Композиційний матеріал контактної пластини на мідній основі та спосіб його виготовлення

1. Композиційний матеріал контактної пластини на мідній основі, який включає залізо, графіт та C2 2 (19) 1 3 яка виготовлена з матеріалу слідуючого складу 1,1ваг.% фосфору, 11ваг.% заліза, 10 ваг.% цинку, 16,5ваг.% графіту, 61,5ваг.% міді. Недоліком цього матеріалу є низькі механічні та антифрикційні властивості, що в свою чергу, відповідає ресурсу роботи пластин на рівні 20-25 тис км та є недостатнім для забезпечення необхідної економічної ефективності при їх експлуатації. Спосіб виготовлення таких пластин, показаний в тому ж деклараційному патенті України №38036, бюл. №4, 2001 г., включає операції змішування порошків, пресування, нагріву та ущільнення порошкових заготовок пластин на мідній основі. Недоліком цього способу є неможливість отримання цим способом контактних матеріалів та пластин з них з підвищеними механічними та антифрикційними властивостями. Задача, яка вирішується цим винаходом, полягає в розробці композиційного матеріалу контактної пластини на мідній основі з підвищеними фізико-механічними та антифрикційними властивостями, які реалізуються за рахунок створення зносостійкого, жаростійкого, жароміцного та антифрикційного матеріалу пластини, в якому структура та основні характеристики визначаються сукупною дією процесів дисперсійного зміцнення матричного матеріалу (міді)-різними тугоплавкими домішками та зміцненням тієї ж міді шляхом утворення твердого розчину при легування її різними елементами, а також, способу виготовлення такого матеріалу Поставлена задача вирішується тім, що композиційний матеріал контактної пластини на мідній основі, який включає залізо, графіт та фосфор, відрізняється тим, що згідно винаходу по п.1, він додатково включає сірку та мідь, яка взята в дисперснозміцненому вигляді, при наступному співвідношенні компонентів, ваг.%: графіт 3,0-10,0 залізо 7,0-10,0 фосфор 0,1-0,5 сірка 0,1-0,8 дисперснозміцнена мідь залишок В п.2 спосіб виготовлення композиційного матеріалу по п.1, який включає змішування порошкових матеріалів, пресування з них пористої заготовки, нагрів спрессованої заготовки та її ущільнення, відрізняється тим, що перед змішуванням порошкових матеріалів проводять виготовлення дисперснозміцненої міді, яка вміщує 0,3-4,5 ваг.% дисперснозміцнюючої домішки, а після ущільнення проводять нагартовку матеріалу. Композиційний порошковий матеріал по п.1, як показано в прототипі, має наступний склад - 1,1% фосфору, 11% заліза, 10% цинку , 16,5% графіту , 61,5% міді. Композиційний порошковий матеріал по п.1, який пропонується, має слідуючий склад, ваг. %: графіт 3,0-10,0 залізо 7,0-10,0 фосфор 0,1-0,5 сірка 0,1-0,8 дисперснозміцнена мідь залишок. Матеріал такого складу має підвищені фізикомеханічні та антифрикційні властивості, що забез 86654 4 печують підвищення ресурсу роботи контактних пластин виготовлених з цього матеріалу до 7080,0 тис км та покращання умов експлуатації рухомого складу за рахунок: 1. Створення на основі дисперснозміцненої міді жаростійкої та жароміцної матриці, що підвищує температуру рекристалізації матеріалу на мідній основі з 270-300°C до 750-800°C і тим самим протидіє втраті міцності матеріалу під дією високих температур, які розвиваються при дугових розрядах та тертю при високих швидкостях руху, внаслідок чого усі фізико-механічні та антифрикційні властивості такого матеріалу залишаються стабільними на весь термін експлуатації матеріалу; 2. Введення легуючих домішок фосфору та сірки, які утворюють тверді розчини в міді, додатково зміцнюють запропонований композиційний матеріал, крім того, сірка та фосфор, які утворюють фосфіди та сульфіди міді, є твердими