Способ получения электротехнических изделий из порошковых композиций на основе углерода

Изобретение относится к порошковой технологии, а именно к способам получения изделий из порошковых композиций на основе углерода, применяемых для изготовления щеток электромашин, контактных вставок токосъемников для городского и железнодорожного электротранспорта и других изделий электротехнического назначения.

Известен способ получения изделий (Трофимов А.Н., Контактные вставки токоприемников троллейбусов, - М., Высшая школа, 1966, с. 115). Способ включает приготовление смеси из графита и связки, последующее прессование из нее изделий в нагретой до 160-170°С пресс-форме. Смесь подают в пресс-форму сразу после приготовления, прессование ведут с удельным давлением 350 кГ/см².

Недостатком указанного способа является низкая плотность получаемых изделий, а также налипание смеси на стенки пресс-формы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту предлагаемому является способ изготовления электрических изделий (щеток, контактных вставок) из углеродных порошков (Патент РФ на изобретение №2652302, Способ получения электротехнических изделий из порошковых композиций на основе углерода, МПК B22F 3/02, от 25.04.2018). В способе приготавливают порошковую композицию измельчением порошка графита и последующим смешиванием его с формальдегидной смолой. Перед прессованием приготовленную композицию выдерживают в течение 4-6 часов при температуре 70-90°С. Выдержка композиции перед прессованием за счет получения на твердых частицах формальдегидной новолачной смолы полимера, предохранит их немедленное превращение в жидкость и налипание на нагретые стенки пресс-формы.

Однако в указанном способе плотность получаемых изделий остается недостаточной, а также имеет место повышенное электросопротивление.

Технической проблемой в настоящее время является трудность получения высокоплотных электротехнических изделий из порошковых композиций на основе углерода с низким электросопротивлением.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение плотности изделий, снижение их электросопротивления, а также повышение производительности способа.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения электротехнических изделий из порошковых композиций на основе углерода, включающем измельчение порошка графита, смешивание его с формальдегидной наволачной смолой, выдержку полученной композиции в пресс-форме при температуре 70-90°С и окончательное прессование, согласно предлагаемому решению, в конце выдержки к смеси прикладывают вибрацию в течение 1,0-1,5 минут частотой 90-180 Гц амплитудой колебаний 0,5-2,0 мм, при этом с формальдегидной смолой смешивают три фракции графита: 10-24 мкм в количестве 21-22 об.%; 90-120 мкм в количестве 37-38 об.%; 210-500 мкм в количестве 40-42 об.%, причем перед вибрацией полученную смесь выдерживают в течение 2-3 часов при температуре 50-70°С.

При вибрационном воздействии на порошковую композицию ослабляются силы ее трения со стенками матрицы и силы внутреннего трения между частицами композиции, разрушаются связи между структурными элементами композиции, что создает условия для гомогенизации и более плотной укладки частиц, а также удаления летучих из композиции и повышение электропроводности композиции в матрице пресс-формы. На разрушение связей между структурными элементами композиции и удаление летучих преобладающее влияние оказывает частота и амплитуда вибраций, а более плотная укладка частиц и повышение электропроводимости смеси и изделий определяется продолжительностью приложения вибраций (Фиалков А.С. Процессы и аппараты производства порошковых углеродных материалов. М.: Аспект Пресс, 2008, с. 330-357).

Вибрационное воздействие на композицию, включающую три фракции заявляемых размеров частиц графита, позволяет наиболее плотно уложить эти частицы и, тем самым, повысить ее плотность и снизить электросопротивление получаемых из нее изделий.

Сокращение времени выдержки композиции и снижение температуры выдержки позволяют также повысить производительность способа.

Содержание частиц графита размерами 10-24 мкм менее 21 об.% ведет к увеличению формальдегидной смолы в композиции, а содержание частиц графита в композиции более 22 об.% ведет к уменьшению ее плотности.

Содержание частиц графита размерами 90-120 мкм менее 37 об.% ведет к снижению плотности изделий, а содержание частиц указанных размеров более 38 об.% снижает прочность изделий.

Содержание частиц графита композиции размерами 210-500 мкм менее 40 об.% ведет к снижению плотности изделий, а содержание этих частиц более 42 об.% ведет к дефектам на прессовках.

Размеры трех фракций частиц графита в композиции определяются условием наиболее компактного их распределения. Отклонения размеров от указанных значений частиц графита не позволяют достичь указанный технический результат.

Снижение частоты вибраций композиции вместе с пресс-формой менее 90 Гц приводит к увеличению пористости, а повышение частоты вибраций более 180 Гц приводит к возникновению дефектов композиции в виде расслоений.

Снижение амплитуды колебаний ниже 0,5 мм снижает плотность композиции, а повышение амплитуды колебаний более 2 мм приводит к возникновению дефектов в виде расслоев.

Снижение продолжительности приложения вибрации менее 1 минуты в недостаточной степени (менее 10%) снижает пористость композиции. Повышение длительности приложения вибраций более 1,5 минуты приводит к повышению пористости и повышению удельного электросопротивления.

Снижение времени выдержки менее 2 часов не предотвратит налипание композиции на стенки пресс-формы при прессовании, а увеличение времени выдержки более 3 часов снизит производительность способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Графит по ТУ 1916-1-9-71-2000 измельчают в шаровой мельнице, полученный порошок разбивают на три фракции с размерами частиц 10-24 мкм, 90-120 мкм и 210-500 мкм. Затем смешивают указанные три фракции частиц графита при заявляемом количестве каждой из них с новолачной смолой. В результате процесса измельчения и смешивания композиция происходит нагрев ее до начальной температуры плавления смолы 50-70°С.Полученную нагретую композицию помещают в матрицу пресс-формы и выдерживают ее в течение 2-3 часов. За 1,0-1,5 минуты до окончания выдержки к матрице с нагретой композицией прикладывают вибрацию частотой 90-180 Гц и амплитудой колебаний 0,5-2,0 мм. Затем матрицу устанавливают на стол пресса и выполняют операцию формования изделий.

Согласно предлагаемому способу были получены контактные вставки токосъемников троллейбусов размерами 86×27×18 мм. Из отходов производства электродов Челябинского электродного завода путем измельчения получали графит в соответствии с ТУ 1916-1-9-71-2000 размерами 15 мкм в количестве 21,5 об.%, 105 мкм в количестве 37,5 об.%, 300 мкм в количестве 41 об.%. Указанные фракции порошка графита смешали с 14%-ной новолачной смолой. В результате измельчения графита и смешивания ее с формальдегидной смолой полученная композиция нагревалась до 60°С. Затем полученную нагретую композицию помещали в матрицу пресс-формы и выдерживали 2,5 часа. До окончания выдержки композицию в течение 1,5 минуты подвергли вибрации с частотой 90 ГЦ и амплитудой, равной 2 мм. Полученные изделия имели плотность 1,76 г/см³, электросопротивление составило 51 мкОм⋅м, производительность способа по сравнению с наиболее близким аналогом повысилась на 4%.

Предлагаемый способ найдет применение при изготовлении изделий электротехнического назначения из порошковых композиций на основе углерода, таких как щетки электрических машин, контактные вставки электротранспорта.