Материал для изготовления изделий контактного токосъема и способ его изготовления


 


Владельцы патента RU 2470898:

Гершман Иосиф Сергеевич (RU)
Пузиков Владимир Яковлевич (RU)

Изобретение относится к материалам для изготовления из них устройств контактного токосъема, в частности для изготовления токосъемных вставок для железнодорожного транспорта и городского электротранспорта и технологиям их получения. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости токосъемного материала при малых плотностях тока и в отсутствие тока. Материал для изготовления устройств контактного токосъема, включающий графит и коксовый остаток, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кокс и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит - 5,0-30,0; кокс - 50,0-80,0; железный порошок - 0,5-1,5; коксовый остаток - остальное. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к материалам для изготовления из них изделий скользящего контактного токосъема, например для изготовления токосъемных вставок для железнодорожного и городского электротранспорта, токосъема подъемных транспортных устройств, электрических щеток, и технологиям их получения.

В патенте RU 2075805 раскрывается материал для изготовления токосъемных вставок и способ его изготовления.

Материал включает следующие компоненты, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное.

Способ изготовления материала включает совместный размол и смешение технического углерода, графита, кокса, углеродистого аэрогеля, отходов обожженного и графитированного углеродистого материала и связующего при следующем соотношении компонентов, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное, затем из полученной смеси формируют заготовку, которую термообрабатывают при 1200°C и графитируют при 2800°C. Из готового материала изготавливают токопроводящие, в т.ч. токосъемные, изделия.

Известное изобретение позволяет несколько уменьшить длительность цикла совместного размола, использовать не дорогостоящие компоненты и реализовать следующие преимущества: на 20-40% сокращается длительность подготовки пресс-композиции в вибромельнице; на 15-30% снижается коэффициент трения; в 1,3-1,6 раза уменьшается износ элементов при их эксплуатации; ликвидируются местные перегревы.

К недостаткам данного известного изобретения относятся относительно высокий уровень удельного электрического сопротивления вставок, обусловленный совместным размолом и измельчением всех составляющих пресс-массы, низкая дугостойкость, не позволяющая их применение для мощного и высокоскоростного железнодорожного транспорта, а также необходимость высокотемпературной обработки при 2800°C, значительно повышающей энергоемкость технологии.

Наиболее близкий материал для изготовления изделий контактного токосъема к предложенному и способ его изготовления раскрываются в патенте RU 2150444.

В соответствии с данным патентом материал содержит следующие компоненты, мас.%:

Частицы естественного графита 10-90
Коксовый остаток 5-20
Пиролитический углерод 6-70

Способ предусматривает смешение частиц графита и связующего, формирование путем прессования из готовой смеси заготовки и ее обжиг при 800-1100°C в течение 0,5-1,5 ч в условиях, обеспечивающих получения открытой пористости не менее 10% и последующее насыщение полученной пористой заготовки пироуглеродом.

Материал характеризуется следующими свойствами: предел прочности на сжатие 49 МПа, удельное электрическое сопротивлением 2,8 мкОм·м, интенсивность изнашивания вставки при трении с токосъемом - 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега, уменьшенный в 2-5 раз износ медного контртела, предельно допустимая линейная плотность электрического тока, выше которой начинается катастрофический износ материала и/или медного контртела - более 20 А/мм.

К недостаткам наиболее близкого технического решения относится относительно высокая интенсивность изнашивания при низких плотностях тока и при скольжении без тока.

Задачей изобретения является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.

Поставленная задача решается материалом для изготовления устройств контактного токосъема, включающим графит и коксовый остаток, в соответствии с которым он дополнительно содержит кокс и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит 5,0-30,0
Кокс 50,0-80,0
Железный порошок 0,5-1,5
Коксовый остаток остальное.

Поставленная задача также решается способом изготовления данного материала, в соответствии с которым осуществляют смешение частиц графита, кокса, связующего и железного порошка, затем формируют из полученной смеси заготовку путем прессования с усилием 80-120 МПа и обжигают полученную заготовку при условиях, обеспечивающих карбонизацию связующего.

