материал для изготовления устройств контактного токосъема и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Материал для изготовления устройств контактного токосъема, включающий графит и коксовый остаток, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кокс при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит	30-70
Кокс	20-60
Коксовый остаток	остальное.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит не более 30 мас.% углеродных волокон длиной до 30 мм.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит от 0,1 до 10% фуллеренов.

4. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит от 0,1 до 10% нанотрубок.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве графита он содержит естественный графит.

6. Способ изготовления материала в соответствии с любым из пп.1-5, отличающийся тем, что осуществляют смешение частиц графита, кокса, связующего и формируют из полученной смеси заготовку, обжигают полученную заготовку при условиях, обеспечивающих получение спеченной заготовки с пористостью, имеющей не более 10% закрытых пор, пропитывают заготовку под давлением этим же связующим, а затем осуществляют обжиг для карбонизации связующего.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве связующего используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что пропитку осуществляют под давлением до 2000 атм.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что обжиг для карбонизации осуществляют при 800-1200°С под давлением до 2000 атм.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что при смешении дополнительно вводят, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, включающей углеродные волокна, фуллерены и нанотрубки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материалам для изготовления из них устройств контактного токосъема, в частности для изготовления токосъемных вставок для железнодорожного транспорта и городского электротранспорта, и технологиям их получения.

В патенте RU 2075805 раскрывается материал для изготовления токосъемных вставок и способ его изготовления.

Материал включает следующие компоненты, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное.

Способ включает совместный размол и смешение технического углерода, графита, кокса, углеродистого аэрогеля, отходов обожженного и графитированного углеродистого материала и связующего при следующем соотношении компонентов, мас.%: молотые отходы обожженного углеродистого материала 1-16, молотые отходы графитированного углеродистого материала 1-16, углеродистый аэрогель 2-20, графит 3-6, кокс 6-32, связующее - твердый высокотемпературный пек - остальное, затем из полученной смеси формируют заготовку, которую термообрабатывают при 1200°C и графитируют при 2800°C. Из готового материала изготавливают токопроводящие, в т.ч. токосъемные, изделия.

Известное изобретение позволяет несколько уменьшить длительность цикла совместного размола, использовать недорогостоящие компоненты и реализовать следующие преимущества: на 20-40% сокращается длительность подготовки пресс-композиции в вибромельнице; на 15-30% снижается коэффициент трения; в 1,3-1,6 раза уменьшается износ элементов при их эксплуатации; ликвидируются местные перегревы.

К недостаткам данного известного изобретения относятся относительно высокий уровень удельного электрического сопротивления вставок, обусловленный совместным размолом и измельчением всех составляющих пресс-массы, низкая дугостойкость, не позволяющая их применение для мощного и высокоскоростного железнодорожного транспорта, а также необходимость высокотемпературной обработки при 2800°C, значительно повышающей энергоемкость технологии.

Наиболее близкий материал и способ его изготовления раскрываются в патенте RU 2150444.

В соответствии с данным патентом материал содержит следующие компоненты, мас.%:

Частицы естественного графита	10-90
Коксовый остаток	5-20
Пиролитический углерод	6-70

Способ предусматривает смешение частиц графита и связующего, формирование путем прессования из готовой смеси заготовки и ее обжиг при 800-1100°C в течение 0,5-1,5 ч в условиях, обеспечивающих получение открытой пористости не менее 10% и последующее насыщение полученной пористой заготовки пироуглеродом.

Материал характеризуется следующими свойствами: предел прочности на сжатие 49 МПа, удельное электрическое сопротивлением 2,8 мкОм·м, износостойкость вставки при трении с токосъемом 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника, уменьшенный в 2-5 раз износ медного контртела, предельно допустимая линейная плотность электрического тока, выше которой начинается катастрофический износ материала и/или медного контртела - более 20 А/мм.

К недостаткам наиболее близкого материала вставки можно отнести то, что глубина проникновения пироуглерода составляет лишь несколько миллиметров, поэтому высокой износостойкостью будет обладать только этот слой, интенсивность изнашивания остального (основного) слоя вставки будет на порядок больше.

Задачей изобретения является устранение присущих известным техническим решениям недостатков, а именно осуществление пропитки по всей глубине вставки для того, чтобы механические свойства и износостойкость вставки не изменялись с ее глубиной.

Поставленная задача решается материалом для изготовления устройств контактного токосъема, включающим графит и коксовый остаток, в соответствии с которым он дополнительно содержит кокс при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит	30-70
Кокс	20-60
Коксовый остаток	остальное.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что материал дополнительно содержит не более 30 мас.% углеродных волокон длиной до 30 мм.

Материал также может дополнительно содержать от 0,1 до 10 мас.% фуллеренов.

