Зносостійкий композиційний порошковий матеріал на мідній основі для контактних пластин струмоприймачів електрорухомого складу

Зносостійкий композиційний порошковий матеріал на мідній основі для контактних пластин струмоприймачів електрорухомого складу, що містить олово, фосфор та графіт, який відрізняється тим, що він додатково містить залізо та чавун, який розташований в вигляді рівномірно диспергованої в мідних частках вторинної фази з середнім розміром 0,05-11,00 мкм в кількості 3-8 мас. %, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: залізо 0,50-10,00 графіт 6,00-8,00 олово 0,50-7,00 фосфор 0,30-0,40 чавун 2,78-5,97 мідь решта. (19) UA (11) (21) a200803917 (22) 28.03.2008 (24) 10.07.2009 (46) 10.07.2009, Бюл.№ 13, 2009 р. (72) АЛЬОШИНА АЛЛА ВОЛОДИМИРІВНА, БОГАТОВ ОЛЕКСІЙ СЕРГІЙОВИЧ, МЕЛЕШКО ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ, САХНЕНКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ, САХНЕНКО СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ (73) АЛЬОШИНА АЛЛА ВОЛОДИМИРІВНА, БОГАТОВ ОЛЕКСІЙ СЕРГІЙОВИЧ, МЕЛЕШКО ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ, САХНЕНКО ОЛЕКСАНДР ВОЛОДИМИРОВИЧ, САХНЕНКО СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ (56) UA, 38 036, A, 15.05.2001 UA, 42 520, A, 15.10.2001 RU, 2 049 687, C1, 10.12.1995 RU, 2 166 410, C1, 10.05.2001 BY, 4 540, C1, 30.06.1981 US, 4 274 874, A, 23.06.1981 C2 2 87409 1 3 87409 4 мідній основі для струмоприймальних контактів, фосфор - 0,3-0,4%, чавун 2,78-5,97%, мідь - решякий включає - графіт - 1,5-3,0мас.%, хром та. 2,00мас.%, мідь - решта. Недоліком матеріалу є Композиційний матеріал, як показано у протонезначний вміст графіту - до 3,0мас.%. При екстипі, має слідуючий склад, мас.%: 1,0-5,0% графіплуатації контактних пластин з такого матеріалу, та, 3,0-15,0% олова, 0,5% свинцю, 3,0-20,0% хроособливо в осіннє-зимовий період, спостерігається ма, 0,1-0,2% фосфора, залишок - мідь. інтенсивне вимивання твердого мастила - графіта Зносостійкий композиційний порошковий маз центру контакту, антифрикційні властивості матеріал, який пропонується, включає залізо та чатеріалу різко падають, спостерігається охоплення вун, який розташований у вигляді рівномірно диселементів контактуючої пари та підвищення зносу пергованої в мідних частках вторинної фази з як контактного дроту, так і контактної пластини. середнім розміром 0,05-11,0мкм в кількості 3,0Відомий матеріал контактної пластини по [па8,0мас.%, при слідуючому співвідношенні компотенту України №38036, B22f, 3/12, бюл. №4, нентів, мас.%: 0,5-10,0% заліза, 6,0-8,0% графіту, 2001р.], який включає 1,1% фосфора, 11,0% залі0,5-8,0% олова, 0,3-0,4% фосфора, 2,78-5,97% за, 10,0% цинка, 16,5% графита, залишок-мідь. чавуну, залишок-мідь. Володіючи достатніми антифрикційними властиМатеріал такого складу володіє поліпшеними востями, недоліком матеріалу є низькі механічні фізико-механічними та антифрикційними властивластивості, що визначає ресурс роботи таких востями, що забезпечує підвищення ресурсу ропластин на рівні 20-25тис.км , що є недостатнім боти контактних пластин, виготовлених з цього для забезпечення необхідної економічної ефектиматеріалу, до 80-100тис.км та підвищення умов вності при їх експлуатації. експлуатації рухомого складу за рахунок: Найбільш близьким до заявляемого рішення є Створення з порошків міді дисперснозміцнезносостійкий матеріал контактної пластини на мідних ультратонкими частками чавуну зносостійкої, ній основі, який включає 1-5%мас.% графіту, 3,0жаростійкої та жароміцної матриці, що підвищує 15,0мас.% олова, 0,5% свинцю, 3,0-20,0% хрому. температуру рекристалізації матричного матеріалу 0,1-0,25% фосфору, який показаний в [довіднику пластини з 270-300°С до 750-800°С, і тим самим, «Порошковая металлургия. Материалы, технолоце стримує падіння міцності матеріалу внаслідок гия, свойства, области применения» Київ, Наукова підвищених температур, які розвиваються при дудумка, 1985р. с. 323]. Недоліком цього матеріалу є гових розрядах та терті, в результаті цього, всі низькі механічні властивості, в зв'язку з наявністю фізико-механічні властивості такого матеріалу сутпористості до 10%, звідси недостатня зносостійтєво підвищуються та залишаються стабільними кість та ресурс роботи пластин на рівні 30при експлуатації; крім того, використання в якості 35тис.