Результат интеллектуальной деятельности: ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ СПЛАВ ЭК И ХОЛОДНОКАТАНЫЙ ПРОФИЛЬ ДЛЯ КОЛЛЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Предложение относится к области электромашиностроения, точнее к сплавам и изготовленных из них профилям для изготовления коллекторов электрических машин.

Материалы для коллекторных пластин и колец электрических машин должны обладать высокими электропроводностью и износостойкостью, хорошей обрабатываемостью. Износостойкость определяется, главным образом, твердостью материала. Указанным требованиям отвечают сплавы на основе меди (бронзы), которая обеспечивает электропроводность, с добавками других веществ, обеспечивающих износостойкость, обрабатываемость и качество коммутации. Даже небольшие в процентном содержании добавки других веществ сильно снижают электропроводность меди, и проблема разработки сплавов состоит в том, чтобы обеспечить требуемые механические свойства при минимальном содержании добавок. Особенностью медных сплавов является также сильная зависимость их свойств от содержания и состава незначительных (доли процента) количеств примесей.

Известен рекомендованный ГОСТ сплав на медной основе БрКд1, содержащий 0,9-1,2% кадмия, 98,5-99,1% меди и до 0,35% примесей («Профили из медных сплавов для коллекторов электрических машин» - ГОСТ 4134-75, М.: Издательство стандартов, 1975). Удельное сопротивление сплава составляет 23·10⁹ Ом·м. Недостатками известного сплава являются дороговизна производства сплава, обусловленная токсичностью кадмия, а также отсутствие стабильности требуемых свойств, производимых из сплава готовых изделий.

По эффекту токсичности кадмий относится к 1-му классу и его использование в производстве сплавов требует применения дополнительных систем вентиляции и регенерации воздуха рабочих зон, средств индивидуальной защиты персонала и мероприятий по обеспечению экологической безопасности производства.

Установленная ГОСТ 4134-75 максимально допустимая сумма примесей бронзы БрКд1 не должна превышать 0,35%. Состав этих примесей ГОСТ не нормирует и конкретные допустимые значения содержания примесей в нем не указаны. Но важные именно для коллекторных пластин свойства сплава могут значительно изменяться в зависимости от рода примеси. Это приводит к отсутствию стабильности требуемых свойств готовых изделий, произведенных из данного сплава. Например, вполне возможно, что в одной из партии меди содержание свинца составит 0,3%, а содержание остальных примесей - 0,05%. Но даже такое, сравнительно малое содержание свинца значительно ухудшает обрабатываемость сплава, требуемые механические свойства материала могут быть не достигнуты, свойства сплава и производимых из него профилей будет заметно варьировать от партии к партии меди.

Известен также сплав на медной основе для коллекторных пластин, содержащий цирконий и иттрий в количестве 0,35-0,55 и 0,05-0,1% соответственно («Сплав для коллекторных пластин». А.с. СССР №290942 по кл. С 22 С 9/00 от 19.05.69). Добавка иттрия повышает износоустойчивость сплава в условиях вакуума. Недостаток сплава состоит в сложности технологии его изготовления, так как оба добавляемых металла активно взаимодействуют с кислородом и имеют существенно большие, чем медь, 1852°С и 1509°С, температуры плавления.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является рекомендованный ГОСТ 4134-75 сплав на медной основе марки БрМг0,3, содержащий до 0,05% железа, 0,2-0,5% магния, 99,3-99,8% меди и до 0,2% примесей. Удельное сопротивление сплава составляет 24·10⁹ Ом·м. Недостатком известного сплава является сложность технологии его изготовления. Другим недостатком известного сплава является нестабильность его свойств, обусловленная неопределенностью состава примесей, не определенных установленной ГОСТ рецептурой сплава. Хотя она и меньше, чем у предыдущего аналога, но все же достаточно велика, чтобы стать заметной, главным образом при эксплуатации электрических машин с коллекторами из этого сплава.

