Спеченный композиционный материал
Владельцы патента RU 2281341:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр прикладных нанотехнологий" (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к спеченным композиционным материалам на основе некарбидообразующих металлов, содержащим антифрикционный накопитель. Данные материалы используются для изготовления токопроводящих узлов трения, коммутирующих электрических контактов, в частности токосъемных узлов электротранспорта. Спеченный композиционный материал содержит металлическую матрицу из некарбидообразующего металла, графит 3-10 мас.%, термореактивную смолу 0,1-2,0 мас.%, полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа 0,005-0,2 мас.%. Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа имеют межслоевое расстояние 0,34-0,36 нм, средний размер частиц 60-200 нм и удельное электрическое сопротивление не более 2,5×10-4 Ом·м-1 при давлении 120 МПа. В качестве термореактивной смолы материал содержит эпоксидную или фенолформальдегидную смолу. В качестве металлической матрицы материал содержит медь, никель или нержавеющую сталь. Технический результат - повышение износостойкости как композиции, так и контртела при сохранении низкого удельного электрического сопротивления композиционного материала. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным псевдосплавам на основе некарбидообразующих металлов, содержащим антифрикционный наполнитель. Указанные материалы находят применение для изготовления токопроводящих узлов трения, коммутирующих электрических контактов и, в частности, токосъемных узлов электротранспорта.
При контакте токосъемных узлов и токоведущих шин-троллеев возникает сложный электротриботехнический процесс, приводящий к износу обоих контактирующих элементов. При этом явления механического и электрического износа взаимосвязаны. К материалам, используемым для изготовления токосъемных узлов, предъявляются определенные требования. Основными из них являются требования высокой электропроводности и высоких антифрикционных характеристик. Подобные материалы могут быть получены технологией порошковой металлургии.
Наиболее распространенным псевдосплавом является псевдосплав меди с наполнителем, который содержит 0,25-10 мас.%, чаще 3,0-5,0% графита. Графит легко расслаивается на чешуйки (пластинки) или блоки пластинок, которые располагаются на рабочих поверхностях контактов и препятствуют схватыванию этих поверхностей при скольжении или свариванию их при прохождении электрического тока [Шулепов С.В. Физика углеграфитовых материалов. М.: Металлургия, 1972]. Графит не взаимодействует с металлом, составляющим непрерывную матрицу псевдосплава, в которой должны равномерно распределяться мелкие включения наполнителя.
Однако эти композиционные материалы обладают недостаточной для токосъемных элементов износостойкостью и механической прочностью, а также низкой дугостойкостью.
Известен композиционный материал марки КМКБ10 (ТУ 16 538.272-75), представляющий собой спеченный псевдосплав, содержащий медно-никелевую матрицу и графит. Этот материал обладает более высокой электроэрозионной стойкостью и износостойкостью, чем материал, включающий медь и графит. Тем не менее износостойкость этого материала недостаточна для продолжительной эксплуатации токопроводящих узлов трения, изготовленных из него, а его электропроводность ниже, чем у сплавов типа бронзы или псевдосплавов на основе меди.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому материалу является спеченный композиционный материал, включающий металлическую матрицу, графит и углеродные наноструктуры [патент РФ № 2087575, М.кл6 С 22 С 1/09, Н 01 Н 1/02, опубл. 20.08.97]. В качестве металлической матрицы известный материал содержит некарбидообразующие металлы, такие как медь или смесь меди с оловом, в соотношении 18:1. Композиция также включает 1-20 мас.% (в примерах 3-5 мас.%) графита и 0,1-20 мас.% (в примерах 1-2 мас.%) смеси углеродных нановолокон и/или фуллеренов и графита. Процент наноструктур в смеси с графитом не указан.
Указанная композиция имеет более высокую твердость, чем композиция, не содержащая углеродных наноструктур, и примерно то же значение удельного электрического сопротивления.
Однако известно [Белоусов В.П. и др. Оптич. журнал, 1997, 64, № 12, с.3-37], что фуллерены не выдерживают термообработки при температуре выше 450°С. В прототипе спекание (как это и требуется в порошковой металлургии меди и ее сплавов) производится при температуре 700-1000°С, что неизбежно приведет к деструктурированию фуллеренов. По нашим данным добавление в композицию графита, содержащего указанные наноструктуры, не приводит к повышению износостойкости медно-графитовой композиции.
Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, состоит в повышении износостойкости как композиции, так и контртела, при сохранении низкого удельного электрического сопротивления композиции.
Указанный технический результат достигается тем, что спеченный композиционный материал, включающий металлическую матрицу из некарбидообразующего металла, графит и углеродные наноструктуры, в качестве последних содержит полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм, средним размером частиц 60-200 нм, удельным электрическим сопротивлением не более 2,5×10-4 Ом·м-1 при давлении 120 МПа и дополнительно термореактивную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| графит | 3-10 |
| термореактивная смола | 0,1-2,0 |
| полиэдральные многослойные | |
| углеродные наноструктуры | |
| фуллероидного типа | 0,005-0,2 |
| металлическая матрица | остальное |
В качестве некарбидообразующего металла металлическая матрица композиции может содержать медь, никель, нержавеющую сталь, а также смеси меди с различными металлами, бронзу различного состава и др.
