дисперсно-упрочненный композиционный материал для электроконтактных деталей

Формула изобретения

Дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий и углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Алюминий - 0,15-0,35

Углерод - 0,08-0,18

Оксид меди - 0,20-1,80

Медь - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей, работающих в условиях скольжения при электрическом контакте, преимущественно для сильноточных скользящих контактов, токоподводящих наконечников дуговой сварки и т.п.

Известны дисперсионно-твердеющие материалы (бронзы) для изготовления электроконтактных деталей на основе меди, содержащие кроме меди мелкодисперсные выделения хрома, циркония, никеля, титана, бериллия и других элементов или интерметаллидов на их основе [1]. Эти материалы обладают достаточно хорошими прочностными характеристиками и показателями электропроводности. Однако в условиях высокой температуры (500^oС и выше), возникающей при работе электроконтактных деталей, происходит рекристаллизация материала и резко снижается его электропроводность. Это обусловливает низкую стойкость электроконтактных деталей из дисперсионно-твердеющих бронз, работающих в условиях скольжения.

Известны также дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе меди, содержащие различные упрочняющие добавки [2], которые в готовом материале, как правило, представляют собой мелкодисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений, не взаимодействующих с медью и не растворяющихся в ней. Такие материалы выдерживают достаточно высокие температурные режимы, благодаря высокой температуре рекристаллизации.

Наиболее близким к заявляемому является дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди, применяемый для изготовления электроконтактных деталей, содержащий алюминий и углерод [3]. Его изготавливают с помощью размола порошковой смеси исходных компонентов в шаровой мельнице в воздушной среде и дальнейшей температурно-деформационной обработки продукта размола, во время которых происходит взаимодействие алюминия с кислородом воздуха, содержащимся в размольной камере мельницы, и углеродом с образованием ультрадисперсных частиц оксида и карбида алюминия, которые существенно увеличивают температуру рекристаллизации материала, а также его прочностные характеристики, например твердость, что положительно влияет на ресурс работы деталей, изготовленных из такого материала, в том числе электрических скользящих контактов.

Однако из-за недостатка кислорода, содержащегося в воздухе размольной камеры шаровой мельницы, образуется недостаточно оксида алюминия, а часть алюминия остается в -твердом растворе меди. Известный материал обладает недостаточными тепло- и электропроводностью и температурой рекристаллизации, а детали, работающие в условиях скольжения при электрическом контакте, изготовленные из такого материала, обладают недостаточным ресурсом работы.

Заявляемое изобретение решает задачу расширения ассортимента материалов, обладающих высокими показателями тепло- и электропроводности при одновременно высоких показателях ресурса работы и температуры рекристаллизации. Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение тепло- и электропроводности материала, температуры его рекристаллизации и ресурса работы электроконтактных деталей, изготовленных из этого материала по сравнению с прототипом, а также расширение ассортимента дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе меди для электроконтактных деталей.

Этот технический результат достигается тем, что дисперсно-упрочненный композиционный материал, содержащий медь, алюминий и углерод, дополнительно содержит оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий - 0,15-0,35

Углерод - 0,08-0,18

Оксид меди - 0,20-1,80

Медь - Остальное

Из уровня техники не известны аналоги, обладающие тождественной совокупностью признаков.

Заявляемый материал изготавливают из шихты, приготовленной смешиванием порошков алюминия (ГОСТ 5592-71), углерода в виде графита (ГОСТ 4404-78), оксида меди (ТУ 6-09-765-85) и меди (ГОСТ 4060-75), путем обработки шихты в шаровой мельнице на воздухе до получения гранул, последующего холодного компактирования их в брикеты и горячей экструзии брикета в пруток или профиль при температуре 700-800^oС. При обработке шихты в шаровой мельнице алюминий реагирует не только с кислородом воздуха, но и с кислородом, содержащимся в оксиде меди. При этом благодаря значительному количеству кислорода практически весь алюминий расходуется на образование его ультрадисперсного оксида и лишь незначительная его часть остается в -твердом растворе меди. Избыток оксида меди, отрицательно влияющего на тепло- и электропроводность материала, удаляется путем реакции между оксидом меди и углеродом с образованием чистой меди и газов СО и СO₂. Избыток углерода, который после обработки в составе исходной шихты в шаровой мельнице также представляет собой ультрадисперсные частицы, дополнительно упрочняет материал и играет роль сухой смазки, обеспечивая тем самым материалу противоадгезионные и антифрикционные свойства.

