СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ КОНТАКТНЫХ ВСТАВОК

Изобретение относится к области производства устройств для контактного токосъема и может быть использовано в электротехнике при производстве контактных вставок для электровозов, трамваев, троллейбусов и метропоездов, а также в электротехнических изделиях бытового назначения.

При изготовлении изделий из углеродных материалов в качестве наполнителя обычно используют искусственный графит - отходы механической обработки электродного производства, а в качестве связующего - фенолформальдегидную новолачную смолу. На фирме «Графитопласт» технологический процесс получения токосъемных изделий включает следующие основные операции: измельчение графита и его гомогенизацию с порошком связки в вибрационной мельнице, прессование полученной графитопластовой смеси в нагретой матрице пресс-формы с выдержкой после прессования и термическую обработку.

Известный способ изготовления контактных вставок (патент РФ №2267411) осуществляется следующим образом. Углеродистый наполнитель (графит 75-85%) и сухое связующее (фенолформальдегидная смола - 15-25%) смешивают, помещают в пресс-формы. Прессование ведут при температуре 150-170°C, удельном давлении 300-400 кгс/см² с выдержкой изделий под давлением в течение 3-5 минут. Затем вынимают изделия из пресс-форм, помещают их в специальные термокамеры и подвергают обработке. Для этого производят в течение 30-50 мин быстрый нагрев изделий до 80-100°C, а затем медленный нагрев до 150-200°C с убывающей скоростью в течение 2,5-3 часов и выдерживают при этой температуре до 1,5 часов. Охлаждают вместе с термокамерой путем естественного остывания.

К недостаткам данного способа следует отнести высокий уровень содержания летучих компонентов, которые играют отрицательную роль при прессовании и термообработке, образуя дефекты и внутренние перенапряжения. Проведение смешения компонентов в одном смесителе не обеспечивает поэтапного модифицирования смеси, что приводит к неоднородности состава, за счет недостаточно полного взаимодействия модифицирующих добавок с наполнителем и связующим. Быстрый нагрев в термокамере до 80°C может привести к быстрому выходу летучих компонентов и влаги, что способствует образованию трещин и рыхлости структуры. Конечная температура в 200°C повышает физико-механические показатели за счет полной полимеризации связующего, но при этом ухудшает электрические свойства материала, что приводит к дугообразованию, перегреву и микровзрывам в композиционном материале и как результат - быстрому износу токосъемной вставки.

Известен способ, описанный в патенте РФ №2510339, согласно которому изготовление контактной вставки осуществляют смешением частиц графита, кокса, коксового остатка, железного порошка и связующего, в качестве которого используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек. Из полученной смеси формуют заготовки и подвергают обжигу при условиях, обеспечивающих карбонизацию связующего с получением коксового остатка, содержащего не менее 10% по объему сквозных пор, с последующей пропиткой связующим. Пропитку связующим осуществляют под давлением от 40 МПа до 50 МПа в защитной атмосфере. Проводят повторный обжиг и механическую обработку заготовки для придания требуемой формы.

Недостатками данного способа являются: сложность реализации, большие технологические затраты, экологическая нагрузка на природу и окружающее пространство и, несомненно, высокая себестоимость изделия. Также следует учесть то, что порошок железа при реализации данной технологии переходит в инертное оксидное состояние в процессе карбонизации пека, сопровождающееся выделением большого количества окисляющих летучих компонентов, что приводит к потерям порошка железа как активного компонента смеси. Применение большого количества кокса и порошка железа приводит к быстрому износу контактной сети. При этом работоспособность токосъемной вставки сохраняется, но возрастают дополнительные затраты на обслуживание контактной сети, превышающие просто замену вставки.

В рассмотренных выше способах главным недостатком является отсутствие возможности поэтапного модифицирования отдельных компонентов, что позволило бы целенаправленно и экономически обоснованно добиваться требуемых параметров и характеристик. Также в предложенных способах отсутствует стадия горячей гомогенизации, при которой происходит наибольшее удаление летучих компонентов и пластификация композиционного материала.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа изготовления токопроводящих контактных вставок, позволяющего повысить основные эксплуатационные характеристики токопроводящих контактных вставок: электропроводность, механическую прочность, стойкость к дугообразованию и истиранию, за счет чего позволяет обеспечить высокую надежность и долговечность изделий.

Поставленная задача решается с помощью предложенного способа изготовления токопроводящих контактных вставок, включающего следующие операции: смешивание связующего и графитового наполнителя, прессование изделий из полученной смеси, их термическую обработку. При этом связующее готовится предварительно в шаровой мельнице и включает следующие компоненты: уротропин, смола, стеарат металла (железа, цинка, никеля, хрома) и оксидов металла. Смешение связующего с наполнителем производится в вибромельнице, где в качестве наполнителя используют графит, кокс, модифицированный терморасширенный и окисленный графит, металлические порошки (меди, цинка, бронзы, никеля, железа), при этом гомогенизацию компонентов проводят при температуре 140-170°C, а прессование - при температуре 140-170°C, удельном давлении 300-600 кгс/см² с выдержкой 2-4 мин и последующую термообработку при температуре до 700-900°C.

