CZ11384U1

CZ11384U1 - Vodivý kompozitní materiál

Info

Publication number: CZ11384U1
Application number: CZ200111942U
Authority: CZ
Inventors: Valentyna Chepelyeva
Original assignee: Valentyna Chepelyeva; Šuldová Sofija; Fiala Jiří Ing.
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2001-07-12

Description

Vodivý kompozitní materiál

Z) oo co

CZ 11384 Ul

Vodivý kompozitní materiál

Oblast techniky

Technické řešení se týká vodivého kompozitního materiálu, určeného zejména pro silnoproudé kluzné kontakty sběračů proudu, např. pro kontaktní kluzné vložky smykadel elektrických dopravních prostředků.

Dosavadní stav techniky

Pro kluzné kontakty sběračů proudu elektrických dopravních prostředků se používají kontaktní vložky, které se liší konstrukcí i použitým materiálem. Poptávka po jednotlivých typech kontaktních vložek je určena zejména technickými charakteristikami materiálu, zejména jeho odolností proti opotřebení, mechanickou pevností, elektrickou vodivostí, intenzitou jiskření, dobrými kluznými vlastnostmi, které zajišťují dlouhou životnost kontaktního vodiče (lana). Rozhodujícím faktorem je také cena materiálu pro kontaktní vložky, neboť se jedná o spotřební materiál, používaný ve velkých objemech, a často vyměňovaný.

Nej starším známým druhem jsou uhlíko-graitové vložky, obsahující elektrodový grafit, fenolformaldehydovou pryskyřici aurotropin. Tyto vložky jsou relativně levné a zajišťují vydatné mazání, na druhé straně však mají krátkou životnost, cca 250 až 300 km. Nejsou vhodné pro použití při nepříznivých klimatických podmínkách, jako je mrznoucí mrholení, sněžení, námrazy, mají malou odolnost při zatížení úderem, a zejména jsou ekologicky nevhodné z důvodu obsahu fenolových pryskyřic.

Uvedené nedostatky se částečně odstraňují používáním kovových a kovově-keramických vložek. Používají se lité vložky na bázi hliníku s příměsemi (Cu, Fe, Si, Mn do 1 % hmotnostního) a skluznou fází (1 až 2% hmotnostní grafitu). Taková kontaktní vložka je známa ze spisu RU2136514 o názvu Kontaktní vložka přenašeče proudu elektrických dopravních prostředků (Karanik, Šurov). Tyto vložky neobsahují drahé materiály, jsou ekologicky bezpečné, na druhé straně ale stále nevyhovují požadavkům v oblasti životnosti a kluzných vlastností. Také se používají vložky na bázi mědi se zpevňujícími příměsemi železa a slitin měď - fosfor, kde se pro mazání používají elektrolyticky poměděné granule grafitu. Tento materiál je znám např. ze spisu RU2049687 o názvu Materiál prvku snímajícího elektrický proud (Katrus aKohl). Životnost takovýchto vložek je cca 500 km, při jejich používání však vznikají rýhy a záděry na kontaktním vodiči (laně). Kromě toho jsou tyto vložky poměrně drahé díky vysokému obsahu mědi, používání drahých lisovacích forem pro spékání, a doplňkovým nákladům na granulování grafitu.

Používají se také vložky na bázi železa, obsahující např. 95 % hmotnostních železa a 5 % hmotnostních grafitu, jak jsou popsány např. v článku Odolné kovově-keramické železné proudové vložky pro trolejbusy, v publikaci Zvýšení odolnosti a životností strojů, Franzevič a Kohl, Moskva, Mašdiz 55, str. 304 - 313. Tyto vložky mají ve srovnání s vložkami na bázi mědi vysokou odolnost proti otěru za sucha i za deště ajsou také levnější. Jejich kluzné vlastnosti jsou ale stále nedostatečné, což je příčinou zvýšeného opotřebení kontaktního vodiče (lana).