В соответствии с описанной технологией были изготовлены прутки заявленного материала с вышеуказанным содержанием компонентов, а также по технологии, описанной в [3], - прутки материала-прототипа (табл.1).

Все полученные прутки были подвергнуты анализам и испытаниям, результаты которых представлены в табл.2 и 3. Химический анализ материалов проводился по ГОСТ 15027.2-77. Рентгеноструктурный анализ материалов проводился по правилу Вегарда.

Из табл. 2 видно, что для материала-прототипа характерно содержание в свободном виде более половины вводимого в шихту алюминия в -твердом растворе меди, тогда как составы, изготовленные в соответствии с заявляемым изобретением, содержат его значительно меньше. Уменьшение доли алюминия в -твердом растворе меди приводит к увеличению доли упрочняющих частиц и повышению тепло- и электропроводности материала.

Температура рекристаллизации материалов определялась измерением их твердости после отжига в течение 2 ч как температура, при которой происходит падение твердости на 15%.

Электропроводность материалов определялась на основе ГОСТ 7229-76. Теплопроводность материалов определялась по методу продольного потока тепла.

Из табл.3 следует, что тепло- и электропроводность, а также температура рекристаллизации заявляемого материала значительно выше соответствующих значений материала-прототипа.

Для оценки износостойкости заявляемого материала и ресурса работы электроконтактных деталей из него при работе в условиях скольжения и коммутации больших удельных токов из заявляемого материала и материала-прототипа были изготовлены токоподводящие наконечники М10х40 мм для дуговой сварки плавящимся проволочным электродом в среде защитных газов. Токоподводящий наконечник представляет собой цилиндр с центральным отверстием, через которое подается в зону сварки плавящийся проволочный электрод. Поверхность отверстия наконечника и проволочный электрод образуют сильноточную скользящую контактную пару. Во время работы отверстие наконечника вследствие механического и электроэрозионного износа увеличивается и контакт между наконечником и проволочным электродом нарушается, что приводит к прекращению горения дуги между плавящимся проволочным электродом и свариваемым изделием.

Поэтому за критерий ресурса работы токоподводящих наконечников может быть выбрано время непрерывного горения дуги между плавящимся сварочным электродом и свариваемым изделием (табл.4).

Из табл. 4 следует, что токоподводящие наконечники из заявляемого материала обладают более высоким ресурсом работы, чем из материала-прототипа.

С целью оценки износостойкости заявляемого материала и ресурса работы электроконтактных деталей из него в условиях скольжения и коммутации больших удельных токов из заявляемого материала и материала-прототипа были изготовлены токосъемные пластины прямоугольного сечения 63,5х10,0 мм и длиной 575 мм, применяемые в скоростных электровозах для съема тока с контактного провода и его передачи к электроприводу электровоза.

Токосъемные пластины испытывались на износ на специальном стенде, имитирующем работу контактной пары "токосъемная пластина - контактный провод" пантографа электровоза.

Испытания проводились при токе силой 400 А и напряжением 100 В и скорости вращения диска с контактным проводом марки МФ 100 (ГОСТ 2583) сечением 1,0 см², изготовленным из медного сплава, 400 об/мин нажатием каретки на контактный провод с давлением 12 кг/см².

Испытания заканчивались, когда путь, пройденный контактным проводом относительно токосъемной пластины, составлял 30 000 км.

За критерий ресурса работы токосъемных пластин была выбрана относительная потеря их массы m (табл.5), рассчитанная по формуле:



где m₀ - измеренная взвешиванием масса токосъемной пластины до испытаний;

m_к - измеренная взвешиванием масса токосъемной пластины после испытаний.

Из табл.5 следует, что токосъемные пластины из заявляемого материала обладают более высоким ресурсом, чем из материала-прототипа.

Источники информации

1. Справочник по обработке цветных металлов и сплавов. А.П. Смирягин, Н. З. Днестровский, А. Д. Ландиков и др. /Под ред. Л.Е. Миллера. - М.: Металлургиздат, 1961, 872 с.

2. Е. П. Данелия, В.М. Розенберг. Внутреннеокисленные сплавы. - М.: Металлургия, 1978, 232 с.

3. Nr. 400580. Kupferwerkstoff elektrisch leitende Verschleissteile. Nr. 1341/91 vom 08.07.1993.