Способ изготовления графитопластовых изделий

Изобретение относится к порошковой технологии, а именно к способам получения графитопластовых изделий, в частности щеток электромашин, контактных вставок токосъемников городского и железнодорожного транспорта и других изделий.

Известен способ изготовления электротехнических изделий - контактных вставок троллейбусов, который включает смешивание связующего и графитового наполнителя, прессование изделий из полученной смеси при температуре 150-170°С при удельном давлении прессования 300-400 кгс/см², выдержку их под давлением 3-5 минут и последующую термическую обработку изделий (Патент РФ на изобретение №2267411, Способ изготовления контактных вставок, МПК B60L 5/08, от 10.01.2006). Термическую обработку производят поэтапно и вначале ведут быстрый нагрев до 80-100°С, затем медленный нагрев с убывающей скоростью до 150-200°С, выдержку при этой температуре и медленное естественное охлаждение. Длительность операций охлаждения после прессования последующей поэтапной термообработки прессовок, их выдержки после термообработки и естественного охлаждения составляет 3,0-4,5 часа.

Недостатками указанного способа является низкая плотность получаемых изделий, их пониженные физико-механические свойства, высокая трудоемкость и длительность операций их производства. Длительность операций связана в первую очередь с раздельным выполнением операций прессования и термообработки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемому является способ изготовления графитопластовых изделий, включающий приготовление порошковой композиции путем смешивания связующего с графитовым наполнителем, горячее прессование изделий в нагретой пресс-форме (Патент РФ на изобретение №2560619, Способ изготовления электроугольных изделий, МПК B22F 3/12, от 20.08.2015). Прессование начинают при температуре пресс-формы до 70-90°C и давлении 45-50 МПа, затем прессуют после быстрого нагрева со скоростью 1,9-2°С/мин при температуре 110-120°С, после медленного нагрева со скоростью 1,4-1,5°C/мин при температуре 160-170°C и после нагрева со скоростью 1,6-1,8°С/мин при температуре 180-200°С продолжают процесс прессования и термообработки с конечной выдержкой под давлением при конечной температуре 1-2 минуты.

Этот процесс по сравнению с указанным ранее способом в 2-3 раза за счет совмещения сокращает продолжительность операций прессования и термообработки, которая составляет примерно 1,5 часа.

Недостатками этого способа являются низкая плотность и недостаточная производительность процесса производства изделий. Низкая плотность обусловлена низкой температурой начала прессования 70-90°C, когда активное удаление газов и паров еще не началось. Прессование при этой температуре ведет к закрытию пор. Дальнейшая выдержка и термообработка не позволяют в достаточной мере осуществить дегазацию из пор прессовки газов и паров, что снижает плотность изделий.

Стадия быстрого нагрева длительна и составляет 20 минут. За это время при температуре 110-120°С смола превращается в жидкость и начинает смачивать частицы графита, но в поры смола проникнуть не может, поскольку газы и пары находятся под высоким давлением. В связи с этим полное смачивание частиц графита жидкой смолой невозможно, что также приводит к снижению плотности изделий.

Последующие стадии медленного до температуры 160-170°С и нагрева до температуры 180-200°С позволяют выполнить явления полимеризации и отверждения изделий, но существенно снижают производительность.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно увеличение плотности изделий и повышение производительности процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления графитопластовых изделий, включающем подачу порошковой композиции в предварительно нагретую пресс-форму, прессование, выдержку в горячей пресс-форме, согласно предлагаемому решению, порошковую композицию подают в нагретую до 100÷120°С пресс-форму, а выдержку ведут перед прессованием в течение 3÷4,5 минут, при этом во время выдержки пресс-форму дополнительно нагревают до 185÷190°С, а прессование ведут со скоростью пуансона 45÷48 мм/с.

То, что порошковую композицию подают в нагретую до 100÷120°С пресс-форму, а выдержку ведут перед прессованием в течение 3÷4,5 минут в открытой матрице пресс-формы, создает благоприятные условия для активной термодесорбции атомов, молекул газов и их паров химических соединений из порошковой композиции с открытой пористостью. Это дает возможность с поверхностей частиц графита и смолы и из пор между ними практически полностью удалить адсорбированные газы и пары.

Нагрев от температуры 100-120°С до температур 185-190°С за 3-4,5 минуты обеспечивает протекание таких физико-химических явлений в порошковой композиции как расплавление смолы, смачивание расплавом смолы частиц графита, взаимодействие частиц смолы с уротропином и ее полимеризацию. Длительность полного завершения явления полимеризации зависит от массы изделия и роста температуры. За 3 минуты температура возрастает со 120°С до 185°С, а за 4,5 минуты со 100°С до 190°С. При этих температурах полимеризация завершается отверждением изделия при выполнении операции горячего прессования.

Уменьшение температуры нагрева пресс-формы менее 100°С замедлит десорбцию и не позволит полностью удалить газы и пары. Увеличение температуры нагрева пресс-формы более 120°С приведет к преждевременному расплавлению смолы, что также замедлит процесс десорбции.

Производительность операции удаления определяется в основном массой засыпки. Так, при засыпке массой менее 100 г (вставки троллейбусов) при времени выдержки, равном 3 минуты, полностью удаляются газы и пары, а при засыпке массой более 300 г (блоки щеток и части вставок трамваев) необходимо время выдержки 4,5 минут.

При длительности операции удаления из засыпки менее 3 минут операция удаления не будет завершена, а при длительности более 4,5 минут упадет производительность.

Горячее прессование со скоростью пуансона пресс-формы менее 45 мм/с увеличивает длительность операции прессования, а увеличение скорости более 48 мм/с может вызывать появление дефектов в прессовке, поскольку смола находится в стадии отверждения.

Согласно предлагаемому решению изготовлены контактные вставки токосъемников троллейбусов из графита и фенолформальдегидной смолы размерами 86×28×18 мм. Порошковую композицию засыпали в матрицу пресс-формы, нагретой до 110°С, и выдерживали в открытой пресс-форме в течение 3 минут. За это время пресс-форму нагревали до 185°С. Прессование вели со скоростью пуансона 46 мм/с. Время изготовления вставки от момента окончания засыпки в пресс-форму порошковой композиции до начала выталкивания прессовки из матрицы составило 3,1 минуты. Плотность их повысилась в среднем на 3,5% и составила 1,76 г/см³.

Предлагаемый способ изготовления графитопластовых изделий найдет свое применение в порошковой технологии при получении электротехнических изделий преимущественно контактных вставок для городского и железнодорожного транспорта, щеток электромашин.