Jsou známy vložky obsahující např. 86 % hmotnostních železa, 6 % hmotnostních grafitu a 8 % hmotnostních olova. Takové vložky jsou popsány v publikaci Kontakt Werkstoffe in Elektrotechnik (Stobel, Kiihne, Berlin, Akad. Verl. 1962, str. 305). V tomto případě se životnost vložky do úplného opotřebení zvyšuje na 2000 km, neboť dochází k lepšímu mazání díky mazacím vlastnostem grafitu a současně olova. Negativní vliv na životnost kontaktního vodiče (lana) ovšem není odstraněn, vložky jsou drahé, a navíc v současné době jsou i ekologicky nevhodné díky použití olova.

Materiály na bázi železa a grafitu se dále doplňují dalšími prvky, jako např. Cu, Sn, Pb, Ag (československý patent č. 87231), Mo, Cd (československé autorské osvědčení č. 208262), síra (autorské osvědčení SSSR č. 366992), Cu, S, Pb, Sn (autorské osvědčení SSSR č. 385769), Ni,

-1 CZ 11384 Ul

Cd, Cu (autorské osvědčení SSSR č. 1739421), Cu, Ni, CrNi, Pb, Sn, Ph (autorské osvědčení SSSR č. 1796499), Zn, B, Cu (patent RU 2049687). Žádný zvýše uvedených materiálů však nepředstavuje takové řešení, které zajistí současně odolnost proti opotřebení a levnost při zachování souladu s vysokými kluznými vlastnostmi a dlouhou životností kontaktních vodičů (lan). Cílem technického řešení je tedy vytvoření univerzálního vodivého kompozitního materiálu, levného a ekologicky bezpečného, který zajistí zvýšení odolnosti proti otěru v libovolných klimatických podmínkách při zachování vysokých mazacích vlastností a dlouhé životnosti kontaktních vodičů (lan).

Podstata technického řešení

Vytčených cílů je dosaženo řešením vodivého kompozitního materiálu podle tohoto technického řešení. Jeho podstata spočívá vtom, že obsahuje kromě železa, grafitu a síry také eutektickou slitinu mědi, cínu a niklu v rozmezí od 3,0 do 7,0 % hmotnostních, přičemž obsah železa leží v rozmezí od 73,5 do 86,6% hmotnostních, obsah grafitu leží v rozmezí od 10,0 do 18,0% hmotnostních, a obsah síry leží v rozmezí od 0,5 do 1,5 % hmotnostních, vše vztaženo k vodivé15 mu kompozitnímu materiálu. Ve výhodném provedení je obsah jednotlivých složek Cu : Sn : Ni v eutektické slitině ve vzájemném poměru 71 : 19: 10. Rovněž je výhodné, pokud se používá práškový grafit v přírodní šupinovité formě.

Vodivý kompozitní materiál podle tohoto technického řešení obsahuje dva až dvaapůlkrát více grafitu než známá technická řešení popsaná v dosavadním stavu techniky. To zajišťuje výborné kluzné vlastnosti pro sběrače proudu, a zároveň také dlouhou životnost kontaktního vodiče (lana).

Použití přírodního šupinovitého grafitu má tu technologickou výhodu, že umožní dosáhnout dostatečně pevného lisování což je výhodné při následné výrobní operaci, a sice volném spékání při obsahu grafitu do 18% hmotnostních. Při použití jiných forem grafitu je lisovatelnost materiálu mnohem horší. Kromě toho šupinatý tvar grafitových částic zajišťuje nejlepší podmínky klouzání po kontaktním vodiči v porovnání s kulatými částicemi jiných forem grafitu, např. elektrodového grafitu.

Dodávané měděno-cínově-niklové eutektikum také zlepšuje lisovatelnost vsázky a plní roli aktivátoru spékání. Je známo (viz. Wachtel, Bazer Ausson und magnetische Eigenschafiten des