мастилами що запобігають утворенню ювенільних ділянок на поверхні тертя пари - контактний дріт - контактна пластина, та внаслідок цього запобігають ушкодженню матеріалу при роботі в умовах ковзаючого контакту; 3. Наявність заліза, яке обмежено розчинено в матричному матеріалі (міді), а тому представлений у міді в вигляді самостійної фази з підвищеною тугоплавкістю та дугостійкістю, що підвищує електроерозійну стійкість такого композиційного матеріалу при дії електричних розрядів; 4. Введення в якості твердого мастила - графіту, який не взаємодіє з мідною матрицею, бере участь в створенні політури на робочих поверхнях пари контактний дріт - контактна пластина, що різко знижує коефіцієнт тертя, запобігає схоплюванню та підвищує зносостійкість. Граничний вміст окремих складових визначався експериментально зі зміною концентрації одного з елементів при незмінному вмісті інших при випробуваннях на знос порошкового матеріалу та сполученого з ним мідного контртіла на машині тертя MI в режимі сухого тертя при навантаженні 0,7 МПа. Загальними ознаками винаходу та прототипу по п.1 є наявність в складі матеріалу міді, заліза, графіту та фосфору. Відмінними ознаками від прототипу по п.1 є додаткове введення сірки та міді, яка взята в дисперснозміцненому вигляді, при слідуючому співвідношенні компонентів, ваг.%: графіт 3,0-10,0 залізо 7,0-10,0 фосфор 0,1-0,5 сірка 0,1-0,8 дисперснозміцнена мідь залишок Спосіб, показаний у прототипі, який включає операції змішування окремих компонентів, пресування порошкової суміші, нагрівання спресованої заготовки та її ущільнення, не дозволяє отримувати матеріал пластини з достатніми для експлуатації фізико-механічними та антифрикційними властивостями, внаслідок відсутності операцій отримання дисперснозміцненої міді та нагартовки ущільненого матеріалу і, тим самим, не дозволяє 5 забезпечували прийнятні для практики експлуатаційні вимоги та ресурс роботи контактних пластин. Способ виготовлення композиційного матеріалу, який пропонується, полягає в тому, що перед змішуванням порошкових матеріалів проводять виготовлення дисперснозміцненої міді, яка вміщує 0,3-4,5 ваг.% дисперснозміцнюючої домішки, а після ущільнення проводять нагартовку матеріалу. Операція отримання дисперснозміцненого порошку міді при її зміцненні тонкими включеннями часток тугоплавких з'єднань, дозволяє створити жароміцну матрицю на мідній основі. Операція нагартовки ущільненого матеріалу додатково підвищує зміцнюючи характеристики такого композиційного матеріалу та усуває поверхневі дефекти отриманого матеріалу, що зменшує період приробки матеріалу та, відповідно, підвищує ресурс роботи. Загальними ознаками винаходу та прототипу по п.2 є змішування порошкових компонентів матеріалу, пресування порошкової суміші, нагрів спресованої заготовки та її ущільнення. Відмінними ознаками є те, що в способі виготовлення матеріалу, перед змішуванням порошкових компонентів, проводять виготовлення дисперснозміцненої міді, яка включає 0,3-4,5 ваг.% дисперснозміцнюючої домішки, а після ущільнення проводять нагартовку матеріалу. Вказані ознаки по п.1 та п.2 є суттєвими, тому, що вони різко підвищують фізико-механічні та антифрикційні властивості матеріалу, а порівняння рішення, яке заявляється, з іншими відомими технічними рішеннями в даній галузі техніки, не дозволило виявити в них ознаки, які схожі на рішення, яке заявляється. Критеріями оцінки запропонованого матеріалу та способу його виготовлення, є фізико-механічні (електрооопір, твердість при температурах 20 та 800 °С, межа міцності при згині) та антифрикційні властивості (знос порошкового матеріалу та мідного контртіла, коєфіціент тертя ). Визначення електроопіру проводили на універсальному