композиционный материал контактной пластины на медной основе и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Композиционный материал на медной основе для контактной пластины, содержащий железо, графит и фосфор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серу, а в качестве медной основы - дисперсноупрочненную медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

графит	3,0-10,0
железо	7,0-10,0
фосфор	0,1-0,5
сера	0,1-0,8
дисперсноупрочненная медь	остальное

2. Способ изготовления композиционного материала по п.1, включающий изготовление дисперсноупрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 мас.% дисперсноупрочняющей добавки, смешивание порошковых материалов, прессование из них пористой заготовки, нагрев спрессованной заготовки, ее уплотнение и нагартовку полученного материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам и способам их изготовления методами порошковой металлургии, предназначенным для изготовления контактных элементов токоприемников электроподвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта.

Известен материал для изготовления контактных пластин марки ВЖЗП, применяемый для токоприемников электровозов, который нашел применение на железнодорожном транспорте и который описан в а.с. СССР № 892495, БИ № 47, 23.12.81 г. Эта пластина содержит в своем составе железо, медь, никель, свинец и олово. Недостатками этих пластин являются невозможность снятия больших токов из-за высокого электросопротивления материалов на железной основе, а также наличие в составе пластины до 30% экологически вредного в производстве и эксплуатации свинца.

Способ изготовления таких пластин, указанный в этом же а.с. № 892495, БИ № 47, 23.12.81 г., включает прокатку и спекание железомедного пористого каркаса с последующей пропиткой его свинцом.

Недостатками способа изготовления таких пластин являются неравномерность плотности пластины при прокатке, что приводит к существенной анизотропии ее механических свойств и к уменьшению ресурса работы пластин, а также невозможность получения при прокатке полос высотой более 7-8 мм, что также приводит к уменьшению ресурса работы пластины.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является пластина, показанная в декларационном патенте Украины № 38036 А, БИ № 4, 2001 г., изготовленная из материала следующего состава - 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, 61,5% меди. Недостатком этого материала являются его низкие механические и антифрикционные свойства, что, в свою очередь, определяет ресурс работы таких пластин на уровне 20-25 тыс.км и является недостаточным для обеспечения необходимой экономической эффективности при их эксплуатации.

Способ изготовления таких пластин, указанный в этом же декларационном патенте Украины № 38036, БИ № 4, 2001 г., включает операции смешивания порошков, прессования, нагрева и уплотнения порошковых заготовок пластин на медной основе.

Недостатком этого способа является невозможность получения этим способом контактных материалов и пластин из них с повышенными механическими и антифрикционными свойствами.

Задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в разработке композиционного материала контактной пластины на медной основе с повышенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, которые реализуются за счет создания износостойкого, жаростойкого, жаропрочного и антифрикционного материала пластины, в котором структура и основные характеристики определяются совокупным влиянием процессов дисперсионного упрочнения матричного материала (меди) различными тугоплавкими добавками и упрочнением этой же меди путем образования твердого раствора при легировании ее различными элементами, а также способа изготовления такого материала.

Поставленная задача решается тем, что композиционный материал контактной пластины на медной основе, включающий железо, графит и фосфор, отличающийся тем, что согласно изобретению по п.1 он дополнительно содержит серу и медь, взятую в дисперсно-упрочненном виде, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

графит	3,0-10,0
железо	7,0-10,0
фосфор	0,1-0,5
сера	0,1-0,8
дисперсно-упрочненная медь	остальное

В п.2 способ изготовления композиционного материала по п.1, включающий смешивание порошковых материалов, прессование из них пористой заготовки, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение, отличается тем, что перед смешиванием порошковых материалов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала.

Композиционный порошковый материал по п.1, как показано в прототипе, имеет следующий состав - 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, 61,5% меди.

Композиционный порошковый материал по п.1, который предлагается, имеет следующий состав, мас.%:

графит	3,0-10,0
железо	7,0-10,0
фосфор	0,1-0,5
сера	0,1-0,8
дисперсно-упрочненная медь	остальное

Материал такого состава обладает улучшенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, что обеспечивает повышение ресурса работы контактных пластин, изготовленных из этого материала, до 70-80,0 тыс.км и улучшение условий эксплуатации подвижного состава за счет:

1. Создания на основе дисперсно-упрочненной меди жаростойкой и жаропрочной матрицы, что повышает температуру рекристаллизации материала на медной основе с 270-300°С до 750-800°С и тем самым противодействует разупрочнению материала вследствие высоких температур, развивающихся при дуговых разрядах и трении при высоких скоростях движения, в результате этого все физико-механические и антифрикционные свойства такого материала остаются высокими и предельно стабильными на весь срок эксплуатации материала;

