RU2400550C2 - Износостойкий композиционный порошковый материал на медной основе для контактных пластин токоприемников электроподвижного состава - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к износостойким композиционным материалам на основе меди. Может использоваться для изготовления контактных пластин токоприемников электроподвижного состава железнодорожного транспорта. Износостойкий композиционный порошковый материал на медной основе содержит, мас.%: железо 0,5-10; графит 6,0-8,0; олово 0,5-7,0; фосфор 0,3-0,4; чугун 2,78-5,97; медь - остальное. При этом чугун присутствует в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах в количестве 3-8 мас.% вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм. Материал обладает высокими физико-механическими и антифрикционными свойствами. 1 табл.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к материалам, изготовленным методами порошковой металлургии и предназначенным для изготовления контактных пластин токоприемников электроподвижного состава железнодорожного транспорта.

Основными требованиями, предъявляемыми к контактным пластинам, являются высокие механические и антифрикционные свойства, достаточная электропроводность, низкое переходное электросопротивление, эрозионная и коррозионная стойкость, недефицитность и относительно невысокая стоимость.

С учетом этих требований и тенденции увеличения скоростей движения железнодорожного транспорта до 200-250 км/ч наибольшее развитие получили работы по созданию композиционных материалов контактных пластин на медной основе для оснащения токоприемников электроподвижного состава железнодорожного транспорта, в основном, работающего на постоянном токе. Преимуществами их является высокая электро- и теплопроводность, достаточная прочность и износостойкость, незначительное изнашивание контактного провода и т.д., как показано в книге В.Я.Берента «Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта». М., Интекст, 2005, с.41-50, 193-194.

Так, в патенте Украины №42520, В60L, 5/08, БИ №9, 2001 г. показан композиционный материал на медной основе для токосъемных контактов, включающий: графит - 1,5-3,0 мас.%, хром - 0,2-2,0 мас.%, медь - остальное. Недостатком этого материала является незначительное содержание графита - до 3 мас.%. При эксплуатации контактных пластин из такого материала, особенно в осеннее-зимний период, наблюдается интенсивное вымывание твердой смазки - графита из очага контакта, антифрикционные свойства материала резко падают, наблюдается схватывание элементов контактирующей пары и повышение износа как контактного провода, так и контактной пластины.

Известен материал контактной пластины по патенту Украины №38036, B22F, 3/12, БИ №4, 2001 г., включающий: 1,1% фосфора, 11% железа, 10% цинка, 16,5% графита, остальное - медь [3]. Он обладает достаточными антифрикционными свойствами, но недостатком материала являются низкие механические свойства, это определяет ресурс работы таких пластин на уровне 20-25 тыс. км, что является недостаточным для обеспечения необходимой экономической эффективности при их эксплуатации.

Наиболее близким к заявляемому решению является износостойкий материал контактной пластины на медной основе, включающий: 1-5 мас.% графита, 3-15 мас.% олова, 0,5 мас.% свинца, 3-20 мас.% хрома, 0,1-0,25 мас.% фосфора, показанный в справочнике «Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения». Киев, Наукова думка, 1985, с.323.

Недостатком такого материала является наличие пористости до 10%, что приводит к низким механическим свойствам и недостаточной износостойкости, это определяет ресурс работы пластин на уровне 30-35 тыс. км, что является недостаточным для нормальной эксплуатации подвижного состава. Недостаточное суммарное количество твердой смазки - графита и свинца (1,5-5,5 мас.%) приводит к несплошности разделительной пленки твердой смазки на поверхностях контактной пары, а отсюда - к локальным задирам на поверхностях и повышенному износу контактной пары.

Кроме того, наличие в составе даже небольшого количества экологически вредного свинца (до 0,5%), при значительном количестве потребляемого материала, делает небезопасным процесс изготовления и эксплуатации контактных пластин.

Задача, которая решается настоящим изобретением, заключается в разработке износостойкого композиционного порошкового материала контактных пластин на медной основе с повышенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, которые реализуются за счет создания износостойкой, жаростойкой, жаропрочной и антифрикционной медной матрицы материала пластины, в которой структура и основные ее характеристики определяются совокупным влиянием процессов дисперсного и твердеющего упрочнения.

Поставленная задача решается тем, что износостойкий, композиционный порошковый материал на медной основе, включающий олово, фосфор и графит, отличается тем, что он дополнительно содержит железо и чугун, который размещен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо - 0,5-10,0%, графит - 6,0-8,0%, олово - 0,5-7,0%, фосфор - 0,3-0,4%, чугун - 2,78-5,97, медь - остальное.

