Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОУГОЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к порошковой технологии, а именно к способам получения электроугольных изделий, в частности щеток электромашин, контактных вставок токосъемников для городского и железнодорожного транспорта и других изделий из порошковых композиций на основе углерода.

Известен способ изготовления электроугольных изделий электротехнического назначения из наполнителя в виде кокса с добавками и связки в виде каменноугольной смолы и пека (Темкин И.В., Производство электроугольных изделий. - М.: Высшая школа, 1975, с. 13). Способ включает получение порошковой композиции, последующее прессование из нее полуфабрикатов, дальнейшую их термообработку и механическую обработку. Прессование ведут с удельным усилием до 300 МПа со скоростью пуансона 15-30 мм/с, где полуфабрикаты формируют в нагретых до 180-210°С в пресс-формах (Темкин И.В., Производство электроугольных изделий. М.: Высшая школа, 1986, с. 114-116). При горячем прессовании в нагретых пресс-формах кроме первого хода пуансона делают 2-3 дополнительные допрессовки для удаления газов из прессовки при давлении, возрастающем на 10-15% от номинального давления. При номинальном давлении прессовку выдерживают в течение 3-5 минут и выше в зависимости от размера прессовки. Операцию первого хода прессования ведут в закрытой пресс-форме.

Термообработка полуфабрикатов включает: отжиг длительностью от 24 до 48 суток и графитизацию длительностью от 7 до 10 суток (Темкин И.В., Производство электроугольных изделий. - М.: Высшая школа, 1975, с. 112-115, 118-119).

Недостатками указанного аналога являются низкая плотность получаемых изделий и высокие трудоемкость и длительность процесса их производства. Низкая плотность обусловлена загерметизацией летучих газов в порах между частицами порошка уже после первой операции прессования и при дальнейшем прессовании их удаление малозначительно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ изготовления электроугольных изделий - контактных вставок для железнодорожного и городского электротранспорта (Патент РФ на изобретение №2267411, Способ изготовления контактных вставок, МПК B60L 5/08, от 10.01.2006). Способ включает приготовление порошковой композиции путем смешивания связующего с графитовым наполнителем, горячее прессование изделий из полученной смеси при температуре 150-170°С при удельном давлении прессования 300-400 кгс/см², выдержку их под давлением в течение 3-5 минут, охлаждение и последующую поэтапную термообработку прессовок. Первый этап термообработки включает быстрый нагрев до 80-100°С, второй - медленный нагрев с убывающей скоростью до 150-200°С. После этого ведут выдержку при этой температуре и медленное естественное охлаждение.

Недостатками способа являются низкая плотность и пониженные физико-механические свойства получаемых изделий в результате того, что операции прессования и термообработки производят раздельно. После прессования прессовка охлаждается, а затем вновь нагревается. При горячем прессовании и выдержке 3-5 минут из прессовки только частично удаляются летучие, только начинается полимеризация, расплавление частиц связки, разложение уротропина (отвердителя), входящего в состав связки, и отверждение композиции. Частичное отверждение закрывает часть каналов для удаления летучих и герметизирует многие поры с летучими, к которым относятся О₂, N₂, пары Н₂О, остаточный фенол, СО и СО₂. Поэтому при последующей термической обработке затруднено удаление летучих, практически прекращается полимеризация (нет активных центров), но продолжается превращение частиц твердой связки в жидкую, разложение уротропина с дополнительным выделением N₂, летучего аммиака (NH₃) и отверждение композиции. При повышении температуры прессовок до 200°С и за время термообработки, превышающее 5 часов, летучие в закрытых каналах и порах расширяются, что приводит к разбуханию, т.е. к разуплотнению прессовок и ухудшению их физико-механических свойств.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение этих недостатков, а именно увеличение плотности изготовляемых изделий и повышение их физико-механических свойств.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления электроугольных изделий, включающем приготовление порошковой композиции путем смешивания связующего с графитовым наполнителем, горячее прессование полученной порошковой композиции и поэтапную ее термообработку с нагревом и последующей выдержкой при конечной температуре, согласно предлагаемому решению, используют графитовый наполнитель со средним размером частиц 100÷110 мкм, прессование начинают в предварительно нагретой до 70÷90°С вместе с порошковой композицией пресс-форме под давлением 45÷50 МПа, а поэтапную термообработку ведут в этой же пресс-форме под давлением прессования, причем сначала проводят быстрый нагрев до 110÷120°С со скоростью 1,9÷2°С/мин, затем медленный нагрев - до температуры 160÷170°С со скоростью 1,4÷1,5°С/мин, после чего ведут нагрев до температуры 180÷200°С со скоростью 1,6÷1,8°С/мин и выдержку при конечной температуре под давлением в течение 1÷2 мин.