км , а також недостатня кількість твердого дисперснозміцнюючих домішок чавуну, таких як, мастила - графіта та свинцю, що призводить до наприклад, хромістий чавун Fe-Cr-С, який харакнесплошності розподільчої плівки твердого маститеризується обмеженою розчинністю заліза та ла на поверхнях контактної пари, і, відповідно, до хрому в міді, дозволяє створити матеріал, в якому локальних задирів на поверхнях та підвищеного матриця являє собою частки міді з висаджуваними зносу контактної пари. на них частками чавуну, і це дає можливість споКрім того, наявність в складі невеликої кільколучення високої електропровідності міді та високої сті екологічно шкідливого свинцю ( до 0,5% ), при міцності та термостійкості чавуна, а при викорисзначній кількості спожитого матеріалу, робить нетанні антифрикційних чавунів і підвищення антибезпечним процес виготовлення та експлуатації фрикційних властивостей матеріалу, що зменшує контактних пластин. та стабілізує знос контактної пари- дрот-пластина. Задача, яка вирішується заявленим винахоПри введенні домішки чавуна у мідь в кількості дом, полягає в розробці зносостійкого композиційменш 3%, не забезпечується необхідне зміцнення ного порошкового матеріалу контактних пластин міді, а при введенні більш 8% утворюються значні на мідній основі з підвищеними фізикозміцнюючі включення, які володіють підвищеною механічними та антифрикційними властивостями, твердістю по відношенню до міді, що може прикотрі реалізуються за рахунок створення зносозводити до локальних задирів та підвищеного зностійкої, жаростійкої, жароміцної та антифрикційної су дроту. Розміри дисперсних включень чавуну на мідної матриці матеріалу пластини, в якій структучастках міді, регулюються технологією виготовра та основні її характеристики визначаються сулення та визначаються тим, що розміри дисперскупним впливом процесів дисперсного та твердіюних включень чавуна менш 0,05мкм лімітуються чого зміцнення. технологією виготовлення, а більш 11мкм можуть Поставлена задача вирішується тим, що зноспричиняти підвищений знос контактного дроту. состійкий, композиційний порошковий матеріал на Введення легуючих домішок олова та фосфомідній основі для контактних пластин струмоприйру, які утворюють тверді розчини в міді по механімальників електрорухомого складу, який включає зму твердофазного зміцнення, підвищують всі фіолово, фосфор та графіт, відрізняється тим, що зико-механічні характеристики матеріалу, крім він додатково включає залізо та чавун, який розтого, фосфор, який утворює фосфід міді, який є ташований в вигляді рівномірно диспергованої у твердим мастилом, запобігає утворенню ювенільмідних частках вторинної фази з середнім розміних ділянок на поверхні тертя пари-контактний ром 0,05-11мкм в кількості 3,0-8,0мас.%, при слідріт-контактна пластина, і внаслідок цього, запобідуючому співвідношенні компонентів, мас.%: залігає задирам та іншим пошкодженням матеріала зо - 0,5-10,0%, графіт - 6,0-8,0%, олово-0,5-7,0%, при роботі в умовах ковзаючого контакту. 5 87409 6 Наявність заліза, яке обмежено розчинено в 800°С проводився безпосереднім пропусканням матричному матеріалі (міді), а тому знаходиться в струму у камері в захисному середовищі - водні. ній в вигляді самостійної фази з підвищеною тугоТриботехнічні характеристики визначались на маплавкістю та лугостійкістю, підвищує електроерошині тертя МІ ГОСТ 2576-89, при навантаженні зійну стійкість заявляємого матеріалу при дії елек7,5кг, швидкості ковзання 6м/с на шляху тертя тричних розрядів. 2,5км, матеріал контртіла - нагартований мідний Введення в якості твердого мастила, графіта, дріт з твердістю 110-120НВ. який не взаємодіє з мідною матрицею і бере Суть винаходу полягає у наступному: участь в утворенні плівки на робочих поверхнях В об'єм графітового тиглю індукційної плавільпари контактний дріт-контактна пластина, що різко ної пічі вводять шихту, яка включає мідь та чавун в знижує коефіцієнт тертя, запобігає схопленню, кількості 3-8мас.%. Шихту плавлять та провадять підвищує зносостійкість. розпил дисперснозміцненого порошку мідь-чавун, Граничний вміст окремих складових визначаву якому дисперснозміцнюючою фазою є ультратося експериментально зі зміною концентрації однонкі частки чавуну з середнім розміром 0,05-11мкм. го з елементів при незмінному вмісті інших при Далі порошки заліза - 0,50-10,0мас.%, графіту випробуваннях на знос порошкового матеріалу та 6,0-8,0мас.