RU2030044C1

RU2030044C1 - Process of manufacture of conductive contact elements

Info

Publication number: RU2030044C1
Authority: RU
Inventors: П.П. Смазнов; А.А. Реморов; Я.И. Гаврилов; Г.И. Нардая; В.В. Белоглазов; И.Г. Бадаев
Original assignee: Московский Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта
Priority date: 1990-06-18
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1995-02-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: composition used in process includes coke, technical carbon, graphite, polishing additive. From 2 to 20 per cent by mass of antifriction additive and from 80 to 98 per cent by mass of coke are integrated compositionally in granules with certain proportion. EFFECT: facilitated manufacturing process. 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике и касается способов изготовления токопроводящих скользящих контактов, преимущественно электрощеток и токоприемников электроподвижного состава, работающих в условиях затрудненной коммутации, высоких плотностей тока, значительных ударных и вибрационных нагрузок. Изобретение может быть также использовано для изготовления угольных электродов сухих элементов источников тока, для которых необходима высокая механическая прочность. The invention relates to electrical engineering and relates to methods for the manufacture of conductive sliding contacts, mainly electric brushes and current collectors of electric rolling stock, operating in difficult switching conditions, high current densities, significant shock and vibration loads. The invention can also be used for the manufacture of carbon electrodes of dry elements of current sources, which require high mechanical strength.

Известен способ изготовления токопроводящих контактных элементов на основе углеродистых наполнителей - кокса, технического углерода и связующего - каменноугольного пека и каменноугольного масла [1]. A known method of manufacturing conductive contact elements based on carbon fillers - coke, carbon black and a binder - coal tar pitch and coal oil [1].

Недостатком известного способа является низкая износостойкость получаемых токопроводящих скользящих контактов из-за плохих антифрикционных свойств. Это вызвано тем, что элементы не содержат дополнительных антифрикционных добавок, в результате чего в процессе эксплуатации существенно возрастает коэффициент трения, что приводит к нарушению процесса политурообразования, расстройству коммутации, увеличению электроэрозионного износа контактируемых элементов. The disadvantage of this method is the low wear resistance of the resulting conductive sliding contacts due to poor antifriction properties. This is due to the fact that the elements do not contain additional antifriction additives, as a result of which the coefficient of friction increases significantly during operation, which leads to disruption of the process of polytetre formation, disturbance of commutation, and an increase in the erosion wear of the contacted elements.

Известен способ изготовления контактных элементов, содержащих технический углерод и связующее [2]. A known method of manufacturing contact elements containing carbon black and a binder [2].

Недостатки известного способа связаны со структурной неоднородностью компонентов углеродистых наполнителей и наличием в ней крупногабаритных, размером до 630 мкм, кусков кокса, что в процессе технологической переработки композиции способствует формированию у скользящего контактного элемента недостаточной износостойкости и плохих шлифующих и антифрикционных свойств. Это объясняется тем, что в структуре основного элемента области матричной системы, состоящие из мельчайших частиц кокса, графита и техуглерода, связанных связующим, и крупногабаритные куски кокса имеют резко отличающиеся прочностные характеристики. Например, микротвердость матричной системы составляет 24-38 единиц Нv 0,02, а микротвердость крупногабаритных кусков кокса всего 14-18 единиц Нv 0,02. В результате этого под действием электрических перегрузок, ударных и вибрационных нагрузок происходит серьезное нарушение поверхности скользящего контакта. Крупногабаритные куски кокса с прилегающими к ним областями матричной системы разрушаются, что приводит к нарушению политурообразования, возрастанию коэффициента трения, ухудшению шлифующих и антифрикционных свойств. The disadvantages of this method are associated with the structural heterogeneity of the components of the carbon fillers and the presence in it of large-sized, up to 630 microns, pieces of coke, which in the process of processing the composition contributes to the formation of a sliding contact element of insufficient wear resistance and poor grinding and antifriction properties. This is explained by the fact that in the structure of the main element the regions of the matrix system, consisting of the smallest particles of coke, graphite and carbon black, bound by a binder, and large-sized pieces of coke have sharply different strength characteristics. For example, the microhardness of the matrix system is 24-38 units of Hv 0.02, and the microhardness of large-sized pieces of coke is only 14-18 units of Hv 0.02. As a result of this, under the influence of electrical overloads, shock and vibration loads, a serious violation of the sliding contact surface occurs. Oversized pieces of coke with the adjacent areas of the matrix system are destroyed, which leads to a violation of the formation of polyurethane, an increase in the friction coefficient, deterioration of grinding and antifriction properties.

Известен способ изготовления токопроводящего контактного элемента, например, электрощеток на основе кокса, графита, технического углерода и связующего [3]. A known method of manufacturing a conductive contact element, for example, electrobrushes based on coke, graphite, carbon black and a binder [3].