То, что прессование ведут в предварительно нагретой вместе с порошком пресс-форме с заявляемыми режимами, а термообработку после окончания прессования осуществляют в этой же пресс-форме с указанными в формуле изобретения режимами и с введением при термообработке после этапа медленного нагрева дополнительного ускоренного нагрева позволит в максимальной степени использовать свойства полимеризации и затвердевания смолы для более полного рационального удаления из композиции и прессовки летучих, не нарушая прочности прессовки и избегая ее дефектов при превышении допустимого количества удаления летучих.

Уменьшение предварительного нагрева пресс-формы вместе с порошковой композицией менее 70°С, как и давления на стадии прессования менее 45 МПа не позволит активно удалять летучие, а увеличение этой температуры более 90°С, как и увеличение давления прессования более 50 МПа приведет к преждевременному началу полимеризации связки.

Снижение температуры быстрого нагрева при термообработке менее 110°С, как и снижение скорости нагрева на этом этапе менее 1,9°С не обеспечит активной полимеризации смолы, превращение ее в жидкость и смачивание частиц графита. Увеличение температуры быстрого нагрева более 120°С, как и увеличение скорости нагрева более 2°С/мин опасно очень активным удалением летучих и возникновением в результате этого дефектов на прессовках.

На этапе медленного нагрева скорость менее 140°С/мин, как и температура нагрева менее 160°С слишком замедляет процесс полимеризации, смачивание графита жидкой смолой, процесс разложения уротропина и начало процесса отверждения композиции. Нагрев более 170°С/мин приводит к дефектам на прессовках, поскольку разложение уротропина приводит к дополнительному выделению летучих N₂ и аммиака.

Ускоренный нагрев после медленного нагрева менее 180°С со скоростью нагрева менее 1,6°С/мин не обеспечит полного разложения уротропина и удаления летучих от его разложения, что снизит прочность прессовок. Нагрев более 200°С со скоростью нагрева более 1,8°С/мин может привести к дефектам при дополнительном очень быстром удалении летучих, появившихся при разложении уротропина.

Смешивание связующего с графитовым наполнителем со средними размерами частиц менее 100 мкм приводит к повышенному содержанию связки и снижению электропроводности изделий, а с размерами более 110 мкм - к снижению их прочностных свойств.

Выдержка прессовки под давлением менее 1 минуты не позволяет завершить отверждение композиции, что снижает прочностные свойства изделий, а выдержка более 2 минут может привести к началу разрушения после полного завершения отверждения изделия.

Способ изготовления электроугольных изделий осуществляется следующим образом.

Вначале смешивают связующее с графитовым наполнителем размерами частиц 100÷110 мкм, готовую композицию засыпают в пресс-форму и нагревают ее вместе с порошковой композицией до 70÷90°С. Затем ведут прессование при давлении 45÷50 МПа. Пуансон оставляют в нижнем положении и нагревают пресс-форму со скоростью 1,9÷2°С/мин до 110÷120°С. После достижения указанной температуры замедляют скорость нагрева до скорости 1,4÷1,5°С/мин и нагревают пресс-форму до 160÷170°С. Затем снова увеличивают скорость нагрева до 1,6÷1,8°С/мин и нагревают пресс-форму до 180÷200°С. После достижения указанной температуры прессовку под давлением 45÷50 МПа выдерживают при этой температуре 1÷2 минуты и извлекают ее из пресс-формы.

Согласно предлагаемому способу были получены заготовки электрических щеток размерами 10×30×50 мм из порошковой композиции, содержащей графит и фенолформальдегидную смолу. Для нагрева матрицы пресс-формы, заполненной порошковой композицией, использован электрический нагреватель, охватывающий матрицу по наружной поверхности и снабженный автоматической системой контроля температуры и установления ее уровня, работающий по заданной программе. Данные о значениях температуры и характере ее изменения выводятся на экран компьютера. Время быстрого нагрева при термообработке составило в среднем 18 минут, время медленного нагрева - 34 минуты, время нагрева при повышенной скорости нагрева - 14 минут, время выдержки - 1,5 минуты. Общее время составило 67,5 минут, что в пять раз меньше затрат времени наиболее близкого аналога. Плотность полученных 10 заготовок щеток находилось в пределах 1,68-1,72 г/см³.

Предлагаемый способ изготовления электроугольных изделий найдет свое применение в порошковой технологии при получении изделий из порошковых композиций на основе углерода.