Магний, входящий в состав сплава, причем в очень малом количестве, активно горит на воздухе, имеет невысокую температуру плавления - 650°С и низкую температуру кипения - 1100°С по сравнению с медью, составляющей основу сплава (температура плавления 1083°С, температура кипения 2540°С). Это требует использования специальных методов и приемов плавки и литья слитков, сильно удорожает производство продукции из бронзы БрМг0,3.

Известен рекомендованный ГОСТ 4134-75 холоднокатаный профиль для изготовления коллекторов электрических машин, имеющий в поперечном сечении вид равнобедренной трапеции, изготовленный из упомянутых выше сплавов БрКд1 и БрМг0,3. Недостатками профиля являются повышенная стоимость, в которую входят издержки на обеспечение экологической безопасности производства сплавов, а также низкая стабильность свойств от партии к партии. Разброс свойств по обрабатываемости вынуждает перенастраивать оборудование при получении новой партии материала, разброс электрических свойств и износостойкости не позволяют уверенно гарантировать высокий ресурс электрических машин с коллекторами из этого профиля.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание экологически чистого и безопасного в производстве, высоко технологичного при обработке давлением, сварке и пайке низколегированного сплава для производства холоднокатаных профилей, предназначенных для изготовления коллекторов электрических машин. Характеристики профилей: прочностные свойства, жаропрочность, отсутствие водородной болезни, тепло- и электропроводность должны отвечать требованиям к коллекторам электрических машин.

Поставленная задача решается тем, что предложенный сплав для коллекторов электрических машин на медной основе содержит компоненты в следующем соотношении, %:

Кроме того, предложенный холоднокатаный профиль для коллекторов электрических машин, имеющий в поперечном сечении вид равнобедренной трапеции изготавливается из предложенного сплава.

Благодаря введению в состав сплава олова в указанных пределах повышается износоустойчивость и жаропрочность сплава.

Благодаря введению в состав сплава серебра в указанных пределах удельное сопротивление сплава стабилизируется на хорошем - (20±1)·10⁹ Ом·м, уровне.

Благодаря использованию фосфора при производстве сплава обеспечивается эффективное раскисление меди, а ограничение содержания фосфора в сплаве предотвращает снижение показателей тепло- и электропроводности.

Благодаря отсутствию в составе сплава вредных и плохо технологически совместимых компонентов упрощается и удешевляется производство сплава и проката из него, поскольку можно использовать стандартное технологическое оборудование, не привлекая дополнительных технических устройств и технологических решений, обеспечивающих экологическую и промышленную безопасность.

Наилучшие качества сплава и стабильность его свойств от партии к партии достигаются при максимальном содержании в примесях других элементов в следующем соотношении, в процентах по отношению к общей массе сплава:

при общем содержании примесей не более 0,2%.

Благодаря изготовлению холоднокатаного профиля для коллекторных пластин из предложенного сплава, упрощается изготовление профиля за счет повышения стабильности его механических свойств и обрабатываемости, а также повышается надежность и ресурс электрических машин с коллекторами, изготовленными из предложенного профиля.

Испытаниями полученного сплава установлено, что его удельное сопротивление составляет 20·10⁹ Ом·м, что приблизительно на 15-20% меньше, чем у известных сплавов-аналогов и не превышает удельное сопротивление меди марки М2. Разброс этого показателя от плавки к плавке не превышал 2·10⁹ Ом·м, что в 3...4 раза меньше, чем у известных сплавов.

Холоднокатаные профили из предложенного сплава значительно тверже (НВ=117±2), чем требует ГОСТ 4134-75 от пластин из сплавов БрКд1 и БрМг0,3, что позволяет предполагать их высокую износостойкость.

При изготовлении холоднокатаных профилей из предложенного сплава, а также при изготовлении из них опытных образцов коллекторных пластин различий в обрабатываемости между предложенным сплавом и сплавами-аналогами не выявлено.

Механические свойства сплава: твердость НВ 117±2; σ_в,=470±20 Н/мм², σ₀₂=360±16 Н/мм², δ=11-12%.