Предварительное смешивание связующего производится в шаровой мельнице со стальными шарами, позволяющей получать однородную мелкодисперсную смесь. На этой стадии производится необходимая модификация связующего, приводящая к улучшению эксплуатационных свойств материала. В качестве модификаторов связующего (фенолоформальдегидной смолы) используются оксиды металлов щелочного и щелочно-земельного типа, а также оксиды благородных металлов, оксиды хрома, железа, никеля, меди. Введение оксидов металлов обусловлено реакционной способностью вещества реагировать по гидроксильной группе. Эта реакция служит дополнительной сшивкой для полимерной матрицы, тем самым упрочняя ее, повышая плотность материала, стабильность при термообработке. Изделия, в которых применяется такое модифицированное связующее, отличаются повышенной стойкостью к кислороду воздуха при нагреве, химической стойкостью, делая графитопластовый материал более стойким к кислотам и щелочам.

Использование в составе связующего стеарата металла (железа, цинка, никеля, хрома) в качестве пластификатора и смазки позволяет получать смесь более плотного состава. При стабилизирующей термообработке (до 200°C) стеарат металла служит гидрофобной добавкой, улучшая контактное трение, при этом не ухудшая электрических свойств. При высокотемпературной термообработке (700-900°C) стеарат металла разлагается с получением наноразмерного активного металла, распределенного по всей поверхности. В совокупности модифицирующие добавки дополняют друг друга и позволяют получать изделия на основе фенолоформальдегидной смолы, превосходящие по своим показателям существующие аналоги, такие как токосъемные вставки для электроподвижного и городского транспорта, анодные заземлители типа ЭГТ, футеровочную плитку или химическую посуду.

При смешении связующего с наполнителем в вибромельнице материал приобретает повышенную однородность за счет взаимопроникновения компонентов друг в друга. На выходе получается мелкодисперсный порошок со средними размерами частиц 10-20 мкм. В качестве наполнителя в смесь добавляется кокс, графит, модифицированный терморасширенный и окисленный графит, металлический порошок. Введение таких компонентов волокнистого типа армирует полимерную структуру, увеличивая электропроводность, механическую прочность, стойкость к дугообразованию и истиранию, что является наиболее важным для электротехнических изделий и токосъемных материалов, а наличие небольшого количества металлических порошков позволяет повысить трибологические характеристики графита. За счет карбонизации из смолы в качестве летучих выделяется водород, который служит восстановителем для оксидов металлов, образующихся на ранних стадиях термообработки.

Процесс гомогенизации смеси при температуре 140-170°C позволяет удалить ненужные летучие компоненты из материала и обеспечить первичную полимеризацию. Это облегчает дальнейший процесс прессования и полимеризации смеси, что повышает технологичность производства. Гомогенизацию можно проводить как с помощью вальцев, так и экструдера.

Прессование производится на вертикальном гидравлическом прессе с удельным давлением 300-600 кгс/см², температурой 140-170°C и временем выдержки под давлением и температурой 2-4 мин. За это время происходят все реакции поликонденсации и застывание смеси. В отличие от прототипа в предлагаемом способе сокращается время выдержки под давлением за счет дополнительного отверждения оксидами металлов и уплотнения стеарата металла. Это позволяет повысить производительность выпуска изделий, что приводит к увеличению прибыли при одинаковых трудозатратах.

Термообработка производится в защитной засыпке коксового типа до температуры 700-900°C, при этом происходит полное удаление всех летучих компонентов, удаление водорода из полимерной матрицы, циклизация структуры и активация модифицирующих добавок, что позволяет получить изделия с высокой электропроводностью, стойкостью к кислороду воздуха, дугостойкостью, а также снять внутренние напряжения в материале.

Заявляемый способ изготовления электротехнических изделий и токосъемных материалов осуществляется следующим образом.

В шаровую мельницу загружается 13-17% фенолоформальдегидной смолы новолачного типа; 1,5% уротропина; 0,5-1% стеарата металла; 1-7% оксида металла. Перемешивание производится на протяжении 0,5-1 часа. Затем в вибрационной мельнице производится смешение модифицированного связующего с наполнителями: 10-20% кокса; 0,5-1,5 модифицированного терморасширенного графита; 3-7% модифицированного окисленного графита, 1-10% металлических порошков (медь, цинк, латунь, бронза, никель, железо), все остальное графит. Смесь смешивается на протяжении 10-20 минут. Далее смесь гомогенизируется на вальцах при температуре 130-160°C и измельчается в дезинтеграторе. Прессование производится на вертикальном гидравлическом прессе с удельным давлением 300-600 кгс/см², температурой 140-170°C и временем выдержки под давлением и температурой 2-4 мин. Термообработка производится в защитной засыпке при следующей скорости подъема температур: подъем до 100°C - 5 часов, выдержка 5 часов; подъем до 150°C - 5 часов, выдержка 5 часов; подъем до 200°C - 5 часов, выдержка 10 часов; подъем до 500°C - 10 часов, выдержка 5 часов; подъем до 800 - 20 часов; выдержка 20 часов. Охлаждение производится естественным путем вместе с термокамерой.