Материал также может дополнительно содержать от 0,1 до 10 мас.% нанотрубок.

В качестве графита материал может содержать естественный графит.

Поставленная задача также решается способом изготовления данного материала, в соответствии с которым осуществляют смешение частиц графита, кокса, связующего, формируют из полученной смеси заготовку, обжигают полученную заготовку при условиях, обеспечивающих получение спеченной заготовки с пористостью, содержащей не более 10% закрытых пор, пропитывают заготовку связующим под давлением до 2000 атм, а затем осуществляют обжиг для карбонизации связующего при температуре 800-1300°C под давлением до 2000 атм.

В желательных воплощениях изобретения в качестве связующего используют высокотемпературный нефтяной или каменноугольный пек.

В других предпочтительных воплощениях изобретения пропитку осуществляют под давлением до 2000 атм.

Обжиг для карбонизации осуществляют при 800-1200°C под давлением до 2000 атм.

При смешении дополнительно вводят, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, включающей углеродные волокна, фуллерены и нанотрубки.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Выбор качественного и количественного содержания компонентов шихтовой смеси для изготовления токосъемных вставок обусловлен следующим.

Содержание графита в смеси колеблется от 30 до 70 мас.%. При содержании природного графита в материале менее 30 мас.% снижается электропроводность вставок. Верхняя граница содержания графита (70%) обусловлена тем, что при более высоком содержании природного графита резко ухудшаются прочностные свойства вставок.

Содержание кокса в смеси составляет от 20 до 60 мас.%. Верхняя граница содержания кокса (60%) обусловлена повышением удельного электрического сопротивления материала, а также снижением его дугостойкости при более высоком содержании кокса. Нижняя граница содержания кокса (20%) обусловлена снижением твердости материала.

Для достижения декларируемого технического результата важно, чтобы в смеси присутствовали все эти три вышеперечисленных компонента (кокс, графит и коксовый остаток связующего) в заявленных соотношениях.

В качестве связующего может быть использован любой карбонизующийся материал с высоким коксовым остатком - нефтяные и каменноугольные пеки, фенолформальдегидные смолы, полиимидные смолы и пр.

Для некоторых воплощений изобретения наиболее привлекательным является использование высокотемпературных пеков. Использование таких пеков обеспечивает изобретению наиболее оптимальные условия получения материалов, работающих в условиях токоприемников с повышенной плотностью тока.

В других реализациях изобретения возможным является использование в качестве связующего термореактивных смол. В этом случае улучшаются механические характеристики материала, однако при этом несколько ухудшаются электрические свойства и выбор связующего зависит от конкретных условий эксплуатации.

Введение таких углеродсодержащих компонентов, как углеродные волокна, нанотрубки или фуллерены, позволяет достичь следующего.

Углеродные волокна способствуют повышению прочностных свойств материала и увеличивают сопротивляемость вставок ударным нагрузкам, возникающих на дефектах контактной сети. Увеличение содержания углеродных волокон выше заявленного количества приводит к росту электрического сопротивления вставок.

Введение нанотрубок и фуллеренов повышает механические и триботехнические свойства материала, при этом добавление их в указанных пределах не оказывает существенного влияния на электропроводность. Для конкретного случая состав шихты определяют из соотношения цена-качество.

Выбор в качестве графита естественного графита обусловлен его относительно низкой потребительской стоимостью.

Ниже приведен пример реализации изобретения.

Частицы графита, кокса, связующего - высокотемпературного каменноугольного пека, измельченное углеродное волокно смешивали в рассчитанных количествах (таблица) в закрытом вращающемся барабане в течение двух часов со скоростью вращения 60 об/мин. Затем путем прессования в стальной форме формовали заготовку с усилием 500 кг/см ², после чего заготовки подвергали обжигу при температуре 1100°C и нормальном атмосферном давлении до получения пористости. Полученные заготовки при температуре 270°C и давлении 1500 атм пропитывали высокотемпературным пеком с последующим обжигом при температуре 900°C и давлении 1500 атм.

Полученный материал подвергался испытаниям. Определяли его плотность, износостойкость, твердость, удельное электрическое сопротивление, дугостойкость, износостойкость под током и прочность на сжатие.

Испытания показали, что материал, выполненный в соответствии с изобретением, характеризуется следующими свойствами: плотность не менее 1,5 г/см³, удельное электрическое сопротивление не более 8 мкОм·м, твердость не менее 35 HS.

Интенсивность изнашивания токосъемных вставок, выполненных из заявленного материала, составляла не менее 0,4 мм на 1000 км пробега, при этом свойства вставки и ее износостойкость не изменяются по ее глубине

Свойства материала в зависимости от состава приведены в таблице.