материал для электрощеток и способ его получения

Формула изобретения

1. Материал для электрощеток, содержащий искусственный графит, элементный графит и полимерный компонент между частицами графита, отличающийся тем, что он дополнительно содержит прокаленный нефтяной кокс и кокс каменноугольного пека, а в качестве полимерного компонента содержит полимер фурфурилового спирта при следующем соотношении компонентов, мас.

Искусственный графит 55 70

Элементный графит 5 7

Прокаленный нефтяной кокс 15 20

Кокс каменноугольного пека 5 8

Полимер фурфурилового спирта 5 10

2. Способ получения материала для электрощеток, включающий изготовление шихты на основе искусственного графита, элементного графита и каменноугольного пека путем перемешивания компонентов, последующее формование из полученной смеси заготовок и обжиг с последующей пропиткой и термообработкой, отличающийся тем, что в шихту дополнительно вводят прокаленный нефтяной кокс, кокс каменноугольного пека, прессование и обжиг шихты проводят совместно при пропускании через нее электрического тока, а пропитку полученной заготовки осуществляют фурфуриловым спиртом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и касается материала для щеток электрических машин, полученного способом совмещенного прессования и обжига (СПО). Электрощетки из конечного материала могут быть использованы в коллекторах машин и в электротранспорте.

Известны электрощетки из углеродного материала на основе технического углерода (сажи) и связующего (каменноугольного пека) с антифрикционной добавкой (элементный графит) [1,2]

Электрощетки, выполненные из этих материалов, не обеспечивают требуемую износостойкость и не стабильны по физико-механическим показателям.

Наиболее близкими к изобретению являются материал для электрощеток, содержащий электрографит, графит и полимерный компонент между частицами графита, и способ его получения, включающий приготовление шихты на основе искусственного графита, элементного графита и каменноугольного пека путем перемешивания композитов, последующее формование из полученной смеси заготовок и обжиг [3]

Недостатком такого материала является сравнительно невысокая износостойкость при переменных нагрузках и повышенных скоростях скольжения с ограничением срока службы. Способ получения материала длителен (двухстадиен, присутствует трудоемкая операция вальцевание). Кроме того, не обеспечивается высокий выход годного, так как из-за внутренних напряжений (вследствие того, что связующим является термореактив фенолформальдегидная смола) образуются микротрещины.

Задачей изобретения является повышение износостойкости материала электрощеток и улучшение качества материала при сравнительно быстром способе его получения с высоким выходом годного.

Решение задачи обеспечивается за счет того, что в материал вводится прокаленный нефтяной кокс и кокс каменноугольного пека для повышения его твердости, прочности и износостойкости.

Получение материала способом СПО пропусканием через шихту электрического тока обеспечивает его однородную микроструктуру, с малым размером пор и повышает выход годных заготовок с высокой плотностью. В процессе СПО в микрообъемах заготовки на границах раздела между частицами углеродного наполнителя образуются микроэлектрические дуги, сопровождающиеся локальным повышением температуры. При этом происходит интенсивное расплавление связующего пека и пропитка легкоплавкими составляющими его частиц наполнителя. Совместное воздействие температуры и давления приводит к образованию тонких пленок связующего, обволакивающих наполнитель. Толщина этих пленок не превышает 40-50 мкм, тогда как при холодном прессовании пленка связующего достигает 80-120 мкм. Уменьшение толщины слоя связующего вызывает повышение прочности. Другим фактором, способствующим увеличению прочности изделий, является вовлечение в процесс формования структуры легколетучих компонентов пека. В процессах холодного формования с последующим спеканием эти компоненты успевают выделиться из объема заготовки. Относительный прирост плотности при СПО-процессе достигает 12-15%

Для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств материала электрощетки при способе его получения предусмотрена автоклавная пропитка материала фурфуриловым спиртом с последующей термообработкой. В результате этих технологических операций в межпоровом пространстве материала образуется твердый полимер фурфурилового спирта. Заявленное в формуле изобретения его массовое содержание определяется как способом получения (СПО), так и массовым содержанием остальных компонентов в материале и его пористостью.

Преимущество фурфурилового спирта перед другими органополимерами заключается в хорошей адгезии к углероду, химической стойкости, низкой вязкости, высоким выходом твердого полимера в процессе термообработки. Хорошая его смачиваемость позволяет проводить пропитку в автоклаве при сравнительно небольших давлениях (7-10 ати). При образовании полимера проходит процесс низкотемпературной поликонденсации, сопровождающийся выделением воды. При тепловых эффектах проходят термохимические превращения, сопровождающиеся газовыделением летучих продуктов. Поэтому при режиме термообработки материала электрощетки важны оптимальные параметры процесса с целью определения наиболее опасных температурных интервалов, в которых необходимо делать изотермические выдержки. Для определения интервалов максимального газовыделения был использован термогравиметрический анализ. Определено, что максимальный выход твердого полимера имеет место в температурном интервале 160-200^оС в области экзотермического эффекта [4]

П р и м е р. В смесильную машину дозируют каменноугольный пек марки "Г" (ТУ 14-6-84-7) с размером частиц не более 0,5 мм, графитированную фильтрованную пыль (ТУ 48-20-54-84) с размером частиц 63 мкм и прокаленный нефтяной кокс с размером частиц 90 мкм (ТУ 14-7-80-86). Затем, не останавливая машину, дозируют сухую смазку-элементный графит марки ГЭ-4 (ГОСТ 7478-75) и дополнительно перемешивают в течение 60 мин. Готовую шихту загружают в пресс-форму, футерованную огнеупорным электроизоляционным материалом, устанавливают на пресс горячего прессования и осуществляют СПО при давлении 300-600 кгс/см² и температуре 900-1100^оС с пропусканием электрического тока через шихту в течение 1,5-2 ч. При этом происходит коксование каменноугольного пека. Материал для электрощеток получают в виде заготовок диаметром до 230 мм и высотой до 200 мм. Полученную заготовку охлаждают до 300^оС под давлением, затем выпрессовывают и охлаждают до комнатной температуры на воздухе. После механической обработки полученные электрощетки загружают в автоклав, вакуумируют при остаточном давлении 10 мм рт.ст. в течение 1 ч. Затем пропитывают при давлении 10 атм в течение 2 ч фурфуриловым спиртом. Возможно использование в фурфуриловом спирте катализатора, позволяющего дольше хранить пропитывающий раствор. Наиболее предпочтителен "мягкий"катализатор 57%-ный водный раствор лимонной кислоты, позволяющий более плавно вести процесс термообработки и обеспечивающий наиболее длительную стабильность свойств.

Полученный материал термообрабатывают до температуры 180-200^оС со средней скоростью подъема температуры 5-7^оС/ч. Структура полученного материала равнопористая с малым размером пор (газопроницамость 1,5^.10^-5см²/с, прототип 1-5 ^.10^-3см²/с).

Конкретные примеры составов материала для изготовления электрощеток на заявленные и запредельные значения приведены в таблице.

Испытания проводили на машине торцового трения V=13 м/с и q=1 кгс/см² по меди. Как видно из таблицы отклонения от оптимального состава (композиции 10-13) приводят к увеличению износа и уменьшению выхода годного.

Предлагаемый материал имеет триботехнические характеристики в 2 раза выше по сравнению с прототипом. Использование СПО позволяет резко сократить время изготовления материала (с 4-5 мес до 150-300 ч) с одновременным повышением выхода годного материала.