Композиционный материал, как показано в прототипе, имеет следующий состав, мас.%: 1-5% графита, 3-15% олова, 0,5% свинца, 3-20% хрома, 0,1-0,2% фосфора, остальное - медь.

Износостойкий композиционный порошковый материал, который предлагается, включает железо и чугун, который расположен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм в количестве 3-8 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 0,5-10,0% железа, 6,0-8,0% графита, 0,5-8,0% олова, 0,3-0,4% фосфора, 2,78-5,97% чугуна, остальное - медь.

Материал такого состава обладает улучшенными физико-механическими и антифрикционными свойствами, что обеспечивает повышение ресурса работы контактных пластин, изготовленных из этого материала, до 80-100 тыс. км и улучшение условий эксплуатации подвижного состава за счет:

1. Создания на основе порошков меди, дисперсно-упрочненной ультратонкими частицами чугуна, износостойкой, жаростойкой и жаропрочной матрицы, что повышает температуру рекристаллизации матричного материала пластины с 270-300°С до 750-800°С и тем самым сдерживает разупрочнение материала вследствие повышенных температур, развивающихся при дуговых разрядах и трении, в результате этого все физико-механические свойства такого материала существенно повышаются и остаются стабильными при эксплуатации; кроме того, использование в качестве дисперсно-упрочняющих добавок чугунов, таких как, например, хромистый чугун Fe-Cr-C, характеризующихся ограниченной растворимостью железа и хрома в меди, позволяет создать материал, в котором матрица представляет собой частицы меди с высаженными на них частицами чугуна, и это дает возможность сочетания высокой электропроводности меди и высокой прочности и термостойкости чугуна, а при применении антифрикционных чугунов - и дополнительного увеличения антифрикционных свойств материала, что уменьшает и стабилизирует износ контактной пары провод - пластина. При введении добавки чугуна в медь в количестве менее 3% не обеспечивается необходимое упрочнение меди, а при введении свыше 8% образуются крупные включения, которые, обладая повышенной твердостью по отношению к меди, могут приводить к локальным задирам и повышенному износу провода. Размеры дисперсных включений чугуна в меди регулируются технологией изготовления и определяются тем, что размеры дисперсных включений чугуна менее 0,05 мкм лимитируются технологией изготовления, а более 11 мкм могут вызывать повышенный износ контактного провода;

2. Введения легирующих добавок олова и фосфора, которые, образуя твердые растворы в меди по механизму твердофазного упрочнения, повышают все физико-механические характеристики материала, кроме того, фосфор, образовывая фосфид меди, являющийся твердой смазкой, предотвращает образование ювенильных участков на поверхности трения пары контактный провод - контактная пластина, а следовательно, предотвращает задиры и другие повреждения материала при работе в условиях скользящего контакта;

3. Наличия железа, ограниченно растворимого в матричном материале (меди), а потому находящегося в ней в виде самостоятельной фазы с повышенной тугоплавкостью и дугостойкостью, повышает электроэрозионную стойкость заявляемого композиционного материала при воздействии электрических разрядов;

4. Введения в качестве твердой смазки графита, который, не взаимодействуя с медной матрицей, участвует в образовании политуры на рабочих поверхностях пары контактный провод - контактная пластина, что резко снижает коэффициент трения, предотвращает схватывание, повышает износостойкость.

Граничное содержание отдельных составляющих определялось экспериментально с изменением концентрации одного из элементов при неизменном содержании других при испытаниях на износ порошкового материала и сопряженного с ним медного контакта на машине трения МИ в режиме сухого трения при нагрузке 0,7 МПа.

Общими признаками изобретения и прототипа является наличие в составе материала меди, олова, графита и фосфора.

Отличительными признаками от прототипа является дополнительное введение железа и чугуна, который расположен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм в количестве 3-8 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо - 0,5-10,0, графит - 6,0-8,0, олово - 0,5-7,0, фосфор - 0,3-0,4, чугун - 2,78- 5,97, остальное - медь.

Указанные признаки являются существенными, так как они улучшают физико-механические и антифрикционные характеристики материала, а сравнение заявляемого решения с другими известными техническими решениями в данной отрасли техники не позволило обнаружить в них признаки, похожие на заявляемое решение.