Ниже приведены примеры реализации способа изготовления токопроводящих контактных вставок при различных соотношениях ингредиентов и режимах обработки. Во всех примерах использован композиционный материал с модифицированным связующим следующего состава: смола 13-17%, стеарат железа 0,5-1%; уротропин 1,5%; оксид металла 1-7%.

Пример 1

Образец был изготовлен в соответствии с предлагаемым способом и вышеуказанным составом связующего, в качестве наполнителя использован графит (остальное). Гомогенизация компонентов проведена при температуре 140°C, прессование проведено при той же температуре (140°C) и удельном давлении 300 кгс/см² с выдержкой 2 мин и последующей термообработкой до 800°C. Исследования показали, что удельное электрическое сопротивление составило 13 мкОм⋅м, плотность 1,81 г/см³, твердость 50-58 HSD, предел прочности на изгиб и сжатие - 324 и 480 кгс/см², коэффициент трения по меди - 0,11.

Пример 2

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 15% кокса. Исследования показали: УЭС - 13 мкОм⋅м; плотность - 1,8 г/см³; твердость 55-62 HSD, предел прочности на изгиб и сжатие - 330 и 510 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,10.

Пример 3

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 10% металлических добавок. Исследования показали: УЭС - 10 мкОм⋅м; плотность - 1,97 г/см³; твердость 45-49 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 200 и 300 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,09-0,1.

Пример 4

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 1,0% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 7 мкОм⋅м; плотность - 1,81 г/см³; твердость 40-45 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 300 и 750 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 5

Как описано в примере 1, но в качестве наполнителя - графит с добавлением 5% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 7 мкОм⋅м; плотность 1,83 г/см³; твердость 43-50 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 320 и 750 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 6

Как описано в примере 2, но с добавлением 10% металлических добавок. Исследования показали: УЭС - 11 мкОм⋅м; плотность - 1,89 г/см³; твердость 48-54 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 240 и 500 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,11.

Пример 7

Как описано в примере 2, но с добавлением 0,5% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 9,5 мкОм⋅м; плотность - 1,76 г/см³; твердость 47-53 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 330 и 600 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 8

Как описано в примере 2, но с добавлением 4% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 8 мкОм⋅м; плотность - 1,8 г/см³; твердость 46-53 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 325 и 670 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 9

Как описано в примере 3, но с добавлением 1,5% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 6,5 мкОм⋅м; плотность - 1,9 г/см³; твердость 45-51 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 350 и 750 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 10

Как описано в примере 3, но с добавлением 7% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 7,1 мкОм⋅м; плотность - 1,89 г/см²; твердость 48-54 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 330 и 720 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,06.

Пример 11

Как описано в примере 6, но с добавлением 0,5% модифицированного терморасширенного графита. Исследования показали: УЭС - 7,5 мкОм⋅м; плотность - 1,91 г/см³; твердость 51-57 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 355 и 710 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,07.

Пример 12

Как описано в примере 6, но с добавлением 5% модифицированного окисленного графита. Исследования показали: УЭС - 7,9 мкОм⋅м; плотность - 1,91 г/см³; твердость 50-55 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 350 и 720 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,07.

Пример 13

Как описано в примере 1, температура прессования составила 170°C с временем выдержки под давлением 4 минуты, температурой термообработки 700°C. Исследования показали: УЭС - 18 мкОм⋅м; плотность - 1,80 г/см³; твердость 59-63 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 315 и 460 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,11.

Пример 14

Как описано в примере 13, при температуре гомогенизации 170°C, удельном давлении прессования 700 кгс/см², температуре термообработки 900°C. Исследования показали: УЭС - 11 мкОм⋅м; плотность - 1,83 г/см³; твердость 53-57 HSD; предел прочности на изгиб и сжатие - 355 и 500 кгс/см²; коэффициент трения по меди - 0,11.

Электротехнические изделия и токосъемные материалы, получаемые по предложенному способу, отличаются высокой износостойкостью, что подтверждено результатами экспериментов и ходовыми испытаниями троллейбусных вставок со средним расстоянием от 1000 до 1500 км. Достигнутые физико-механические и электрические показатели превышают существующие аналоги на основе графита и кокса в 2-5 раз. Несмотря на то что стоимость одной троллейбусной вставки из графитопластового материала выше среднерыночной на 1,5 рубля, ее эксплуатационные характеристики - надежность и долговечность компенсируют затраты на производство.

Токосъемные вставки для электроподвижного состава, изготовленные по предложенному способу, соответствуют ГОСТ 32680 «Токосъемные элементы контактные токоприемников электроподвижного состава» и обеспечивают требуемое прохождение в 60 тыс. км.