RU2058639C1

RU2058639C1 - Material for electric brushes and its production process

Info

Publication number: RU2058639C1
Application number: RU92014747A
Authority: RU
Inventors: И.А. Кондратьев; А.М. Златкис; С.П. Лаврухин; В.А. Российский
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: material is produced by joint molding and annealing To this end, calcined coke is introduced in material composition and furfuryl alcohol polymer, into interpore space of carbon base. Calcined coke raises material hardness and furfuryl alcohol polymer provides for higher density and strength of material. EFFECT: improved mechanical endurance of electric brushes and increased yield. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электротехнике и касается материала для щеток электрических машин, полученного способом совмещенного прессования и обжига (СПО). Электрощетки из конечного материала могут быть использованы в коллекторах машин и в электротранспорте. The invention relates to electrical engineering and relates to a material for brushes of electric machines obtained by the method of combined pressing and firing (STR). Electrobrushes from the final material can be used in collectors of cars and in electric vehicles.

Известны электрощетки из углеродного материала на основе технического углерода (сажи) и связующего (каменноугольного пека) с антифрикционной добавкой (элементный графит) [1,2]
Электрощетки, выполненные из этих материалов, не обеспечивают требуемую износостойкость и не стабильны по физико-механическим показателям.Known electric brushes made of carbon material based on carbon black (soot) and a binder (coal tar pitch) with an anti-friction additive (elemental graphite) [1,2]
Electric brushes made of these materials do not provide the required wear resistance and are not stable in terms of physical and mechanical properties.

Наиболее близкими к изобретению являются материал для электрощеток, содержащий электрографит, графит и полимерный компонент между частицами графита, и способ его получения, включающий приготовление шихты на основе искусственного графита, элементного графита и каменноугольного пека путем перемешивания композитов, последующее формование из полученной смеси заготовок и обжиг [3]
Недостатком такого материала является сравнительно невысокая износостойкость при переменных нагрузках и повышенных скоростях скольжения с ограничением срока службы. Способ получения материала длителен (двухстадиен, присутствует трудоемкая операция вальцевание). Кроме того, не обеспечивается высокий выход годного, так как из-за внутренних напряжений (вследствие того, что связующим является термореактив фенолформальдегидная смола) образуются микротрещины.Closest to the invention are a material for electric brushes containing electrographite, graphite and a polymer component between graphite particles, and a method for its production, including the preparation of a mixture based on artificial graphite, elemental graphite and coal tar pitch by mixing the composites, subsequent molding from the resulting mixture of blanks and firing [3]
The disadvantage of this material is the relatively low wear resistance at variable loads and increased sliding speeds with a limited service life. The method of obtaining the material is long (two-stage, there is a laborious rolling operation). In addition, a high yield is not ensured, since microcracks are formed due to internal stresses (due to the fact that the thermosetting agent phenol-formaldehyde resin is a binder).

Задачей изобретения является повышение износостойкости материала электрощеток и улучшение качества материала при сравнительно быстром способе его получения с высоким выходом годного. The objective of the invention is to increase the wear resistance of the material of the electric brushes and improve the quality of the material with a relatively fast method for its production with high yield.

Решение задачи обеспечивается за счет того, что в материал вводится прокаленный нефтяной кокс и кокс каменноугольного пека для повышения его твердости, прочности и износостойкости. The solution to the problem is provided due to the fact that calcined petroleum coke and coal tar pitch coke are introduced into the material to increase its hardness, strength and wear resistance.