2. Введения легирующих добавок фосфора и серы, которые, образуя твердые растворы в меди, дополнительно упрочняют предлагаемый композиционный материал, кроме того, сера и фосфор, образовывая фосфиды и сульфиды меди, являющиеся твердыми смазками, предотвращают образование ювенильных участков на поверхности трения пары - контактный провод - контактная пластина, а следовательно, предотвращают повреждения материала при работе в условиях скользящего контакта;

3. Наличия железа, ограниченно растворимого в матричном материале (меди), а потому находящегося в ней в виде самостоятельной фазы с повышенной тугоплавкостью и дугостойкостью, что повышает электроэрозионную стойкость такого композиционного материала при воздействии электрических разрядов;

4. Введения в качестве твердой смазки графита, который, не взаимодействуя с медной матрицей, участвует в образовании политуры на рабочих поверхностях пары контактный провод - контактная пластина, что резко снижает коэффициент трения, предотвращает схватывание, повышает износостойкость.

Граничное содержание отдельных составляющих определялось экспериментально с изменением концентрации одного из элементов при неизменном содержании других при испытаниях на износ порошкового материала и сопряженного с ним медного контакта на машине трения МИ в режиме сухого трения при нагрузке 0,7 МПа.

Общими признаками изобретения и прототипа по п.1 является наличие в составе материала меди, железа, графита и фосфора.

Отличительными признаками от прототипа по п.1 является дополнительное введение серы и меди, взятой в дисперсно-упрочненном виде, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

графит	3,0-10,0
железо	7,0-10,0
фосфор	0,1-0,5
сера	0,1-0,8
дисперсно-упрочненная медь	остальное

Способ, показанный в прототипе, включающий операции смешивания отдельных компонентов, прессование порошковой смеси, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение, не позволяет получить материал пластины с достаточными для эксплуатации физико-механическими и антифрикционными свойствами вследствие отсутствия операций получения дисперсно-упрочненной меди и нагартовки уплотненного материала и, тем самым, не позволяет обеспечивать приемлемые для практики эксплуатационные требования и ресурс работы контактных пластин.

Способ изготовления композиционного материала, который предлагается, заключается в том, что перед смешиванием порошковых материалов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала. Операция получения дисперсно-упрочненного порошка меди при ее упрочнении тонкими включениями частиц тугоплавких соединений позволяет создать жаропрочную матрицу на медной основе. Операция нагартовки уплотненного материала дополнительно повышает прочностные характеристики такого композиционного материала и устраняет поверхностные дефекты получаемого материала, что уменьшает период его приработки и, соответственно, увеличивает ресурс работы материала.

Общими признаками изобретения и прототипа по п.2 является смешивание порошковых компонентов материала, прессование порошковой смеси, нагрев спрессованной заготовки и ее уплотнение.

Отличительными признаками является то, что в способе изготовления материала перед смешиванием порошковых компонентов производят изготовление дисперсно-упрочненной меди, содержащей 0,3-4,5 массовых процентов дисперсно-упрочняющей добавки, а после уплотнения производят нагартовку материала.

Указанные признаки по п.1 и п.2 являются существенными, так как они увеличивают физико-механические и антифрикционные характеристики материала, а сравнение заявляемого решения с другими известными техническими решениями в данной отрасли техники не позволило обнаружить в них признаки, похожие на заявляемое решение.

Критериями оценки предлагаемого материала и способа его изготовления являются физико-механические (электросопротивление, твердость при температурах 20 и 800°С, предел прочности при изгибе) и антифрикционные свойства (износ порошкового материала и медного контртела, коэффициент трения).

Определение электросопротивления проводили на универсальном измерительном приборе Р4833 ГОСТ 7165-89 по мостовой схеме, определение предела прочности при изгибе - на испытательной машине Р-05 ГОСТ 7855-85, испытания твердости при комнатной температуре и при повышенных температурах проводились на твердомере ТШ-2 ГОСТ 23677-79.

Испытания при повышенных температурах проводились методом отпечатка при использовании твердосплавного шарика диам. 10 мм, длительности выдержки под нагрузкой 10 сек, величине нагрузки 500 кг. Нагрев образца до температуры 800°С осуществлялся непосредственным пропусканием тока в камере в защитной среде - водороде. Триботехнические характеристики определялись на машине трения МИ ГОСТ 2576-89, при нагрузке 7,5 кг, скорости скольжения 6 м/с, на пути трения 2,5 км, материал контртела - нагартованный медный пруток с твердостью 130-140 НВ.

