Способ изготовления токопроводящих контактных вставок


 


Владельцы патента RU 2623292:

Кобзарь Роман Владимирович (RU)

Изобретение относится к токоприёмникам для линий энергоснабжения транспортных средств с электротягой. Способ изготовления токопроводящих контактных вставок включает смешивание связующего и наполнителя, прессование изделий из полученной смеси, их термическую обработку. Связующее готовится предварительно в шаровой мельнице и включает следующие компоненты: уротропин, смола, стеарат металла и оксидов металла. Смешивание связующего с наполнителем производится в вибромельнице, где в качестве наполнителя используют графит, кокс, модифицированный терморасширенный и окисленный графит, металлические порошки. При этом гомогенизацию компонентов проводят при температуре 140-170°C. Прессование проводят при температуре 140-170°C, удельном давлении 300-600 кгс/см2 с выдержкой 2-4 мин и последующую термообработку при температуре до 700-900°C. Технический результат изобретения заключается в том, что повышаются эксплуатационные характеристики контактных вставок. 14 пр.

 

Изобретение относится к области производства устройств для контактного токосъема и может быть использовано в электротехнике при производстве контактных вставок для электровозов, трамваев, троллейбусов и метропоездов, а также в электротехнических изделиях бытового назначения.

При изготовлении изделий из углеродных материалов в качестве наполнителя обычно используют искусственный графит - отходы механической обработки электродного производства, а в качестве связующего - фенолформальдегидную новолачную смолу. На фирме «Графитопласт» технологический процесс получения токосъемных изделий включает следующие основные операции: измельчение графита и его гомогенизацию с порошком связки в вибрационной мельнице, прессование полученной графитопластовой смеси в нагретой матрице пресс-формы с выдержкой после прессования и термическую обработку.

Известный способ изготовления контактных вставок (патент РФ №2267411) осуществляется следующим образом. Углеродистый наполнитель (графит 75-85%) и сухое связующее (фенолформальдегидная смола - 15-25%) смешивают, помещают в пресс-формы. Прессование ведут при температуре 150-170°C, удельном давлении 300-400 кгс/см2 с выдержкой изделий под давлением в течение 3-5 минут. Затем вынимают изделия из пресс-форм, помещают их в специальные термокамеры и подвергают обработке. Для этого производят в течение 30-50 мин быстрый нагрев изделий до 80-100°C, а затем медленный нагрев до 150-200°C с убывающей скоростью в течение 2,5-3 часов и выдерживают при этой температуре до 1,5 часов. Охлаждают вместе с термокамерой путем естественного остывания.

К недостаткам данного способа следует отнести высокий уровень содержания летучих компонентов, которые играют отрицательную роль при прессовании и термообработке, образуя дефекты и внутренние перенапряжения. Проведение смешения компонентов в одном смесителе не обеспечивает поэтапного модифицирования смеси, что приводит к неоднородности состава, за счет недостаточно полного взаимодействия модифицирующих добавок с наполнителем и связующим. Быстрый нагрев в термокамере до 80°C может привести к быстрому выходу летучих компонентов и влаги, что способствует образованию трещин и рыхлости структуры. Конечная температура в 200°C повышает физико-механические показатели за счет полной полимеризации связующего, но при этом ухудшает электрические свойства материала, что приводит к дугообразованию, перегреву и микровзрывам в композиционном материале и как результат - быстрому износу токосъемной вставки.

Известен способ, описанный в патенте РФ №2510339, согласно которому изготовление контактной вставки осуществляют смешением частиц графита, кокса, коксового остатка, железного порошка и связующего, в качестве которого используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек. Из полученной смеси формуют заготовки и подвергают обжигу при условиях, обеспечивающих карбонизацию связующего с получением коксового остатка, содержащего не менее 10% по объему сквозных пор, с последующей пропиткой связующим. Пропитку связующим осуществляют под давлением от 40 МПа до 50 МПа в защитной атмосфере. Проводят повторный обжиг и механическую обработку заготовки для придания требуемой формы.

Недостатками данного способа являются: сложность реализации, большие технологические затраты, экологическая нагрузка на природу и окружающее пространство и, несомненно, высокая себестоимость изделия. Также следует учесть то, что порошок железа при реализации данной технологии переходит в инертное оксидное состояние в процессе карбонизации пека, сопровождающееся выделением большого количества окисляющих летучих компонентов, что приводит к потерям порошка железа как активного компонента смеси. Применение большого количества кокса и порошка железа приводит к быстрому износу контактной сети. При этом работоспособность токосъемной вставки сохраняется, но возрастают дополнительные затраты на обслуживание контактной сети, превышающие просто замену вставки.