Недостатки известного способа также связаны с наличием существенных различий составляющих структурных элементов по размерам. Так, например, отношение среднего размера частиц кокса к среднему размеру частиц натурального графита находится в пределах 15-60, а отношение максимальных размеров частиц достигает нескольких сотен единиц. Это отрицательно сказывается на износостойкости, шлифующих и антифрикционных свойствах контактного элемента. The disadvantages of this method are also associated with the presence of significant differences in the components of the structural elements in size. So, for example, the ratio of the average particle size of coke to the average particle size of natural graphite is in the range of 15-60, and the ratio of the maximum particle sizes reaches several hundred units. This adversely affects the wear resistance, grinding and antifriction properties of the contact element.

Известен способ изготовления токопроводящего контактного элемента на основе частиц кокса, техуглерода, натурального графита и связующего, которые обрабатывают в вибромельнице с целью стабилизации размеров компонентов (отношение среднего диаметра частиц кокса к среднему диаметру частиц натурального графита составляет 0,8-4,0) [4]. A known method of manufacturing a conductive contact element based on particles of coke, carbon black, natural graphite and a binder, which is processed in a vibrating mill to stabilize the components (the ratio of the average particle diameter of coke to the average particle diameter of natural graphite is 0.8-4.0) [4 ].

Недостатки известного способа связаны с различием прочности структурных составляющих готового контактного элемента, в результате чего отношение микротвердости графита к микротвердости кокса составляет от 5 до 8, а отношение микротвердости техуглерода к микротвердости кокса от 7 до 12. Это ухудшает износостойкость, шлифующие и антифрикционные свойства контактного элемента. The disadvantages of this method are related to the difference in the strength of the structural components of the finished contact element, as a result of which the ratio of graphite microhardness to coke microhardness is from 5 to 8, and the ratio of carbon microhardness to coke microhardness is from 7 to 12. This affects the wear resistance, grinding and antifriction properties of the contact element .

Целью изобретения является повышение износостойкости, шлифующих и антифрикционных свойств токопроводящего контактного элемента. The aim of the invention is to increase the wear resistance, grinding and antifriction properties of the conductive contact element.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления токопроводящих контактных элементов, включающем подготовку композиции, содержащий кокс, технический углерод, графит, антифрикционную добавку, например, полимер на основе фурфурилового спирта и связующее, смешение компонентов, формование из композиции заготовок и их термообработку, антифрикционную добавку и кокс предварительно объединяют композиционно в гранулы в соотношении от 1:4 до 1:49 по массе, а затем гранулы смешивают с остальными ингредиентами композиции при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Композиционно объединенные гранулы 2,9-54,0 Технический углерод 3,0-52,4 Графит 2,9-55,9 Связующее Остальное
Создание композиционно объединенных гранул можно производить композиционным гранулированием кокса путем пропитки в автоклаве растворы антифрикционной добавки с последующей сушкой и полимеризацией гранул, либо путем гранулирования кокса с антифрикционной добавкой в грануляторе с одновременной сушкой и полимеризацией гранул, либо любым другим способом. При спекании и графитации заготовок полимер антифрикционной добавки, распределенный в порах гранул кокса, существенно повышает его прочность. Причем микротвердость композиционно объединенных гранул существенно возрастает и становится соизмеримой с микротвердостью остальных структурных компонентов элемента.This goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing conductive contact elements, including preparing a composition containing coke, carbon black, graphite, an antifriction additive, for example, a polymer based on furfuryl alcohol and a binder, mixing the components, molding the blanks from the composition and their heat treatment, antifriction the additive and coke are previously combined compositionally into granules in a ratio of 1: 4 to 1:49 by weight, and then the granules are mixed with the remaining ingredients of the composition in the following co the ratio of components, wt.%:
Compositionally combined granules 2.9-54.0 Carbon black 3.0-52.4 Graphite 2.9-55.9 Binder Else
The creation of compositionally combined granules can be accomplished by composite granulation of coke by autoclaving antifriction additive solutions followed by drying and polymerization of the granules, or by granulating coke with an antifriction additive in a granulator while drying and polymerizing the granules, or by any other method. During sintering and graphitization of preforms, the polymer of the antifriction additive distributed in the pores of the coke granules significantly increases its strength. Moreover, the microhardness of the compositionally combined granules increases significantly and becomes comparable with the microhardness of the remaining structural components of the element.