Суть изобретения заключается в следующем.

Смесь медного порошка и порошка дисперсно-упрочняющей добавки в количестве 0,3-4,5 мас.% совместно измельчают-смешивают в аттриторе в среде изопропилового спирта со стальными мелющими шарами, затем производят сушку и восстановление полученного порошка. Порошки железа - 7,0-10,0 мас.%, графита - 3,0-10,0 мас.%, фосфора - 0,1-0,5 мас.%, серы - 0,1-0,8 мас.% и полученный порошок дисперсно-упрочненной меди - остальное смешивают и прессуют для получения пористой заготовки. Затем пористую заготовку нагревают со скоростью 10-10°С/мин до температур не более 0,95 Тпл меди. Нагретую заготовку помещают в прессформу и уплотняют со скоростью 0,01-30 м/с при удельной энергии деформирования 200-1000 МДж/м³. После уплотнения заготовку подвергают нагартовке под давлением 300 МПа.

Пример осуществления изобретения

Смесь порошков - 0,3 мас.% оксида алюминия и 99,7 мас% меди совместно смешивают и размалывают в аттриторе в среде изопропилового спирта со стальными мелющими шарами, взятыми в соотношении 1:8. Затем производят сушку смеси в сушильном шкафу при температуре 100°С, восстановление порошка в среде водорода при температуре 500°С. Далее производят смешивание порошков в следующем соотношении - 7,0 мас.% железа, 3,0 мас.% графита, 0,1 мас.% фосфора, 0,1 мас.% серы и 89,8 мас.% дисперсно-упрочненной меди. Полученную смесь порошков прессуют для получения пористой заготовки, потом ее нагревают со скоростью 100 град/мин и уплотняют со скоростью 10 м/с при удельной энергии деформирования 500 МДж/м³, а затем нагартовывают под давлением 300 МПа.

Характеристики полученного материала были следующими: электросопротивление - 0,225 мкОм·см, предел прочности при изгибе - 258 МПа, твердость по Бринелю при температуре 20°С - 730 МПа, а при температуре 800°С - 490 МПа, износ порошкового материала - 0,0051 мг/2,5 км, износ контртела - 0,0089 мг/2,5 км, коэффициент трения - 0,25.

Технические характеристики других материалов полученных по данному способу показаны в таблице.

Данные, приведенные в таблице, показывают, что создание износостойкой и жаропрочной матрицы, что подтверждается значениями триботехнических свойств и твердости при температуре 800°С, позволяет получать электроконтактные материалы с повышенными по сравнению с прототипом физико-механическими и триботехническими свойствами.

Повышенные характеристики заявляемых пластин и способа их изготовления подтверждаются положительными результатами эксплуатационных испытаний контактных пластин токоприемников электровозов постоянного тока, проведенных на Октябрьской и Московской железных дорогах Российской федерации. Удельный износ контактных пластин составляет 0,7-0,8 мм на 10 тыс.км пробега электровоза, что обеспечивает ресурс пробега пластин более 50 тыс.км, что вполне удовлетворяет условиям эксплуатации.

Таблица
№ п/п	Состав материала, мас.%	Дисперсно-упрочняющая добавка в меди, мас.%	Физико-механические свойства	Триботехнические свойства
, мкОм· см	из, МПа	Твердость, МПа	Iм, мГ/2,5 км	Iк, мГ/2,5 км	f
С	S	Р	Fe	Zn	дисп.-упрочн. Сu	Сu
Al 2O3	SiC	BN	20°С	800°С
1	2	0,05	0,05	5	-	92,9	-	0,2	-	-	0,200	190	670	420	0,0106	0,0690	0,44
2	3	0,1	0,1	7	-	89,8	-	0,3	-	-	0,225	258	730	490	0,0051	0,0089	0,25
3	6,5	0,45	0,3	8,5	-	84,25	-	-	2,25		0,220	260	740	505	0,0016	0,0038	0,25
4	10	0,8	0,5	10	-	78,7	-	-	-	4,5	0,230	270	745	495	0,0099	0,010	0,26
5	11	0,7	0,9	11	-	76,4	-	-	-	5,0	0,240	180	670	395	0,0120	0,071	0,36
6*	16,5	-	1,1	11	10	-	61,4	-	-	-	0,240	241	690	290	0,0158	0,082	0,31
*прототип