Dreistoffsystems Cu-Ni-Sn, 1984), že systém Cu-Ni-Sn je charakterizován dvěma monovariantami eutektické rovnováhy. V první variantě je to eutektická kapalina, tvořená 71 % hmotnostními mědi, 19 % hmotnostními cínu a 10 % hmotnostními niklu, která se při 780 °C rozpadá na a - tuhý roztok mědi a niklu a intermetalid. V druhé variantě při rozpadu eutektické kapaliny, tvořené 54 % hmotnostními mědi, 40 % hmotnostními cínu a 6 % hmotnostními niklu dostaneme směs intermetalidů, tj. strukturu zvýšené tvrdosti a křehkosti. Vycházejíc z podmínek použití kontaktní vložky pro sběrače proudu (pevnost, odolnost proti vlivu úderů, vztah tvrdosti vložky a kontaktního vidče) bylo vybráno eutektikum dle první varianty. Toto eutektikum intenzifikuje sesychání při spékání tekutou fází při 780 °C a podstatně snižuje pórovitost a zvyšuje pevnost hotového výrobku. Pokud se týká celkového obsahu eutektika, při obsahu nižším než 4% hmotnostní nedojde k požadovanému snížení pórovitosti a naopak při obsahu vyšším než 7% hmotnostních nedochází již k dalšímu navyšování požadovaných účinků a další zvyšování obsahu eutektika je ekonomicky neúěelné.

Výhoda vodivého kompozitního materiálu spočívá vtom, že se vyznačuje vysokou odolností proti otěru v libovolných klimatických podmínkách, při zachování vysokých mazacích vlastností a dlouhé životnosti kontaktních vodičů (lan), a přitom jde o materiál levný a ekologicky nezávadný.

-2CZ 11384 Ul

Příklady provedení technického řešení

V prvém příkladu provedení, označeném vtab. 1 pořadovým číslem 1, byl vodivý kompozitní materiál podle technického řešení vytvořen ze vsázky, která obsahovala 80 % hmotnostních železa, 14% hmotnostních grafitu v přírodní šupinovité formě, 1% hmotnostní síry a5% hmotnostních eutektické slitiny Cu: Sn: Ni ve vzájemném poměru jednotlivých složek eut. slitiny 71 : 19 : 10. Z této vsázky byly vylisovány kontaktní vložky pro sběrače proudu trolejbusových smykadel o rozměrech 87 x 26 x 19 mm. Tlak při lisování byl 3,2 t/cm². Výlisky byly spečeny ve volném stavu ve vodíku nebo v kysličníkovém prostředí v sypané grafitové krupici při teplotě 1100 °C v průběhu 4-5 hod. s následným ochlazením rychlostí 3 °C/min.

V druhém příkladu provedení, označeném v tab. 1 pořadovým číslem 2, byl vodivý kompozitní materiál podle technického řešení vytvořen ze vsázky, která obsahovala 73,5 % hmotnostních železa, 18 % hmotnostních grafitu v přírodní šupinovité formě, 1,5 % hmotnostních síry a 7 % hmotnostních eutektické slitiny Cu: Sn: Ni ve vzájemném poměru jednotlivých složek eut. slitiny 71 : 19 : 10. Z této vsázky byly vylisovány kontaktní vložky pro sběrače proudu trolejbusových smykadel o rozměrech 87 x 26 x 19 mm. Tlak při lisování byl 3,2 t/cm². Výlisky byly spečeny ve volném stavu ve vodíku nebo v kysličníkovém prostředí v sypané grafitové krupici při teplotě 1100 °C v průběhu 4-5 hod. s následným ochlazením rychlostí 3 °C/ min.

Ve třetím příkladu provedení, označeném v tab. 1 pořadovým číslem 3, byl vodivý kompozitní materiál podle technického řešení vytvořen ze vsázky, která obsahovala 86,5 % hmotnostních železa, 10% hmotnostních grafitu v přírodní šupinovité formě, 0,5% hmotnostní síry a3% hmotnostních eutektické slitiny Cu: Sn: Ni ve vzájemném poměru jednotlivých složek eut. slitiny 71 : 19 : 10. Z této vsázky byly vylisovány kontaktní vložky pro sběrače proudu trolejbusových smykadel o rozměrech 87 x 26 x 19 mm. Tlak při lisování byl 3,2 t/cm². Výlisky byly spečeny ve volném stavu ve vodíku nebo v kysličníkovém prostředí v sypané graitové krupici při teplotě 1100 °C v průběhu 4-5 hod. s následným ochlazením rychlostí 3 °C/min.