Получение материала способом СПО пропусканием через шихту электрического тока обеспечивает его однородную микроструктуру, с малым размером пор и повышает выход годных заготовок с высокой плотностью. В процессе СПО в микрообъемах заготовки на границах раздела между частицами углеродного наполнителя образуются микроэлектрические дуги, сопровождающиеся локальным повышением температуры. При этом происходит интенсивное расплавление связующего пека и пропитка легкоплавкими составляющими его частиц наполнителя. Совместное воздействие температуры и давления приводит к образованию тонких пленок связующего, обволакивающих наполнитель. Толщина этих пленок не превышает 40-50 мкм, тогда как при холодном прессовании пленка связующего достигает 80-120 мкм. Уменьшение толщины слоя связующего вызывает повышение прочности. Другим фактором, способствующим увеличению прочности изделий, является вовлечение в процесс формования структуры легколетучих компонентов пека. В процессах холодного формования с последующим спеканием эти компоненты успевают выделиться из объема заготовки. Относительный прирост плотности при СПО-процессе достигает 12-15%
Для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств материала электрощетки при способе его получения предусмотрена автоклавная пропитка материала фурфуриловым спиртом с последующей термообработкой. В результате этих технологических операций в межпоровом пространстве материала образуется твердый полимер фурфурилового спирта. Заявленное в формуле изобретения его массовое содержание определяется как способом получения (СПО), так и массовым содержанием остальных компонентов в материале и его пористостью.Obtaining the material by the STR method by passing an electric current through the charge ensures its homogeneous microstructure, with a small pore size and increases the yield of workpieces with high density. In the SPO process, microelectric arcs are formed in the microvolumes of the workpiece at the interfaces between the particles of the carbon filler, accompanied by a local temperature increase. In this case, the binder pitch is intensively melted and impregnated with filler particles of low-melting components. The combined effect of temperature and pressure leads to the formation of thin binder films enveloping the filler. The thickness of these films does not exceed 40-50 microns, while during cold pressing the binder film reaches 80-120 microns. A decrease in the thickness of the binder layer causes an increase in strength. Another factor contributing to an increase in the strength of products is the involvement of the volatile components of the pitch in the molding process. In the processes of cold forming with subsequent sintering, these components have time to stand out from the volume of the workpiece. The relative density increase in the SPO process reaches 12-15%
To improve the physicomechanical and operational properties of the material of the electric brush, the method for its preparation provides for autoclave impregnation of the material with furfuryl alcohol, followed by heat treatment. As a result of these technological operations, a solid polymer of furfuryl alcohol is formed in the inter-pore space of the material. Stated in the claims, its mass content is determined by both the production method (STR) and the mass content of the remaining components in the material and its porosity.

Преимущество фурфурилового спирта перед другими органополимерами заключается в хорошей адгезии к углероду, химической стойкости, низкой вязкости, высоким выходом твердого полимера в процессе термообработки. Хорошая его смачиваемость позволяет проводить пропитку в автоклаве при сравнительно небольших давлениях (7-10 ати). При образовании полимера проходит процесс низкотемпературной поликонденсации, сопровождающийся выделением воды. При тепловых эффектах проходят термохимические превращения, сопровождающиеся газовыделением летучих продуктов. Поэтому при режиме термообработки материала электрощетки важны оптимальные параметры процесса с целью определения наиболее опасных температурных интервалов, в которых необходимо делать изотермические выдержки. Для определения интервалов максимального газовыделения был использован термогравиметрический анализ. Определено, что максимальный выход твердого полимера имеет место в температурном интервале 160-200^оС в области экзотермического эффекта [4]
П р и м е р. В смесильную машину дозируют каменноугольный пек марки "Г" (ТУ 14-6-84-7) с размером частиц не более 0,5 мм, графитированную фильтрованную пыль (ТУ 48-20-54-84) с размером частиц ≅ 63 мкм и прокаленный нефтяной кокс с размером частиц ≅ 90 мкм (ТУ 14-7-80-86). Затем, не останавливая машину, дозируют сухую смазку-элементный графит марки ГЭ-4 (ГОСТ 7478-75) и дополнительно перемешивают в течение 60 мин. Готовую шихту загружают в пресс-форму, футерованную огнеупорным электроизоляционным материалом, устанавливают на пресс горячего прессования и осуществляют СПО при давлении 300-600 кгс/см² и температуре 900-1100^оС с пропусканием электрического тока через шихту в течение 1,5-2 ч. При этом происходит коксование каменноугольного пека. Материал для электрощеток получают в виде заготовок диаметром до 230 мм и высотой до 200 мм. Полученную заготовку охлаждают до ≈300^оС под давлением, затем выпрессовывают и охлаждают до комнатной температуры на воздухе. После механической обработки полученные электрощетки загружают в автоклав, вакуумируют при остаточном давлении 10 мм рт.ст. в течение 1 ч. Затем пропитывают при давлении 10 атм в течение 2 ч фурфуриловым спиртом. Возможно использование в фурфуриловом спирте катализатора, позволяющего дольше хранить пропитывающий раствор. Наиболее предпочтителен "мягкий"катализатор 57%-ный водный раствор лимонной кислоты, позволяющий более плавно вести процесс термообработки и обеспечивающий наиболее длительную стабильность свойств.The advantage of furfuryl alcohol over other organopolymers is its good adhesion to carbon, chemical resistance, low viscosity, and high yield of solid polymer during heat treatment. Its good wettability allows impregnation in an autoclave at relatively low pressures (7-10 ati). During the formation of the polymer, a process of low-temperature polycondensation takes place, accompanied by the release of water. Thermal effects undergo thermochemical transformations accompanied by gas evolution of volatile products. Therefore, in the heat treatment mode of the electric brush material, the optimal process parameters are important in order to determine the most dangerous temperature ranges in which isothermal exposure is necessary. Thermogravimetric analysis was used to determine the intervals of maximum gas evolution. It is determined that the maximum yield of solid polymer occurs in the temperature interval 160-200 ^C. exotherm in [4]
PRI me R. Grade G coal tar pitch (TU 14-6-84-7) with a particle size of not more than 0.5 mm, graphite filtered dust (TU 48-20-54-84) with a particle size of ≅ 63 μm are dosed into the mixing machine calcined petroleum coke with a particle size of ≅ 90 μm (TU 14-7-80-86). Then, without stopping the machine, the dry lubricant-element graphite of the GE-4 grade (GOST 7478-75) is dosed and further mixed for 60 minutes. The finished mixture is loaded into a mold lined with refractory electrical insulating material, installed on a hot-pressing press, and the SPO is carried out at a pressure of 300-600 kgf / cm ² and a temperature of 900-1100 ^о С with passing electric current through the mixture for 1.5-2 h. In this case, coking of the tar pitch occurs. Material for electric brushes is obtained in the form of blanks with a diameter of up to 230 mm and a height of up to 200 mm. The resulting preform is cooled to ≈300 ^{° C} under pressure is extruded and then cooled to room temperature in air. After machining, the resulting electrobrushes are loaded into an autoclave, vacuum at a residual pressure of 10 mm Hg. for 1 hour. Then impregnated at a pressure of 10 atm for 2 hours with furfuryl alcohol. It is possible to use a catalyst in furfuryl alcohol, which allows the impregnating solution to be stored longer. The most preferred “soft” catalyst is a 57% aqueous citric acid solution, which allows a more smooth heat treatment process and ensures the longest stability of the properties.