вимірювальному приладі Р4833 ГОСТ 7165-89 по мостовій схемі, визначення межі міцності на згин на випробувальній машині Р-05 ГОСТ 7855 - 85, визначення твердості при кімнатній температурі та при підвищених температурах проводились на твердомірі ТШ-2 ГОСТ 23677 - 79. Випробування при підвищених температурах проводились методом відбитку при використанні твердосплавної кулі диам. 10 мм, тривалість витримки під навантаженням 10 сек, величина навантаження - 500 кг. Нагрів зразка до температури 800°C проводився безпосереднім пропусканням струму у камері в захисному середовищі - водні. Триботехнічні характеристики визначались на машині тертя MI ГОСТ 2576 -89, при навантаженні 7,5 кг, швидкості ковзання 6 м/с на шляху тертя 2,5 км, матеріал контртіла - нагартований мідний дріт з твердістю 130-140 HB. Суть винаходу полягає у наступному: Суміш мідного порошку та дисперснозміцнюю 86654 6 чої домішки в кількості 0,3-4,5 ваг.% сумісно подрібнюють-змішують в атриторі в середовищі ізопропилового спирту зі залізними порібнюючими кулями, потім проводять сушку та відновлення отриманого порошку. Порошки заліза - 7,0-10,0 ваг. %, графіту- 3,0-10,0 ваг.%, фосфору -0,10,5ваг.%, сірки- 0,1-0,8 ваг.% та отриманий порошок дисперснозміцненої міді - залишок, змішують та пресують для отримання пористої заготовки. Потім пористу заготовку нагрівають зі швидкістю 10-10°С/хв. до температур не більш 0,95 Тпл міді. Нагріту заготовку розміщують в пресформі та ущільнюють зі швидкістю 0,01-30 м/с при питомій енергії деформування 200-1000 МДж/м3. Після ущільнення заготовку піддають нагартовці під тиском 300 МПа. Приклад здійснення винаходу: Суміш порошків - 0,3 ваг.% оксиду алюмінію и 99,7 ваг. % міді сумісно змішують та розмелюють в аттриторі в середовищі ізопропилового спирту зі стальними подрібнюючими кулями, які взяті в співвідношенні 1:8. Потім проводять сушку суміші в сушильній шафі при температурі 100°С, відновлення порошку в середовищі водню при температурі 500°С. Далі проводять змішування порошків в наступному співвідношенні - 7,0 ваг.% заліза, 3,0 ваг.% графіту, 0,1 ваг.% фосфору, 0,1 ваг.% сірки и 89,8 ваг.% дисперснозміцненої міді. Отриману суміш порошків пресують для отримання пористої заготовки, потім її нагрівають зі швидкістю 100 град/хв та ущільнюють зі швидкістю 10 м/с при питомій енергії деформування 500 МДж/м3 та нагартовують під тиском 300 МПа. Характеристики отриманого матеріалу були наступними: електроопір - 0,225 мкОм×см, межа міцності при згині - 258 МПа, твердість по Бринелю при температурі 20 °С - 730 МПа, а при температуре 800 °С - 490 МПа, знос порошкового матеріалу - 0,0051 мг/2,5км, знос контртіла - 0,089 мг/2,5км, козфіціент тертя - 0,25. Технічні характеристики інших матеріалів отриманих даним способом показані в таблиці. Дані наведені в таблиці показують, що створення зносостійкої та жароміцної матриці, що підтверджується значеннями триботехнічних властивостей та твердості при температурі 800°C, дозволяють отримувати електроконтактні матеріали з підвищеними в порівнянні з прототипом фізико-механічними та триботехнічими властивостями. Підвищені властивості пластин та спосіб їх виготовлення, що заявляються, підтверджується позитивними результатами експлуатаційних випробувань контактних пластин струмоприймачів електровозів постійного струму, проведених на Октябрьскій та Московській залізних дорогах Російської федерації. Питомий знос контактних пластин складає 0,7-0,8 мм на 10 тис.км пробігу електровоза, що забезпечує ресурс пробігу пластин більш 50 тис. км, що цілком задовольняє умовам експлуатації. 7 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 86654 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601