ХОЛОДНОКАТАНЫЙ ПРОФИЛЬ ДЛЯ КОЛЛЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к полуфабрикатам электротехнического назначения, изготовляемым из меди и медных сплавов, к профилям для изготовления коллекторов электрических машин.
Известен рекомендованный ГОСТ 4134-75 холоднокатаный профиль для изготовления коллекторов электрических машин, имеющий в поперечном сечении вид равнобедренной трапеции, изготовленный из сплавов БрКд1 и БрМг0,3. Недостатками профиля являются повышенная стоимость, в которую входят издержки на обеспечение экологической безопасности производства сплавов, а также низкая стабильность свойств от партии к партии. Разброс свойств по обрабатываемости вынуждает перенастраивать оборудование при получении новой партии материала, разброс электрических свойств и износостойкости не позволяют уверенно гарантировать высокий ресурс электрических машин с коллекторами из этого профиля.
Наиболее близким к предложенному является экологически безопасный холоднокатаный профиль для коллекторов электрических машин имеющий в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции и изготовленный из сплава на основе меди, состав которого содержит олово, серебро, фосфор, отличающееся тем, что сплав содержит компоненты в следующем соотношении, %: олово 0,1-0,24 серебро 0,02-0,08, фосфор не более 0,015, примеси до 0,2, медь остальное (Патент РФ №2291910). Недостатком известного профиля является низкая технологичность изготовления, выражающаяся в высоком проценте заготовок, бракованных по химическому составу, или прокатанных профилей, бракованных по состоянию поверхностей профиля.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение технологичности холоднокатаного профиля для коллекторов электрических машин имеющего в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, точнее, в увеличении выхода профиля, годного как по точности размеров и состоянию поверхности, так и по свойствам, специфичным для коллекторов электрических машин: износостойкости, косвенно оцениваемой показателями твердости, относительного удлинения, временного сопротивления разрыву, а также электропроводности, свариваемости и спаиваемости.
Указанная задача решается тем, что в известном холоднокатаном профиле для коллекторов электрических машин, имеющим в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции угол между боковыми сторонами трапеции не превышает 8°, а содержание основных компонентов материала профиля находится в следующем соотношении:
олово
0,1-1,3
серебро
0,01-0,1
фосфор
до 0,03
примеси
до 0,2
медь
остальное.
Расширение интервала содержания основных элементов (олово, серебро, фосфор) в химическом составе меди марки ЭК, регламентированном ТУ 184480-106-196-2007, как показали исследования заявителя, не ухудшает технических характеристик (свойств) профиля, но, в то же время, снижает потери от брака по химическому составу и состоянию поверхности. Кроме того, создается возможность использования более широкого набора шихтовых материалов, что также повышает технологичность изделия.
Благодаря ограничению на угол между боковыми сторонами трапеции исключается брак по плени, трещинам, закатам, несмотря на повышенное по сравнению с прототипом содержание олова.
Расширение верхнего предела интервала содержания олова по сравнению с прототипом повышает технологичность профиля. Во-первых это создает возможность использовать в качестве шихты вторичные цветные металлы и сплавы (лом и отходы), например отходы сплавов БрОФ6,5-0,15, БрОФ7-0,2, БрОФ4-0,25, где олово находится в растворенном состоянии и не подвержено дополнительному окислению. Введение олова посредством использования указанных отходов позволяет достигать равномерного его содержания в расплаве и исключает брак по химическому составу сплава. Кроме того, снижается и стоимость материала профиля, поскольку средняя рыночная стоимость олова марки О1 - 850000 руб/т, стоимость лома и отходов сплава БрОФ на рынке вторичных цветных металлов - 238000 руб/т.
Во-вторых, упрощается и ускоряется процесс приготовления сплава за счет снижения требований к точности поддержания процентной доли олова в его составе.
Связанное с увеличением содержания олова изменение механических свойств конечного продукта (коллекторного профиля), как показали результаты многолетних эксплуатационных испытаний электрических машин, не сказывается на долговечности коллекторов из предложенного профиля. Косвенными показателями долговечности, по которым судят о качестве профиля, являются его твердость и относительное удлинение. Для предложенного профиля значение основного показателя - твердости (НВ) достигается постоянно (не менее 95 НВ), а относительное удлинение (δ%) незначительно снижается, но легко корректируется повышением температуры отжига на 10-15°C. С учетом заявленного ограничения на максимальный угол между сторонами трапеции профиля, предложенное изменение верхнего предела содержания олова не ухудшает обрабатываемости материала профиля.
При угле между сторонами трапеции профиля, равном 8° и содержании олова в пределах 0,24-1,3% количество бракованных, преимущественно по трещинам, профилей увеличивается на 10% по сравнению с изделиями с углом, не превышающим 4°, что и было принято за верхний предел значения угла.
Благодаря увеличению верхнего предела содержания фосфора до 0,03% повышается технологичность профиля за счет того, что достигается гарантированное раскисление расплава даже при использовании в качестве шихты медного лома класса A, III группы, 1 сорта согласно ГОСТ 1639, либо отходов меди не ниже марки M2 (ГОСТ 859). Возможность использования в качестве шихты лома и отходов меди существенно расширяет круг возможного сырья для сплава, то есть повышает его технологичность и удешевляет себестоимость производства коллекторных профилей.
Расширение интервала содержания серебра 0,01-0,1% (согласно прототипу 0,02-0,08%) также повышает технологичность профиля. Узкий диапазон концентрации (0,06%) данного элемента в соответствии с химическим составом прототипа, является причиной большого количества брака по несоответствию содержания серебра в сплаве. Исследования заявителя, проведенные как на образцах профиля, так и на опытных образцах электрических машин, с коллекторами из профиля с содержанием серебра 0,01-0,02 и 0,08-0,1% показало, что по своим электрическим и механическим свойствам такие профили не хуже профилей прототипа. При содержании серебра менее 0,01% снижается стабильность удельного сопротивления сплава, а при повышении содержания свыше 0,1% растут затраты на лигатуру. Поэтому указанные значения и были признаны пределами содержания. Расширение пределов снижает также количество слитков, забракованных по несоответствию содержания серебра, снижает безвозвратные потери, в том числе и серебра, в виде угара, то есть повышает технологичность профиля.
Настоящее техническое решение явилось результатом многолетних экспериментальных исследований и изучения опыта эксплуатации электрических машин с коллекторами из профиля, химический состав которого соответствует заявленным пределам. Эти исследования подтвердили возможность получения заявленного технического результата, то есть повышения технологичности профиля при сохранении всех основных свойств как профиля, так и коллекторов из него изготовленных.
Срок службы коллекторных пластин зависит не только от одного-двух главных факторов, например, твердости и электропроводности. Если бы это было так, то достаточно было бы предсказывать ресурс коллектора только по этим показателям и подбирать по ним соответствующий состав сплава. На самом деле, ресурс коллекторных пластин зависит от множества других трудноучитываемых факторов, включая технологию приготовления сплава. Поэтому единственным критерием качества данного профиля является только опыт практической эксплуатации электрической машины с коллектором из него.
Получение практически ценных эксплуатационных данных о влиянии содержания таких-то компонентов, было затруднено тем, что срок службы коллекторов весьма велик - до…(5) лет. Соответственно, экспериментальные данные могут быть получены не ранее этого срока. Велика и ответственность экспериментатора, который в случае преждевременного износа коллектора, означающего капитальный ремонт машины, должен нести гарантийные обязательства. Тем не менее, заявителем в течение многих лет такой опыт, подтверждающий достижение технического результата, был получен.