В рассмотренных выше способах главным недостатком является отсутствие возможности поэтапного модифицирования отдельных компонентов, что позволило бы целенаправленно и экономически обоснованно добиваться требуемых параметров и характеристик. Также в предложенных способах отсутствует стадия горячей гомогенизации, при которой происходит наибольшее удаление летучих компонентов и пластификация композиционного материала.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа изготовления токопроводящих контактных вставок, позволяющего повысить основные эксплуатационные характеристики токопроводящих контактных вставок: электропроводность, механическую прочность, стойкость к дугообразованию и истиранию, за счет чего позволяет обеспечить высокую надежность и долговечность изделий.

Поставленная задача решается с помощью предложенного способа изготовления токопроводящих контактных вставок, включающего следующие операции: смешивание связующего и графитового наполнителя, прессование изделий из полученной смеси, их термическую обработку. При этом связующее готовится предварительно в шаровой мельнице и включает следующие компоненты: уротропин, смола, стеарат металла (железа, цинка, никеля, хрома) и оксидов металла. Смешение связующего с наполнителем производится в вибромельнице, где в качестве наполнителя используют графит, кокс, модифицированный терморасширенный и окисленный графит, металлические порошки (меди, цинка, бронзы, никеля, железа), при этом гомогенизацию компонентов проводят при температуре 140-170°C, а прессование - при температуре 140-170°C, удельном давлении 300-600 кгс/см2 с выдержкой 2-4 мин и последующую термообработку при температуре до 700-900°C.

Предварительное смешивание связующего производится в шаровой мельнице со стальными шарами, позволяющей получать однородную мелкодисперсную смесь. На этой стадии производится необходимая модификация связующего, приводящая к улучшению эксплуатационных свойств материала. В качестве модификаторов связующего (фенолоформальдегидной смолы) используются оксиды металлов щелочного и щелочно-земельного типа, а также оксиды благородных металлов, оксиды хрома, железа, никеля, меди. Введение оксидов металлов обусловлено реакционной способностью вещества реагировать по гидроксильной группе. Эта реакция служит дополнительной сшивкой для полимерной матрицы, тем самым упрочняя ее, повышая плотность материала, стабильность при термообработке. Изделия, в которых применяется такое модифицированное связующее, отличаются повышенной стойкостью к кислороду воздуха при нагреве, химической стойкостью, делая графитопластовый материал более стойким к кислотам и щелочам.

Использование в составе связующего стеарата металла (железа, цинка, никеля, хрома) в качестве пластификатора и смазки позволяет получать смесь более плотного состава. При стабилизирующей термообработке (до 200°C) стеарат металла служит гидрофобной добавкой, улучшая контактное трение, при этом не ухудшая электрических свойств. При высокотемпературной термообработке (700-900°C) стеарат металла разлагается с получением наноразмерного активного металла, распределенного по всей поверхности. В совокупности модифицирующие добавки дополняют друг друга и позволяют получать изделия на основе фенолоформальдегидной смолы, превосходящие по своим показателям существующие аналоги, такие как токосъемные вставки для электроподвижного и городского транспорта, анодные заземлители типа ЭГТ, футеровочную плитку или химическую посуду.

При смешении связующего с наполнителем в вибромельнице материал приобретает повышенную однородность за счет взаимопроникновения компонентов друг в друга. На выходе получается мелкодисперсный порошок со средними размерами частиц 10-20 мкм. В качестве наполнителя в смесь добавляется кокс, графит, модифицированный терморасширенный и окисленный графит, металлический порошок. Введение таких компонентов волокнистого типа армирует полимерную структуру, увеличивая электропроводность, механическую прочность, стойкость к дугообразованию и истиранию, что является наиболее важным для электротехнических изделий и токосъемных материалов, а наличие небольшого количества металлических порошков позволяет повысить трибологические характеристики графита. За счет карбонизации из смолы в качестве летучих выделяется водород, который служит восстановителем для оксидов металлов, образующихся на ранних стадиях термообработки.

Процесс гомогенизации смеси при температуре 140-170°C позволяет удалить ненужные летучие компоненты из материала и обеспечить первичную полимеризацию. Это облегчает дальнейший процесс прессования и полимеризации смеси, что повышает технологичность производства. Гомогенизацию можно проводить как с помощью вальцев, так и экструдера.