В частных воплощениях изобретения в качестве связующего используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Качественное и количественное соотношение компонентов материала выбрано из следующих соображений.

Кокс необходим для обеспечения собственной износостойкости и твердости материала. Превышение содержания кокса выше заявленных значений приводит к значительному увеличению удельного электрического сопротивления (УЭС), к повышенному износу контактного провода и к снижению дугостойкости электроконтактных вставок. Его содержание ниже заявленных значений приводит к снижению механических свойств материала и к увеличению интенсивности изнашивания изделий контактного токосъема.

Графит необходим для обеспечения достаточного удельного электрического сопротивления, самосмазывающих свойств, высокой дугостойкости. Его повышенное содержание приводит к снижению механических свойств вставки. Его пониженное содержание приводит к снижению дугостойкости и повышению удельного электрического сопротивления. Графит в примерах реализации использован природный, поскольку он привлекателен своей ценой, но может быть использован и искусственный графит.

Железный порошок необходим для обеспечения необходимой износостойкости вставки при повышенных значениях тока. Его повышенное содержание, выходящее за заявляемые пределы, приводит к повышенному износу контактного провода. Его пониженное содержание приводит к повышенному износу вставки при высоких значениях тока. При реализации изобретения может быть использован порошок. Под порошком понимается такое состояние вещества при котором твердое вещество, входящее в его состав, очень сильно измельчено, причем частицы этого вещества не соединены друг с другом, что позволяет придавать их скоплению произвольную форму.

Для достижения декларируемого технического результата важно присутствие всех заявляемых компонентов в заявленных соотношениях.

В качестве связующего может быть использован любой карбонизующийся материал с высоким коксовым остатком - нефтяные и каменноугольные пеки, фенолформальдегидные смолы, полиамидные смолы и пр.

Для некоторых воплощений изобретения наиболее привлекательным является использование высокотемпературных пеков. Использование таких пеков обеспечивает изобретению наиболее оптимальные условия получения материалов, работающих в условиях токоприемников с повышенной плотностью тока.

В других реализациях изобретения возможным является использование в качестве связующего термореактивных смол. В этом случае улучшаются механические характеристики материала, однако при этом несколько ухудшаются электрические свойства и выбор связующего зависит от конкретных условий эксплуатации.

Пример реализации изобретения.

Частицы графита, кокса, связующего - высокотемпературного каменноугольного пека и порошок железа смешивали в рассчитанных количествах в закрытом вращающемся барабане в течение двух часов со скоростью вращения 60 об/мин. Затем, путем прессования в стальной закрытой форме с усилием 80-120 МПа, формовали заготови, после чего заготовки подвергали карбонизирующему обжигу при температуре 1000-1100°С и нормальном атмосферном давлении.

Полученный материал подвергался испытаниям. Определяли его эксплуатационные свойства - износостойкость вставки и взаимодействующего с ней провода, твердость, удельное электрическое сопротивление, износостойкость под током.

Свойства материала в зависимости от состава приведены в таблице 1.

Как следует из представленных данных, материал показывает приемлемый уровень износостойкости при высоких плотностях тока и отличную интенсивность изнашивания при низких плотностях тока и при скольжении без тока, что позволяет использовать материал в производстве контактов как электровозов, так и электричек.

Необходимо отметить, что даже мощные электровозы, за исключением высокоскоростного транспорта, не потребляют повышенные токи постоянно, а только при разгоне и при подъемах. Остальное время они либо потребляют сравнительно небольшие токи, или движутся без потребления тока. Как правило, углеродные вставки с малым электрическим сопротивлением, приспособленные для потребления больших токов, обладают невысокими механическими свойствами. В этом случае они будут относительно быстро изнашиваться при потреблении малых токов и без тока. Наоборот, углеродные вставки с большим электрическим сопротивлением интенсивно изнашиваются при потреблении больших токов. Предлагаемые универсальные углеродные вставки одинаково надежно могут эксплуатироваться при любых токах без скачков в интенсивности изнашивания и без аварийных замен по износу.

