Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ ИЗ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам изготовления изделий в виде скользящих контактов узлов токосъема, в частности щеток электромашин и контактных вставок железнодорожного и городского электротранспорта из порошковых композиций графит - фенолформальдегидная смола - добавки.

Известен способ изготовления контактных вставок (Патент РФ на изобретение 2267411. Способ изготовления контактных вставок, МПК B60L 5/08 от 10.01.2006), включающий смешивание порошка графита с порошком связующего, горячее прессование изделия из смеси при температуре 150-170°C и удельном давлении 30-40 МПа с выдержкой под давлением в течение 3-5 минут и последующую его термическую обработку по заданному режиму.

Существенный недостаток этого способа заключается в пониженной до 1,55-1,60 г/см³ плотности получаемых изделий (Самодурова М.Н. и др. Статическое и высокоэнергетическое формование углеродных порошковых композиций // Металлург, 311, 2011, с.87-91). При такой плотности в объеме изделия содержится до 30-32% пор, которые увеличивают удельное электросопротивление изделий и снижают их электропроводность и прочностные свойства. Основной причиной такой высокой пористости изделий является повышенная адсорбционная способность графита к газам атмосферы, парам воды и других жидкостей (Брунауер С. Адсорбция газов и паров. Том I. - Изд. Иностранной литературы, 1948, с.47). Операция прессования смеси в замкнутой пресс-форме с достаточно высокой скоростью движения верхнего пуансона до 35 мм/с и очень малом зазоре (около 150 мкм) между пуансоном и матрицей не позволяет удалить хотя бы часть газов и паров из насыпки смеси и изделия. Операция выдержки изделия под давлением при температуре 150-170°C, предназначенная для полимеризации связки, практически не позволяет удалять газы и пары, поскольку они уже в основном находятся в закрытых порах. При реакции полимеризации из изделий дополнительно выделяются пары воды, газообразные фенол, аммиак, азот, водород, оксид углерода и др.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемому решению является способ изготовления контактов из порошковых композиций на основе углерода, включающий горячее вальцевание смеси, измельчение полученного полуфабриката, рассев и горячее прессование в закрытой пресс-форме (Патент РФ на изобретение №2109645 Способ изготовления контактных вставок токосъемников электрического транспорта, МПК B60L 5/08 от 27.04.1998). Горячее вальцевание при температуре 110-140°C обеспечит существенное удаление газов и паров из нее в открытом очаге деформации, но последующие операции измельчения продукта вальцевания и рассева продукта измельчения снова приведут к адсорбции на частицах графита газов и паров. Кроме того, вальцевание ведут при температуре, значительно превышающей начало плавления смолы.

Отсюда основным недостатком этого способа является высокая пористость изделия, приводящая к пониженным физическим и механическим свойствам, прежде всего прочности и электропроводности.

Задачей предлагаемого решения является устранение этого недостатка, а именно повышение плотности изделий.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления скользящих контактов из порошковых композиций на основе углерода, в котором порошковую композицию из графита, смолы и добавок измельчают, смешивают и прессуют, согласно предлагаемому решению порошковую композицию измельчают и смешивают при температуре на 25÷35°C ниже температуры плавления смолы в течение 20÷30 мин.

Следует отметить, что в используемых смесях для получения порошковой композиции на основе графита присутствуют пары воды, связанные с частицами графита только силами ван-дер-ваальса (физическая адсорбция), и другие летучие газы, например O₂, H₂, которые частично вступают с графитом в химическую реакцию (химическая адсорбция) и которые сложно удаляются из смесей.

Измельчение и смешивание порошковой композиции при заявляемых температурах позволит удалить из смеси прежде всего пары воды, которые составляют основной объем всех удаляемых при горячем прессовании и полимеризации паров. Удаление паров воды и газов еще при получении порошковой композиции до выполнения следующих за этим операций прессования и полимеризации позволит осуществлять эти операции, используя композицию с заранее меньшими паровыми и газовыми включениями, что позволит повысить плотность изделий, их физические и механические свойства.

Превышение температуры измельчения и смешивания на 35°C температуры плавления смолы и времени измельчения и смешивания более 30 мин приведет к размягчению смолы и невозможности измельчения ее частицы при приготовлении смеси. Снижение температуры ниже 25°C температуры плавления смолы и времени измельчения и смешивания менее 20 мин приведет к уменьшению интенсивности парообразования и удаления паров воды и снижению летучести удаляемых газов, например свободного фенола из смолы, а также O₂, N₂, H₂, CO и др.

Способ осуществляется следующим образом.

На мельницах измельчают и смешивают графит и смолу при температуре на 25÷35°C ниже температуры плавления смолы, равной 105-115°C, т.е. при температуре 70-90°C в течение 20÷30 минут. Сразу же после измельчения еще нагретую композицию подают в нагретую до порядка 160°C пресс-форму и прессуют при заданных режимах. Затем полученный полуфабрикат подвергают полимеризации.

Согласно предлагаемому способу были получены вставки токосъемников троллейбусов из композиции, содержащей 86% порошка графита по ТУ 1916-109-71-2000 и 14% порошка фенолформальдегидной смолы наволачного типа с уротропином. Измельчали и смешивали графит и смолу на вибрационной мельнице инерционного типа марки СМВ-0,005 при температуре 80°C в течение 25 минут. Сразу после измельчения и смешивания еще нагретую композицию подали в нагретую до 160°C пресс-форму и прессовали при удельном давлении 35 МПа с выдержкой 4 минуты, а затем подвергли полимеризации. После охлаждения замерили плотность у 10 вставок, которая находилась в диапазоне от 1,63 до 1,69 г/см³, что выше средней плотности вставок, полученных по существующей на ОАО «Графитопласт» (г. Челябинск) промышленной технологии на 5,39%.

Предлагаемый способ найдет применение в электротехнике при производстве щеток электромашин, скользящих контактов токосъема городского и железнодорожного транспорта.