В качестве термореактивной смолы композиция может содержать эпоксидную смолу, например, такую как эпоксидная диановая смола марки ЭД-20, или фенолформальдегидную смолу, например бакелитовый лак.
Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа выделены нами из корки катодного депозита, полученного термическим распылением графитового анода в поле постоянного тока в атмосфере инертного газа, так, как это описано в патенте РФ № 2196731. Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа обладают высокой термобароустойчивостью к графитизации (3000°С при давлении 50 Кбар); они выдерживают нагрев до 1000°С, необходимый для спекания композиции.
Композиция содержит также графит, например, марки ГС-3 по ГОСТ 8295-73.
Композиция получена следующим образом.
Смесь медного порошка (ПМС-1, ГОСТ 4960-75) и графита (ГС-3, ГОСТ 8295-73) с добавлением 0,7 мас.% стеарата цинка (смазка и порообразователь) перемешивали в течение двух часов в смесителе типа «пьяная бочка». Из образованной смеси формировали пластины 10×10×80 мм на гидравлическом прессе. Пластины спекали в среде диссоциированного аммиака в камерной электропечи типа ВП-25 при температуре 900-1000°С в течение 2 часов.
К эпоксидной смоле марки ЭД-20 добавляли порошок полиэдральных многослойных углеродных наноструктур. После тщательного перемешивания к смеси прибавляли отвердитель, опускали в них пластины и пропитывали их эпоксидной смолой с отвердителем и наноструктурами под действием ультразвука с частотой 22 КГц в течение 50 мин.
Пропитанные пластины калиброваны путем холодной допрессовки в пресс-форме под давлением 100-200 МПа.
Определяли удельное электрическое сопротивление пластины по ГОСТ 7229-76, твердость по Бринелю (ГОСТ 9012-50) и износостойкость (по разработанной заявителем методике) как потерю веса образца и потерю веса контртела - ролика из бронзы - при прокатке контртела по образцу.
Состав композиционного материала и его физико-механические свойства приведены в таблице.
| Таблица Состав композиций и их физико-механические свойства. | ||||||||
| № п/п | Содержание компонентов, мас.% | Удельное электрическое сопротивление мкОм·м-1 | Твердость НВ МПа | Износ, мг | ||||
| образца | Контртела | |||||||
| графит | Термореактивная смола | наноструктуры | основа | |||||
| 1 | 3 | 2 | 0,005 | медь | 0,047 | 550 | 13,7 | 0,19 |
| 2 | 10 | 0,1 | 0,2 | медь | 0,029 | 410 | 9,8 | 0,17 |
| 3 | 5 | 1,0 | 0,1 | медь | 0,040 | 340 | 15,5 | 0,15 |
| 4к | 5 | 1,0 | - | медь | 0,046 | 100 | 13,8 | 0,58 |
| 5к | 5 | - | 0,1 | медь | 0,041 | 449 | 133,0 | задир |
| 6к | 5 | - | - | медь | 0,075 | 256 | 470,0 | задир |
| 7 | 3 | 2 | 0,005 | никель | 0,170 | 502 | 7,5 | 0,21 |
| 8 | 10 | 0,1 | 0,2 | нерж. сталь | 0,128 | 570 | 7,3 | 0,35 |
| 9к | 3 | - | - | никель | 0,180 | 450 | 164,0 | задир |
| 10к | 10 | - | - | нерж. сталь | 0,130 | 430 | 158,0 | задир |
1. В примере 5к наноструктуры вводили в композицию в процессе смешения порошка меди с графитом.
2. Нержавеющая сталь марки 410L (Швеция), дисперсность порошка менее 150 мкм.
Как видно из приведенных данных, заявленный композиционный материал имеет низкое удельное электрическое сопротивление, низкий износ как образца, так и контртела при триботехнических испытаниях и достаточно высокую твердость. Исключение из состава композиции смолы или полиэдральных многослойных углеродных наноструктур фуллероидного типа приводит к увеличению электрического сопротивления и резкому увеличению износа как образца, так и контртела и к снижению твердости.
1. Спеченный композиционный материал, включающий металлическую матрицу из некарбидообразующего металла, графит и углеродные наноструктуры, отличающийся тем, что в качестве углеродных наноструктур материал содержит полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм, средним размером частиц 60-200 нм, удельным электрическим сопротивлением не более 2,5·10-4 Ом·м-1 при давлении 120 МПа и дополнительно термореактивную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Графит | 3-10 |
| Термореактивная смола | 0,1-2,0 |
| Полиэдральные многослойные углеродные | |
| наноструктуры фуллероидного типа | 0,005-0,2 |
| Металлическая матрица | Остальное |
2. Спеченный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве некарбидообразующего металла металлическая матрица содержит медь.
3. Спеченный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве некарбидообразующего металла металлическая матрица содержит никель.
4. Спеченный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве некарбидообразующего металла металлическая матрица содержит нержавеющую сталь.
5. Спеченный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве термореактивной смолы он содержит эпоксидную смолу.
6. Спеченный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве термореактивной смолы он содержит фенолформальдегидную смолу.