Прессование производится на вертикальном гидравлическом прессе с удельным давлением 300-600 кгс/см2, температурой 140-170°C и временем выдержки под давлением и температурой 2-4 мин. За это время происходят все реакции поликонденсации и застывание смеси. В отличие от прототипа в предлагаемом способе сокращается время выдержки под давлением за счет дополнительного отверждения оксидами металлов и уплотнения стеарата металла. Это позволяет повысить производительность выпуска изделий, что приводит к увеличению прибыли при одинаковых трудозатратах.

Термообработка производится в защитной засыпке коксового типа до температуры 700-900°C, при этом происходит полное удаление всех летучих компонентов, удаление водорода из полимерной матрицы, циклизация структуры и активация модифицирующих добавок, что позволяет получить изделия с высокой электропроводностью, стойкостью к кислороду воздуха, дугостойкостью, а также снять внутренние напряжения в материале.

Заявляемый способ изготовления электротехнических изделий и токосъемных материалов осуществляется следующим образом.

В шаровую мельницу загружается 13-17% фенолоформальдегидной смолы новолачного типа; 1,5% уротропина; 0,5-1% стеарата металла; 1-7% оксида металла. Перемешивание производится на протяжении 0,5-1 часа. Затем в вибрационной мельнице производится смешение модифицированного связующего с наполнителями: 10-20% кокса; 0,5-1,5 модифицированного терморасширенного графита; 3-7% модифицированного окисленного графита, 1-10% металлических порошков (медь, цинк, латунь, бронза, никель, железо), все остальное графит. Смесь смешивается на протяжении 10-20 минут. Далее смесь гомогенизируется на вальцах при температуре 130-160°C и измельчается в дезинтеграторе. Прессование производится на вертикальном гидравлическом прессе с удельным давлением 300-600 кгс/см2, температурой 140-170°C и временем выдержки под давлением и температурой 2-4 мин. Термообработка производится в защитной засыпке при следующей скорости подъема температур: подъем до 100°C - 5 часов, выдержка 5 часов; подъем до 150°C - 5 часов, выдержка 5 часов; подъем до 200°C - 5 часов, выдержка 10 часов; подъем до 500°C - 10 часов, выдержка 5 часов; подъем до 800 - 20 часов; выдержка 20 часов. Охлаждение производится естественным путем вместе с термокамерой.

Ниже приведены примеры реализации способа изготовления токопроводящих контактных вставок при различных соотношениях ингредиентов и режимах обработки. Во всех примерах использован композиционный материал с модифицированным связующим следующего состава: смола 13-17%, стеарат железа 0,5-1%; уротропин 1,5%; оксид металла 1-7%.

Пример 1

Образец был изготовлен в соответствии с предлагаемым способом и вышеуказанным составом связующего, в качестве наполнителя использован графит (остальное). Гомогенизация компонентов проведена при температуре 140°C, прессование проведено при той же температуре (140°C) и удельном давлении 300 кгс/см2 с выдержкой 2 мин и последующей термообработкой до 800°C. Исследования показали, что удельное электрическое сопротивление составило 13 мкОм⋅м, плотность 1,81 г/см3, твердость 50-58 HSD, предел прочности на изгиб и сжатие - 324 и 480 кгс/см2, коэффициент трения по меди - 0,11.

Пример 2

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 15% кокса. Исследования показали: УЭС - 13 мкОм⋅м; плотность - 1,8 г/см3; твердость 55-62 HSD, предел прочности на изгиб и сжатие - 330 и 510 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,10.

Пример 3

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 10% металлических добавок. Исследования показали: УЭС - 10 мкОм⋅м; плотность - 1,97 г/см3; твердость 45-49 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 200 и 300 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,09-0,1.

Пример 4

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 1,0% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 7 мкОм⋅м; плотность - 1,81 г/см3; твердость 40-45 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 300 и 750 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 5

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 5% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 7 мкОм⋅м; плотность 1,83 г/см3; твердость 43-50 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 320 и 750 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 6

Как описано в примере 2, но с добавлением 10% металлических добавок. Исследования показали: УЭС - 11 мкОм⋅м; плотность - 1,89 г/см3; твердость 48-54 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 240 и 500 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,11.