Критериями оценки предлагаемого материала являются физико-механические (электросопротивление, твердость при температурах 20 и 800°С, предел прочности при изгибе) и антифрикционные свойства (износ порошкового материала и медного контртела, коэффициент трения).

Определение электросопротивления проводили на универсальном измерительном приборе Р4833 ГОСТ 7165-89 по мостовой схеме, определение предела прочности при изгибе - на испытательной машине Р-05 ГОСТ 7855-85, испытания твердости при комнатной температуре и при повышенных температурах проводились на твердомере ТШ-2 ГОСТ 23677-79.

Испытания твердости при повышенных температурах проводились методом отпечатка при использовании твердосплавного шарика Ø 10 мм, длительности выдержки под нагрузкой 10 с, величине нагрузки 500 кг. Нагрев образца до температуры 800°С осуществлялся непосредственным пропусканием тока в камере в защитной среде - водороде. Триботехнические характеристики определялись на машине трения МИ ГОСТ 2576-89 при нагрузке 7,5 кг, скорости скольжения 6 м/с, на пути трения 2,5 км, материал контртела - нагартованный медный пруток с твердостью 130-140 НВ.

Суть изобретения заключается в следующем.

В объем графитового тигля индукционной плавильной печи вводят шихту, содержащую медь и чугун в количестве 3-8 мас.%. Шихту расплавляют и производят распыление дисперсно-упрочненного порошка медь-чугун, в котором дисперсионно-упрочняющей фазой является ультратонкие частицы чугуна со средним размером 0,05-11 мкм. Далее порошок железа - 0,5-10,0 мас.%, графита - 6,0-8,0 мас.%, олова - 0,5-7,0 мас.%, фосфора - 0,3-0,4 мас.% и порошок меди, дисперсионно-упрочненной чугуном, - остальное, смешивают и прессуют для получения пористой заготовки. Затем пористую заготовку нагревают со скоростью 10-10³ °С/мин до температур не более 0,95 Тпл меди. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму и уплотняют со скоростью 0,01-30 м/с при удельной энергии деформирования 200-1000 МДж/м³. После уплотнения заготовку подвергают нагартовке под давлением 300 МПа.

Пример осуществления изобретения.

В ванну с жидкой медью погружают куски хромистого чугуна в количестве 5,5 мас.%. После нагрева расплава до температуры 1480°С расплав распыляют до получения дисперсно-упрочненного порошка медь-чугун, который затем высушивают.

Далее производят смешивание порошков в следующем соотношении: графит - 7,5 мас.%, олово - 3,5 мас.%, фосфор - 0,35 мас.%, железо - 5 мас.%, дисперсно-упрочненный порошок - 83,65 мас.%. Полученную смесь порошков прессуют для получения пористой заготовки, потом ее нагревают со скоростью 100°С/мин и уплотняют со скоростью 10 м/с при удельной энергии деформирования 500 МДж/м³, а затем нагартовывают под давлением 300 МПа.

Характеристики полученного материала следующие: электросопротивление - 0,225 мкОм·см, предел прочности при изгибе - 262 МПа, твердость по Бринеллю при температуре 20°С - 766 МПа, а при температуре 800°С - 546 МПа, износ порошкового материала - 0,0014 мг/2,5 км, износ контртела - 0,0036 мг/2,5 км, коэффициент трения - 0,16.

Технические характеристики других материалов показаны в таблице.

Данные, приведенные в таблице, показывают, что создание износостойкой дисперсно-упрочненной матрицы в сочетании с легирующими элементами и твердой смазкой, подтвержденное достигнутыми показателями триботехнических свойств и твердости при температуре 800°С, позволяет получать электроконтактные материалы с повышенными по сравнению с прототипом физико-механическими и триботехническими свойствами.

Повышенные характеристики заявляемых материалов подтверждаются положительными результатами эксплуатационных испытаний контактных пластин токоприемников электровозов постоянного тока, проведенных на Октябрьской железной дороге Российской Федерации.

Claims (1)

1. Износостойкий композиционный порошковый материал на медной основе, содержащий олово, фосфор и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо и чугун, который расположен в виде дисперсной, равномерно распределенной в медных частицах вторичной фазы со средним размером 0,05-11 мкм в количестве 3-8 мас.% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
   железо 0,5-10 графит 6,0-8,0 олово 0,5-7,0 фосфор 0,3-0,4 чугун 2,78-5,97 медь остальное