Упрочняется связь полимера с граничными областями матричной системы за счет взаимодействия его со связующим при спекании. Данное обстоятельство приводит к повышению износостойкости, шлифующих и антифрикционных свойств контактного элемента. При значениях содержания компонентов, отличающихся от указанных, ухудшаются характеристики композиции и получаемых на ее основе токопроводящих контактных элементов. При меньших значениях содержания антифрикционной добавки в композиционно объединенных гранулах возрастает износ, снижаются шлифующие и антифрикционные свойства контактного элемента, при больших - ухудшается политурообразование, возрастает эрозия контактируемого с элементом материала (коллектора, троллейных и контактных проводов и т.д. ). При содержании в композиции композиционно объединенных гранул выше предлагаемого предела повышается степень искрения в контакте, увеличивается износ контактного элемента из-за нарушения коммутации. При введении в композицию гранул ниже предлагаемого предела снижается теплопроводность контактного элемента, возрастают тепловые потери в контакте, что приводит к увеличению износа элемента и к ухудшению его антифрикционных свойств. The bond between the polymer and the boundary regions of the matrix system is strengthened due to its interaction with the binder during sintering. This circumstance leads to increased wear resistance, grinding and antifriction properties of the contact element. At values of the content of components that differ from the indicated, the characteristics of the composition and the conductive contact elements obtained on its basis deteriorate. At lower values of the content of antifriction additives in the compositionally combined granules, wear increases, grinding and antifriction properties of the contact element decrease, at large values, the formation of polarity decreases, erosion of the material contacting the element (collector, trolley and contact wires, etc.) increases. When the compositionally combined granules are contained in the composition above the proposed limit, the degree of sparking in the contact increases, the wear of the contact element due to a commutation violation increases. When granules are introduced into the composition below the proposed limit, the thermal conductivity of the contact element decreases, the heat loss in the contact increases, which leads to increased wear of the element and to a deterioration in its antifriction properties.

П р и м е р 1. В смеситель ЭЛ400 загрузили последовательно технический углерод 26 мас.%, кокс, с содержанием частиц размером менее 45 мкм 70% по массе (50 мас.%) и подвергли смешению с одновременным подогревом до 110^оС в течение 2-х часов. Затем в смеситель залили нагретое до 180^оС связующее (смесь жидкого каменноугольного пека и каменноугольной смолы) в количестве 24 мас.% и композицию подвергали дальнейшему смешению с подогревом до 130^оС в течение шести часов. Затем композицию выгружали и вальцевали при температуре нагретых валков 160-180^оС. После охлаждения композицию размалывали в порошок (содержание фракции - 0063 в порошке составило 68%) и прессовали с кажущейся плотностью 1,48-1,52 г/см³ блоки размером 30х80х125 мм. Блоки обжигали в туннельной печи и графитировали в печи НеРС при температуре 2800^оС.PRI me R 1. In the mixer EL400 sequentially loaded carbon black 26 wt.%, Coke, with a particle content of less than 45 μm, 70% by weight (50 wt.%) And subjected to mixing with simultaneous heating to 110 ^about In within 2 hours. Then poured into a mixer heated to 180 ^{° C} the binder (mixture of coal tar pitch and fluid coal tar) in an amount of 24 wt.% And the composition was further heated with mixing to ¹³⁰ ° C for six hours. The composition was then discharged and milled at a temperature of heated rolls 160-180 ^C. After cooling, the composition was ground into a powder (fraction content - 0063 in the powder was 68%) and compressed to a bulk density of 1,48-1,52 g / cm ³ blocks of 30x80x125 mm. The blocks were fired in the tunnel kiln and graphitized in an oven at a temperature of 2800 HEPC ^C.

П р и м е р 2. В вибромельницу СВМ 40/2 последовательно загрузили технический углерод (21,2 мас.%), размолотый предварительно кокс (37,5 мас.%), натуральный графит ГЛС-3 (1,8 мас.%) связующее - размолотый высокотемпературный пек марки "В" (остальное до 100 мас.%) и композицию подвергли совместному размолу в вибромельнице в течение 45 мин. Полученный порошок просеяли через сетку 07 на вибросите и прессовали из него с кажущейся плотностью 1,26-1,30 г/см³ блоки размером 30х80х125 мм. Блоки обжигали в туннельной печи при максимальной температуре 1200^оС и графитировали в печи НеРС при температуре 2800^оС.PRI me R 2. In the vibrating mill SVM 40/2 sequentially loaded carbon black (21.2 wt.%), Pre-ground coke (37.5 wt.%), Natural graphite GLS-3 (1.8 wt. %) binder - milled high-temperature pitch brand "B" (the rest is up to 100 wt.%) and the composition was subjected to joint grinding in a vibrating mill for 45 minutes The resulting powder was sieved through a grid 07 on a vibrating screen and pressed from it with an apparent density of 1.26-1.30 g / cm ³ blocks measuring 30x80x125 mm. Blocks fired in a tunnel kiln with a maximum temperature of 1200 ^C in a furnace and graphitized at a temperature of 2800 HEPC ^C.