Ve čtvrtém příkladu provedení, označeném v tab. 1 pořadovým číslem 7, byl vodivý kompozitní materiál podle technického řešení vytvořen ze vsázky, která obsahovala 80 % hmotnostních železa, 14% hmotnostních grafitu v přírodní šupinovité formě, 1% hmotnostní síry a5% hmotnostních eutektické slitiny Cu: Sn: Ni ve vzájemném poměru jednotlivých složek eut. slitiny 71 : 19: 10. Z této vsázky byly vylisovány kontaktní vložky pro sběrače proudu trolejbusových smykadel o rozměrech 87 x 26 x 19 mm. Tlak při lisování byl 3,0 t/cm². Výlisky byly spečeny ve volném stavu ve vodíku nebo v kysličníkovém prostředí v sypané grafitové krupici při teplotě 1100 °C v průběhu 4-5 hod. s následným ochlazením rychlostí 4 °C/min.

Dále byly pro porovnání vyrobeny kontaktní vložky se složením jednotlivých komponent a s parametry lisování a ochlazování, které nespadají do rozsahu řešení podle technického řešení (jedná se o příklady označené v tab. 1 pořadovými čísly 4, 5, 6). Všechny vyrobené kontaktní vložky byly vyzkoušeny na trolejbusových linkách ve všech klimatických podmínkách letního a zimního počasí, za sucha, deště i sněžení. Odolnost proti opotřebení byla zjišťována podle hodnoty ujetých kilometrů do úplného opotřebení, stav sítě kontaktních vodičů (lan) byl zjišťován vizuálně. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce.

-3 CZ 11384 Ul

Tab. 1

chem.složení hmot. %	Spec. tlak t/cm²	Ry- chl. ochl.	Pórovitost %	Tvrdost	Počet km do úplného opotřebení	Stav kontaktního vodiče	Klima- tické podmín- ky
Fe	Graf.	S	eut.
1 80,0	14	1,0	5	3,2	3	20,0	40-50	3400	Dobře leštěný povrch	Léto, sucho
2 73,5	18	1,5	7	3,2	3	19,5	34-38	2870	....	...
3 86,5 4 70,0	10 20	0,5 2,0	3 8	3,2	3	21,0	45-52 3015 Vsázka se neslisovala
5 90,0	8	0,0	2	3	3	26,0	46-52	2400	Neuspokoj, rýhy a záděry	Léto, sucho
6 86,0	6	P=8		Prototyp	-	-	2000	Uspokoj. Vyjím.rýhy
7 80,0	14	1,0	5	3,0	4	20,5	40-50	2680	Dobře leštěný povrch	Zima, sníh

Z porovnání hodnot uvedených v tabulce je patrné, že při dodržení nárokovaných poměrů jednotlivých komponentů (příklady 1 až 3) se odolnost proti opotřebení zvyšuje 1,4 až 1,7 krát ve srovnání s dosavadním stavem techniky (poř. č. 6) při dobrém stavu sítě kontaktních vodičů. Při dosažení dolní hranice obsahu grafitu (poř. ě. 5) se vyskytovaly lýhy a záděry na kontaktním vodiči, při dosažení horní hranice obsahu grafitu (poř. č. 4) se vsázku nepodařilo vůbec vylisovat.

Průmyslová využitelnost

Vodivý kompozitní materiál a způsob jeho výroby podle technického řešení je možno využít při výrobě silnoproudých kluzných kontaktů, zejména kontaktních vložek do smykadel elektrických dopravních prostředků, jakož i jiných kontaktů sběračů proudu.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Vodivý kompozitní materiál, zejména pro smykadlové kontakty sběračů proudu, obsahující železo, grafit a síru, vyznačující se tím, že obsahuje eutektickou slitinu mědi, cínu a niklu v rozmezí od 3,0 do 7,0 % hmotn., přičemž obsah železa leží v rozmezí od 73,5 do 86,6 % hmotn., obsah grafitu leží v rozmezí od 10,0 do 18,0 % hmotn., a obsah síry leží v rozmezí od 0,5 do 1,5 % hmotn. vše vztaženo na vodivý kompozitní materiál.
2. Vodivý kompozitní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že poměr jednotlivých složek Cu : Sn : Ni v eutektické slitině je 71: 19: 10.
3. Vodivý kompozitní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že grafit je tvořen přírodním šupinovitým grafitem v práškovém stavu.