Пример 7

Как описано в примере 2, но с добавлением 0,5% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 9,5 мкОм⋅м; плотность - 1,76 г/см3; твердость 47-53 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 330 и 600 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 8

Как описано в примере 2, но с добавлением 4% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 8 мкОм⋅м; плотность - 1,8 г/см3; твердость 46-53 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 325 и 670 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 9

Как описано в примере 3, но с добавлением 1,5% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 6,5 мкОм⋅м; плотность - 1,9 г/см3; твердость 45-51 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 350 и 750 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 10

Как описано в примере 3, но с добавлением 7% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 7,1 мкОм⋅м; плотность - 1,89 г/см2; твердость 48-54 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 330 и 720 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 11

Как описано в примере 6, но с добавлением 0,5% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 7,5 мкОм⋅м; плотность - 1,91 г/см3; твердость 51-57 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 355 и 710 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,07.

Пример 12

Как описано в примере 6, но с добавлением 5% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 7,9 мкОм⋅м; плотность - 1,91 г/см3; твердость 50-55 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 350 и 720 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,07.

Пример 13

Как описано в примере 1, температура прессования составила 170°C с временем выдержки под давлением 4 минуты, температурой термообработки 700°C. Исследования показали: УЭС - 18 мкОм⋅м; плотность - 1,80 г/см3; твердость 59-63 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 315 и 460 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,11.

Пример 14

Как описано в примере 13, при температуре гомогенизации 170°C, удельном давлении прессования 700 кгс/см2, температуре термообработки 900°C. Исследования показали: УЭС - 11 мкОм⋅м; плотность - 1,83 г/см3; твердость 53-57 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 355 и 500 кгс/см2; коэффициент трения по меди - 0,11.

Электротехнические изделия и токосъемные материалы, получаемые по предложенному способу, отличаются высокой износостойкостью, что подтверждено результатами экспериментов и ходовыми испытаниями троллейбусных вставок со средним расстоянием от 1000 до 1500 км. Достигнутые физико-механические и электрические показатели превышают существующие аналоги на основе графита и кокса в 2-5 раз. Несмотря на то что стоимость одной троллейбусной вставки из графитопластового материала выше среднерыночной на 1,5 рубля, ее эксплуатационные характеристики - надежность и долговечность компенсируют затраты на производство.

Токосъемные вставки для электроподвижного состава, изготовленные по предложенному способу, соответствуют ГОСТ 32680 «Токосъемные элементы контактные токоприемников электроподвижного состава» и обеспечивают требуемое прохождение в 60 тыс. км.

Способ изготовления токопроводящих контактных вставок, включающий смешивание связующего и наполнителя, прессование изделий из полученной смеси, их термическую обработку, отличающийся тем, что связующее готовится предварительно в шаровой мельнице и включает следующие компоненты: уротропин, смола, стеарат металла, например железа, или цинка, или никеля, или хрома и оксидов металла; смешение связующего с наполнителем производится в вибромельнице, где в качестве наполнителя используют графит, кокс, модифицированный терморасширенный и окисленный графит, металлические порошки, например, меди, или цинка, или бронзы, или никеля, или железа, при этом гомогенизацию компонентов проводят при температуре 140-170°С, а прессование – при температуре 140-170°С, удельном давлении 300-600 кгс/см2 с выдержкой 2-4 мин и последующую термообработку при температуре до 700-900°С.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к изготовлению графитопластовых изделий. Способ включает подачу порошковой графитопластовой композиции в предварительно нагретую до 100÷120°C пресс-форму, выдержку в течение 3÷4,5 мин с нагревом пресс-формы до 185÷190°C и прессование со скоростью пуансона 45÷48 мм/с.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению скользящих контактов. Может использоваться в электротехнике, в узлах токосъема, в частности щеток электромашин и контактных вставок железнодорожного и городского транспорта.
Изобретение относится к изделиям скользящего контактного токосъема, в частности к токосъемным вставкам для железнодорожного и городского электротранспорта и технологии ее получения.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению контактных вставок токоприемников троллейбусов. Порошковую композицию на основе углерода выдавливают из контейнера пресса через мундштук с формованием профильной рабочей поверхности вставки и последующим делением полученного полуфабриката на отдельные заготовки.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к прессованию фасонных изделий, преимущественно контактных вставок троллейбусов, из углеродных материалов.

Изобретение относится к области электротранспорта и направлено на уменьшение износа контактной пары - контактный провод и токосъемный элемент токоприемника электроподвижного состава.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к контактным пластинам полозов токоприемников электроподвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к конструкциям и способам изготовления порошковых контактных пластин. .