П р и м е р 3. Кокс с размерами кусков от 5 до 150 мм подвергали композиционному гранулированию путем пропитки в автоклаве при остаточном давлении 0,94 кгс/см² раствором, состоящим из 72,8 мас.% фурфурилового спирта, 24,3 мас.% воды и 2,9 мас.% ортофосфорной кислоты. Затем композиционно объединенные гранулы выгружали из автоклава и подвеpгали термообработке при максимальной температуре 140^оС в сушильной печи с целью полимеризации фурфурилового спирта. Содержание антифрикционной добавки в композиционно объединенных гранулах составило 16,4% по массе. Затем композиционно объединенные гранулы размалывали в шаровой мельнице и использовали для приготовления щеток по способу примера 2 с различным содержанием компонентов (составы 1-7).PRI me R 3. Coke with piece sizes from 5 to 150 mm was subjected to composite granulation by impregnation in an autoclave at a residual pressure of 0.94 kgf / cm ² with a solution consisting of 72.8 wt.% Furfuryl alcohol, 24.3 wt.% water and 2.9 wt.% phosphoric acid. Then the combined composition pellets discharged from the autoclave and podvepgali heat treatment at a maximum temperature of 140 ^{° C} in an oven to polymerize the furfuryl alcohol. The content of antifriction additives in the compositionally combined granules was 16.4% by weight. Then the compositionally combined granules were ground in a ball mill and used to prepare brushes according to the method of example 2 with different content of components (compositions 1-7).

П р и м е р 4. По технологии примера 3 подготавливали композиционно объединенные гранулы с различным содержанием антифрикционной добавки в гранулах путем изменения остаточного давления в автоклаве. Подготовленные композиционно объединенные гранулы (составы 8-11) использовали для изготовления контактного элемента по способу примера 3. PRI me R 4. According to the technology of example 3, prepared composite granules with different content of antifriction additives in the granules were prepared by changing the residual pressure in the autoclave. Prepared compositionally combined granules (formulations 8-11) were used to make the contact element according to the method of Example 3.

П р и м е р 5. Тонко измельченные частицы кокса с различным содержанием раствора для пропитки (пример 3) загружали в гранулятор и подвеpгали грануляции при температуре 110-120^оС. Затем подготовленные композиционно объединенные гранулы использовали для приготовления композиции (составы 12-14) и по технологии примера 3 изготавливали образцы контактного элемента.PRI me R 5. Finely ground particles of coke with different contents of the solution for impregnation (example 3) were loaded into a granulator and subjected to granulation at a temperature of 110-120 ^about C. Then the prepared composite granules were used to prepare the composition (compositions 12-14 ) and according to the technology of Example 3, samples of the contact element were made.

Подготовленные из композиций по способу примеров 1-5 образцы и контактные токопередающие элементы подвергали испытаниям (см. таблицу). Prepared from the compositions according to the method of examples 1-5, the samples and contact current-transmitting elements were tested (see table).

Как следует из представленных в таблице данных, применение предлагаемой композиции взамен известной (за базу для сравнения принят прототип) позволяет реализовать следующие преимущества:
- повышается износостойкость токопроводящих контактных элементов; в 1,2-1,6 раза уменьшается износ при испытаниях щеток на коллекторной установке КЗК-95 по ГОСТ 9506.7-74;
- улучшаются антифрикционные свойства контактных элементов, на 10-15% уменьшается коэффициент трения при испытаниях щеток на коллекторной установке КЗК-95 по ГОСТ 9506.7-74;
- существенно повышаются шлифующие свойства, политура коллектора при испытаниях на коллекторной установке КЗК-95 более равномерная и тонкая.As follows from the data presented in the table, the use of the proposed composition instead of the known one (the prototype adopted as the basis for comparison) allows to realize the following advantages:
- increases the wear resistance of conductive contact elements; wear is reduced by a factor of 1.2-1.6 when testing brushes on a KZK-95 collector installation in accordance with GOST 9506.7-74;
- the antifriction properties of contact elements are improved, the friction coefficient decreases when testing brushes on a KZK-95 collector installation in accordance with GOST 9506.7-74;
- grinding properties significantly increase, the polish of the collector when tested on the KZK-95 collector installation is more uniform and thin.

Claims

METHOD FOR PRODUCING CONDUCTIVE CONTACT ELEMENTS, including preparing a composition containing coke, carbon black, graphite, an anti-friction additive, for example, a polymer based on furfuryl alcohol, and a binder, mixing the components, forming blanks from the composition and their heat treatment, characterized in that, in order to increase wear resistance, grinding and antifriction properties, antifriction additive and coke are previously combined compositionally into granules in a ratio of 1: 4 to 1: 49 by weight, and then mix granules ayut with the other ingredients of the composition in the following ratio, wt.%:
Compositionally combined granules - 2.9 - 54.0
Carbon black - 3.0 - 52.4
Graphite - 2.9 - 55.9
Binder - Else