Состав, мас.% УЭС, мкОм·м Твердость, HS Интенсивность изнашивания, усл. ед.:
Кокс Железный порошок Графит Кокс. остаток
Вставка Провод Вставка, при высоком токе Вставка, при низком токе Вставка, без тока
50 0,5 30 остальное 13 48 2,3 1 3,9 1,8 1,8
80 1 10 27 69 1,5 2,1 2,8 1,3 1,1
60 1,5 18,5 19 63 1,8 1,4 1,6 1,5 1,5
70 1 5 30 75 2 3,3 4,8 1,2 1
65 1 9 27 70 1,3 2,8 3,7 1,2 1
63 0,5 23,5 16 53 1 1,2 4,1 1,4 1,3

1. Материал для изготовления устройств контактного токосъема, включающий графит и коксовый остаток, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кокс и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Графит 5,0-30,0
Кокс 50,0-80,0
Железный порошок 0,5-1,5
Коксовый остаток Остальное

2. Способ изготовления материала по п.1, отличающийся тем, что осуществляют смешение частиц графита, кокса, связующего и железного порошка, формирование из полученной смеси заготовки путем прессования с усилием 80-120 МПа и последующий обжиг полученной заготовки при условиях, обеспечивающих карбонизацию связующего.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве связующего используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике.
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике.
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Изобретение относится к производству углеродных изделий и материалов и предназначено для защиты от окисления изделий, работающих в условиях окислительной среды при высоких температурах.
Изобретение относится к области получения алмазных композиционных материалов (композитов), состоящих из плотной массы кристаллов алмаза, связанных связующим материалом.

Изобретение относится к технологии получения графитированных материалов, в частности углеродных блоков, и может найти применение в печах электрометаллургии и оснастке к ним, аппаратах для химических производств, машиностроении, спецтехнике.

Изобретение относится к материалам для изготовления из них устройств контактного токосъема, в частности для изготовления токосъемных вставок для железнодорожного транспорта и городского электротранспорта, и к технологиям их получения.

Изобретение относится к области изготовления фрикционных изделий, в частности изделий для фрикционного торможения, таких как авиационные тормоза. .

Изобретение относится к области техники фрикционных материалов, например дисков фрикционного тормоза для летательных аппаратов. .

Изобретение относится к получению сверхтвердого материала, который содержит CVD-алмаз и который может быть использован при изготовлении инструмента для правки шлифовальных кругов, режущего, бурового инструмента и др.

Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред, в частности форсунок, тиглей, деталей тепловых узлов, высокотемпературных турбин и летательных аппаратов, испытывающих значительные механические нагрузки при эксплуатации

Изобретение относится к области КМ с углерод-керамической матрицей и предназначено для использования при изготовлении изделий, работающих в окислительных газовых потоках, в абразивосодержащих газовых и жидкостных потоках в нефтяной, металлургической, химической промышленности и авиастроении
Изобретение относится к связующим для производства фрикционных композиционных углерод-углеродных материалов, а также к технологии получения ФКУМ, выполненным из данного связующего, и может быть использовано, в частности, для получения тормозных дисков, применяющихся для авиа, железнодорожного и автомобильного транспорта