Изобретение относится к устройствам передачи электроэнергии к безрельсовым транспортным средствам, в частности троллейбусам. .

Изобретение относится к электрическому оборудованию транспортных средств, в частности токосъемникам. .

Группа изобретений относится к изготовлению гибридных композиционных материалов с высокими значениями прочности, твердости и вязкости разрушения. Шихта содержит 25-65 об.% порошка карбида вольфрама, 10-30 об.% порошка стали Гадфильда 110Г13, 25-65 об.% порошков диоксида циркония и оксида алюминия при их весовом соотношении 4:1.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения поршней двигателей внутреннего сгорания из заэвтектического силумина. В способе осуществляют расплавление шихты в печи, рафинирование расплава от водорода, внепечное модифицирование расплава лигатурой, содержащей соединения фосфора, получение поршневой заготовки и ее гомогенизацию.
Изобретение относится к изготовлению графитопластовых изделий. Способ включает подачу порошковой графитопластовой композиции в предварительно нагретую до 100÷120°C пресс-форму, выдержку в течение 3÷4,5 мин с нагревом пресс-формы до 185÷190°C и прессование со скоростью пуансона 45÷48 мм/с.

Изобретение относится к получению композиционного материала на основе карбосилицида титана. Способ включает приготовление порошковой смеси, состоящей из порошков титана, карбида кремния и графита и нанопорошка оксида алюминия, механосинтез порошковой смеси и холодное прессование смеси.

Изобретение относится к порошковой металлургии с использованием технологии быстрой кристаллизации, в частности к получению заготовок из алюминиевых сплавов. Предложенный способ включает приготовление алюминиевого расплава, центробежное литье гранул, их охлаждение и последующую ступенчатую вакуумную дегазацию в герметичных технологических капсулах, затем ведут компактирование гранул в герметичных технологических капсулах без дополнительного нагрева в контейнере пресса, нагретом до температуры не менее 400°C, и механическую обточку скомпактированных брикетов с получением компактных заготовок.

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов и используется при производстве изделий, работающих при высоких температурах с повышенным ресурсом в газотурбинных двигателях летательных аппаратов и газоперекачивающих станциях.

Изобретение относится к изготовлению редкоземельного магнита. На первом этапе получают прессованную порошковую деталь из порошка, включающего в себя основную фазу RE-Fe-B, где RE является по меньшей мере одним из элементов Nd и Pr, и фазу межзеренной границы вокруг основной фазы в виде сплава RE-X, где X является металлом.

Изобретение относится к изготовлению изделий из порошковой композиции на основе сверхтвердых материалов. Способ включает предварительное нормализующее спекание порошковой композиции при температуре нагрева до 1150°С и окончательное пресс-спекание при температуре нагрева 1800-2200°С и давлении 8-10 ГПа.

Изобретение относится к оргтехнике и может быть использовано в производстве устройств для изготовления трехмерных моделей последовательным нанесением слоев твердеющих материалов.
Изобретение может быть использовано для изготовления рабочих органов машин разного назначения, взаимодействующих с высокоабразивной средой. Способ включает термическое воздействие на высокопрочный металл, придание ему заданной формы, крепление образованного износоустойчивого элемента к рабочему органу оборудования.

Изобретение относится к получению заготовок из тугоплавких и жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов системы Nb-Al, предназначенных для изготовления деталей с повышенными рабочими температурами эксплуатации. Способ включает гидридно-кальциевый синтез порошков сплавов и их консолидацию путем прессования и вакуумного спекания. Шихту, состоящую из оксидов Nb2O5 и Al2O3, смешивают с гидридом кальция и термически обрабатывают при температуре 1100-1300°C в течение не менее 6 часов с обеспечением гидридно-кальциевого синтеза порошков сплавов, выбранных из ряда Nb3Al, Nb2Al и NbAl3, после чего полученные порошки сплавов обрабатывают водой, а затем раствором соляной кислоты, отмытый порошок сушат и классифицируют. Консолидацию порошка осуществляют путем прессования и спекания в вакууме при остаточном давлении не выше 10-4 мм рт. ст. при температуре от 0,77 до 0,87 температуры плавления сплава в течение не менее 2 часов с формированием остаточной пористости не более 5%. Обеспечивается получение заготовок с контролируемым фазовым и химическим составом. 1 з.п. ф-лы, 4 пр., 4 табл.
Наверх