Графит
2,0-2,5
Медь
24,8-25,2
Свинец
9,5-10,5
Железо
до 100
3
Такой материал вставок имеет удельное электрическое сопротивление не более 35 мкОм⋅м, твердость по Бринеллю не более 40 НВ, плотность не менее 6 г/см и разрушающее усилие не менее 5,0 кН.
Недостатком этого материала является сравнительно невысокая износостойкость и высокая стоимость из-за большого содержания меди.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - разработка спеченного композиционного материала на основе железа с высокими эксплуатационными характеристиками при относительно невысокой стоимости.
Технический эффект, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, - повышение уровня физико-механических и электротехнических свойств материала при снижении его стоимости.
Указанный эффект достигается тем, что спеченный композиционный материал, содержащий графит, медь и свинец, в отличие от известного дополнительно содержит олово, термореактивную смолу и полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Графит
2,9-3,5
Медь
18,0-22,0
Свинец
3,6-8,8
Олово
1,4-1,6,
Термореактивная смола
0,1-2,0
Полиэдральные многослойные углеродные
наноструктуры фуллероидного типа
0,005-0,2
Железо
до 100
Приведенная совокупность признаков, характеризующая заявленное изобретение, является новой, так как не известна из существующего уровня техники. Так же заявленное изобретение не следует явным образом из уровня техники, так как не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками.
Улучшение антифрикционных свойств заявленного материала обуславливает введение антифрикционного наполнителя, состоящего из термореактивой смолы с полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа.
Введение в состав материала небольшого количества олова повышает его твердость, прочность и износостойкость за счет эффекта жидкофазного спекания.
Снижение стоимости материала обусловлено снижением содержания меди.
Достижение указанного эффекта доказывают приведенные в таблице результаты, полученные на примерах конкретной реализации изобретения (примеры 1-6), в сравнении с прототипом (пример 8). Предложенный материал получают по известным в порошковой металлургии технологиям следующим образом.
Готовят смесь из порошка графита марки ГС-2 ГОСТ 8295;
медного порошка ПМС-1 ГОСТ 4960-2009;
свинцового порошка ПС-1 ГОСТ 16138-78;
оловянного порошка ПО-1 ГОСТ 9723-73;
железного порошка марки ПЖРВ2.200.26 ГОСТ 9849-86 (ТУ 14-1-5365-98).
Из полученной порошковой смеси при давлении 400 МПа прессуют заготовку образца, которую затем спекают в защитной среде (например, в диссоциированном аммиаке) в течение 2-х часов при температуре 1100-1120°C. После чего спеченную заготовку пропитывают раствором полиэдральных многослойных углеродных наноструктур фуллероидного типа в термореактивной смоле по методике, разработанной в ЗАО «НТЦ прикладных нанотехнологий» [ТУ 2166-001-13800624-2003. Суспензия на основе термопластической смолы с наноструктурами фуллероидного типа].
Пропитку осуществляют в указанном растворе в течение 30 минут в ультразвуковой ванне с ультразвуковым генератором УЗГ3-10. После пропитки заготовку высушивают на воздухе.
Полученные образцы испытывают на прочность при изгибе, износостойкость и электропроводность материала.
2
2
Износостойкость проверялась на специальной машине УМТ-1, созданной в Петербургском государственном университете путей сообщения (ПГУПС), совместно с «ГОРЭЛЕКТРОТРАНС» города Санкт-Петербурга. Испытания на износостойкость троллейбусной вставки из материала по изобретению и контртела (медный провод) проводились в условиях, приближенных к условиям эксплуатации троллейбуса: скорость скольжения образца вставки по медному проводу - 8 м/с, давление образца на медный повод - 1,5 кг/см, плотность тока - 75 А/см, сила тока – 12 А, время испытаний - 3 часа. Приведенные условия являются ускоренными по сравнению с условиями эксплуатации контактной системы троллейбуса [Ефремов И.С. и др. Технические средства городского электрического транспорта. - М.: Высшая школа, 1985, с. 448].
В таблице приведены составы композиций и физико-механические свойства заявляемого материала различного состава (примеры 1-6) и прототипа (пример 8).
Как видно из таблицы, по сравнению с прототипом (пример 8) износ вставки и контактного провода значительно ниже во всех вариантах состава заявленного материала.
При содержании компонентов выше (пример 5) или ниже (пример 4) заявленных пределов прочность и твердость образца ниже, а износ, как следствие, выше, чем в случаях содержания компонентов в заявленных пределах при работе как в сухой, так и во влажной атмосфере. При этом важно то, что износ токоведущего медного провода во всех вариантах заявляемого состава ниже, чем у прототипа.
Повышение износостойкости материала приводит к снижению расхода вставок при эксплуатации, что с учетом более низкой стоимости обеспечивает достижение существенного экономического эффекта.
Кроме того, электропроводность образца в контакте с медным проводом значительно выше, чем у прототипа. В результате, при использовании троллейбусной вставки из заявляемого материала уменьшаются потери электрической мощности в энергосистеме троллейбуса.
Таким образом, видно, что материал по изобретению обладает более высоким уровнем физико-механических и электротехнических свойств и имеет более низкую стоимость.
Из приведенных выше материалов очевидно, что заявляемое изобретение является промышленно применимым. В настоящее время ЗАО «Завод «Композит» (Санкт-Петербург, Россия) из материала по изобретению производит образцы электроконтактных вставок для опытной эксплуатации на троллейбусах в разных регионах России в различных климатических условиях. Опытная эксплуатация производится в условиях как сухого, так и влажного климата, а также при обледенении проводов. Полученные результаты подтверждают указанные преимущества материала по изобретению. По завершении опытной эксплуатации предполагается промышленный выпуск, в частности, троллейбусных вставок из такого материала.