Изобретение относится к конструкционным материалам, работающим в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, которые могут быть использованы в химической, нефтехимической, металлургической промышленности и авиатехнике
Изобретение относится к технологии создания эрозионностойких углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и может быть использовано для изготовления элементов защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов
Изобретение относится к технологии получения изделий из мелкозернистого графита, используемого для производства углеродных и углеродсодержащих материалов, а также в качестве конструкционного материала для изделий различного назначения, в том числе работающих в условиях высоких температур, нейтронного облучения, эрозии, агрессивных сред и режимного трения
Изобретение относится к получению сверхтвердого композиционного материала на основе углерода, который может быть использован для изготовления инструментов для горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и в электротехнике. Во внутренней полости емкости 3 размещают водяную суспензию, содержащую, об.%: частицы кокса 4 с размерами 1-8 мкм - 50-70%; остальное - вода. В суспензию дополнительно вводят частицы окиси алюминия и/или окиси кремния с такими же размерами в количестве 1-10 об.%. На суспензию воздействуют переменным вращающимся магнитным полем напряженностью 5×104÷1×106 А/м и частотой 40-70 Гц, которое формируют рабочие элементы 1, выполненные в виде состыкованных между собой пластин из магнитопроводящего материала, образующих замкнутый прямоугольный контур. В теле составляющих контур отдельных деталей размещены три обмотки-катушки 2, каждая из которых соединена с соответствующей фазой внешнего трехфазного источника электрического питания. На верхнем торце емкости 3 установлена изолирующая крышка 8. На дне емкости 3 проложен заглушенный с торца патрубок 6, в стенках которого выполнены отверстия перфорации 7 для подачи в придонные слои струй сжатого воздуха под избыточным давлением 0,1÷0,6 кгс/см2, создающих «кипящий слой». Время обработки 6-20 минут. Изобретение позволяет получать различные композиционные материалы из дешевого и доступного сырья, снизить затраты, упростить конструкцию устройства и процесс за счет сокращения количества стадий. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 6 пр.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для получения конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды. На заготовке из пористого углеграфитового материала формируют шликерное покрытие на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего. Внутренние слои шликерного покрытия формируют на основе нитрида кремния, а наружные - на основе кремния или капсулированного в нитридкремниевой оболочке кремния. Силицируют заготовку путем нагрева до 1800°С в вакууме или при атмосферном давлении в аргоне, выдержки 1-2 ч при 1800-1850°С и охлаждения. Первый режим включает нагрев от 1000°С до температуры образования расплава кремния со скоростью 350-500 град/час; до 1650°С - со скоростью не менее 200-250 град/час и до 1800°С - со скоростью не менее 100-200 град/час. Второй режим включает нагрев от 1000°С до 1300-1400°С со скоростью 200-250 град/час, изотермическую выдержку в этом интервале 40-60 мин, нагрев до 1700°С со скоростью не менее 300-350 град/час и с 1700 до 1800°С - со скоростью не менее 100-200 град/час. В обоих режимах нагрев в интервале 1600-1650°С производят при давлении в реакторе не более 300 мм рт.ст., а нагрев в интервале 1650-1800°С, изотермическую выдержку при 1800-1850°С и охлаждение - при давлении в реакторе не более 36 мм рт.ст. Упрощается способ изготовления крупногабаритных изделий, повышается чистота их поверхности и прочность. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 29 пр.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для изготовления конструкционных материалов, подвергающихся воздействию агрессивных сред и механическим нагрузкам. Изготавливают заготовку из пористого углеграфитового материала, формируют на ней шликерное покрытие на основе композиции из силицирующего агента и временного связующего. В качестве силицирующего агента используют порошок нитрида кремния, а в качестве временного связующего по всей толщине или по крайней мере в наружном слое шликерного покрытия - жидкое стекло или кремнийорганическое силоксановое связующее. Затем проводят силицирование путем нагрева заготовки в вакууме до температуры 1800°С, выдержки в течение 1-2 часов при 1800-1850°С и охлаждения. При силицировании в насыщенных парах кремния давление в реакторе не более 35 мм рт.ст. и скорость нагрева в интервале 1350-1650°С не менее 300-350 град/час. При силицировании в ненасыщенных парах кремния поверх сформированного шликерного покрытия дополнительно формируют слой шликерного покрытия на основе порошка кремния и жидкого стекла или кремнийорганического силоксанового связующего. Упрощается способ изготовления крупногабаритных изделий из углерод-углеродного композиционного материала, обеспечивается высокая чистота их поверхности и высокая прочность.
Наверх