%, фосфору - 0,3-0,4мас.% та порошок сполученого з ним мідного контртіла на машині міді дисперснозміцненої чавуном - залишок, змітертя МІ в режимі сухого тертя при навантаженні шують та пресують для отримання пористої заго0,7МПа. тівки. Потім пористу заготівку нагрівають зі швидЗагальними ознаками винаходу та прототипу є кістю 10-10°С/хв. до температур не більш 0,95 Тпл наявність в складі матеріалу міді, олова, графіту міді. Нагріту заготівку розміщують в пресформі та та фосфору. ущільнюють зі швидкістю 0,01-30м/с при питомій Відмінними ознаками від прототипу є додаткоенергії деформування 200-1000МДж/м3. Після ущіве введення заліза та чавуну, який розташований льнення заготівку піддають нагартовці під тиском в вигляді рівномірно диспергованої у мідних част300МПа. ках вторинної фази з середнім розміром 0,05Приклад здійснення винаходу: 11мкм в кількості 3-8мас.%, при слідуючому співВ ванну з рідинною міддю, загружають куски відношенні компонентів, ваг.%: хромистого чавуна в кількості 5,5мас.% .Після назалізо 0,5-10 гріву розплаву до температури 1480° С, розплав графіт 6,0-8,0 розпилюють для отримання дисперснозміцненого олово 0,5-7,0 порошку мідь-чавун, де середній розмір часток фосфор 0,3-0,4 чавуну 5мкм, потім порошок висушують. Далі прочавун 2,78-5,97 вадять змішування порошків в наступному співвідмідь рештаι ношенні - 5,0мас.% заліза, 7,5мас.% графіту, Вказані ознаки є суттєвими, тому, що вони різ0,35мас.% фосфору, 3,5мас.% олова і 83,65мас.% ко підвищують фізико-механічні та антифрикційні дисперснозміцненої міді. Отриману суміш порошвластивості матеріалу, а порівняння рішення, яке ків пресують для отримання пористої заготівки, заявляється, з іншими відомими технічними ріпотім її нагрівають зі швидкістю 100град/хв та ущішеннями в даній галузі техніки, не дозволило вильнюють зі швидкістю 10м/с при питомій енергії явити в них ознаки, які схожі на рішення, яке заявдеформування 500МДж/м3 та нагартовують під ляється. тиском 300МПа. Критеріями оцінки запропонованого матеріалу, Технічні характеристики інших матеріалів є фізико-механічні (електроопір, твердість при теотриманих даним способом показані в таблиці. мпературах 20 та 800°С, межа міцності при згині) Дані наведені в таблиці показують, що ствота антифрикційні властивості (знос порошкового рення зносостійкої дисперсно зміцненої матриці в матеріалу та мідного контртіла, коефіцієнт тертя ). сполученні з легуючими елементами та твердим Визначення електроопору проводили на унімастилом, підтверджені значеннями триботехнічверсальному вимірювальному приладі Р4833 них властивостей та твердості при температурі ГОСТ 7165-89 по мостовій схемі, визначення межі 800°С, дозволяє отримувати електроконтактні маміцності на згин на випробувальній машині Р-05 теріали з підвищеними в порівнянні з прототипом ГОСТ 7855-85, визначення твердості при кімнатній фізико-механічними та триботехнічими властивостемпературі та при підвищених температурах протями. водились на твердомірі ТШ-2 ГОСТ 23677-79. Підвищені властивості пластин з матеріалу, Випробування при підвищених температурах який заявляється, підтверджується позитивними проводились методом відбитку при використанні результатами експлуатаційних випробувань контатвердосплавної кулі диам. 10мм, тривалість виктних пластин струмоприймачів електровозів потримки під навантаженням 10сек, величина наванстійного струму, проведених на Октябрьскій залізтаження - 500кг. Нагрів зразка до температури ничній дорозі Російської Федерації. 7 87409 8 Таблиця Дисперснозміцнююча домішка чавуна в міді, Фізико-механічні властивості Триботехнічні властивості ваг.% № Твердість, Знос Знос п/п Розмір Кількість, r, s3 , МПа мат-лу контр. Коефіцієнт вторинної С Sn Ρ Fe Чавун Cr Сu мас.% тертя, f мкОм´см МПа Ім, тіла Ік, фази, мкм 20°С 800°С мГ/2,5км мГ/2,5км 1 0,3 0,3 0,2 0,3 2,0 - 96,9 2,0 0,03 0,21 195 680 423 0,0104 0,0580 0,34 2 6 0,5 0,3 0,5 2,8 - 95,3 3,0 0,05 0,225 255 742 495 0,0049 0,0081 0,17 3 7,5 3,5 0,35 5 4,4 - 79,3 5,5 5,0 0,225 262 766 546 0,0014 0.0036 0,16 4 8 7 0,4 10 6,0 - 68,7 8,0 10,0 0,235 273 773 601 0,0097 0,0090 0,16 5 8 8 0,5 12 7,0 - 64,5 9,0 12,0 0,245 179 723 399 0,0115 0,0690 0,21 0,16* 1-5 3-15 - 3-20 ocт. 0,240 230 691 296 0,0146 0,0790 0,30 0,2 Склад матеріалу, ваг.% * Прототип Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 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