Полученный материал термообрабатывают до температуры 180-200^оС со средней скоростью подъема температуры 5-7^оС/ч. Структура полученного материала равнопористая с малым размером пор (газопроницамость 1,5^.10^-5см²/с, прототип 1-5 ^.10^-3см²/с).The resulting material was heat treated to a temperature of 180-200 ^o C at an average temperature elevation rate of 5-7 ^{° C} / h. The structure of the obtained material is equally porous with a small pore size (gas permeability of 1.5 ^. 10 ^-5 cm ² / s, prototype 1-5 ^. 10 ^-3 cm ² / s).

Конкретные примеры составов материала для изготовления электрощеток на заявленные и запредельные значения приведены в таблице. Specific examples of the compositions of the material for the manufacture of electric brushes for the declared and transcendental values are given in the table.

Испытания проводили на машине торцового трения V=13 м/с и q=1 кгс/см² по меди. Как видно из таблицы отклонения от оптимального состава (композиции 10-13) приводят к увеличению износа и уменьшению выхода годного.The tests were carried out on a mechanical friction machine V = 13 m / s and q = 1 kgf / cm ² for copper. As can be seen from the table, deviations from the optimal composition (composition 10-13) lead to increased wear and reduced yield.

Предлагаемый материал имеет триботехнические характеристики ≈ в 2 раза выше по сравнению с прототипом. Использование СПО позволяет резко сократить время изготовления материала (с 4-5 мес до 150-300 ч) с одновременным повышением выхода годного материала. The proposed material has tribological characteristics ≈ 2 times higher compared to the prototype. The use of STR allows you to drastically reduce the time of manufacture of the material (from 4-5 months to 150-300 hours) with a simultaneous increase in the yield of suitable material.

Claims

1. Material for electric brushes containing artificial graphite, elemental graphite and a polymer component between graphite particles, characterized in that it additionally contains calcined petroleum coke and coal tar pitch, and as a polymer component contains a polymer of furfuryl alcohol in the following ratio of components, wt.

Artificial Graphite 55 70
Elemental graphite 5 7
Calcined Petroleum Coke 15 20
Coal pitch coke 5 8
Furfuryl alcohol polymer 5 10
2. A method of obtaining material for electric brushes, including the manufacture of a mixture based on artificial graphite, elemental graphite and coal tar pitch by mixing the components, subsequent molding of the resulting mixture of blanks and firing, followed by impregnation and heat treatment, characterized in that the calcined petroleum coke is additionally introduced into the mixture , coal tar pitch coke, pressing and firing the charge is carried out together while passing electric current through it, and the obtained billet is impregnated with urfuryl alcohol.