RU2708291C1 - Method of producing graphite-based material for sliding electric contacts and material - Google Patents
Method of producing graphite-based material for sliding electric contacts and material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2708291C1 RU2708291C1 RU2018140270A RU2018140270A RU2708291C1 RU 2708291 C1 RU2708291 C1 RU 2708291C1 RU 2018140270 A RU2018140270 A RU 2018140270A RU 2018140270 A RU2018140270 A RU 2018140270A RU 2708291 C1 RU2708291 C1 RU 2708291C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- stage
- graphite
- mixture
- coke
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
- C04B35/528—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components
- C04B35/532—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components containing a carbonisable binder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
- C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
- C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
- C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
- H01R39/02—Details for dynamo electric machines
- H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
- H01R39/26—Solid sliding contacts, e.g. carbon brush
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.FIELD OF TECHNOLOGY.
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к материалам для скользящих электрических контактов, применяемых на электротранспорте.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to materials for sliding electrical contacts used in electric vehicles.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.BACKGROUND OF THE INVENTION
В качестве материалов для скользящих электрических контактов используются материалы на основе природного или искусственного графита.As materials for sliding electrical contacts, materials based on natural or artificial graphite are used.
Эти материалы получают в несколько стадий - на первой стадии подбирают состав шихты из частиц графита, углеродсодержащего связующего и других углеродсодержащих материалов. Иногда, также, в состав шихты вводят частицы металлов или химических соединение металлов.These materials are obtained in several stages - at the first stage, the composition of the mixture is selected from particles of graphite, a carbon-containing binder and other carbon-containing materials. Sometimes, also, particles of metals or chemical compounds of metals are introduced into the mixture.
Затем, после смешения компонентов шихты с получением заданного состава, получают заготовку.Then, after mixing the components of the mixture with obtaining a given composition, get the workpiece.
Функцией заготовки является создание каркаса будущего материала.The function of the workpiece is to create the skeleton of the future material.
Заготовку получают путем обработки давлением смешанной шихты, например, прессования, экструзии, прокатки в валках и пр. и последующего обжига для ее карбонизации.The billet is obtained by processing the pressure of a mixed mixture, for example, pressing, extrusion, rolling in rolls, etc., and subsequent firing for its carbonization.
Полученная таким путем заготовка обладает пористой структурой и далее эта пористая структура подвергается уплотнению.The preform obtained in this way has a porous structure, and then this porous structure is densified.
Уплотнение заготовки может быть достигнуто двумя путями, первым из которых является жидкофазная пропитка заготовки углеводородами с последующей карбонизацией, вторым путем является осуществление осаждения пиролитического углерода посредством химической инфильтрации из газовой фазы в пористом объеме заготовки.Compaction of the preform can be achieved in two ways, the first of which is liquid-phase impregnation of the preform with hydrocarbons followed by carbonization, the second is the deposition of pyrolytic carbon by chemical infiltration from the gas phase in the porous volume of the preform.
В патенте RU 2441854 раскрывается технология получения материала для изготовления устройств контактного токосъема с применением жидкофазного уплотнения. Известный способ предусматривает смешение частиц графита, кокса, связующего и формирование из полученной смеси зеленой заготовки, последующий обжиг полученной заготовки в условиях, обеспечивающих получение спеченной заготовки с пористостью, имеющей не более 10% закрытых пор, пропитку заготовки под давлением этим же связующим и последующий обжиг для карбонизации связующего.The patent RU 2441854 discloses a technology for producing material for the manufacture of contact current collector devices using a liquid phase seal. The known method involves mixing particles of graphite, coke, a binder and forming a green billet from the resulting mixture, then firing the obtained billet under conditions that provide a sintered billet with porosity having no more than 10% closed pores, impregnating the billet under pressure with the same binder and subsequent firing for carbonization of the binder.
Материал, полученный в соответствии с данным способом, содержит следующие компоненты, в масс. %:The material obtained in accordance with this method contains the following components, in mass. %:
Данное известное изобретение позволяет осуществить пропитку на всю глубину материала для того, чтобы механические свойства и износостойкость материала не изменялись с его глубиной.This known invention allows impregnation to the entire depth of the material so that the mechanical properties and wear resistance of the material do not change with its depth.
К недостаткам известного технического решения относится то, что способ требует проведения обжига для карбонизации после пропитки для разложения углерода и преобразования его в коксовый остаток. Привес материала при этом уменьшается, для получения приемлемых свойств, необходимо операции пропитки и обжига проводить по нескольку раз, что увеличивает затраты на получение материала.The disadvantages of the known technical solutions include the fact that the method requires firing for carbonization after impregnation to decompose carbon and converting it into coke residue. The weight gain of the material decreases, in order to obtain acceptable properties, it is necessary to carry out the impregnation and firing operations several times, which increases the cost of obtaining the material.
Если также учесть, что при реализации данной технологии выделяется много вредных углеводородов, то можно также говорить об ухудшении экологической обстановки в месте производства данного материала.If we also consider that the implementation of this technology emits a lot of harmful hydrocarbons, then we can also talk about the deterioration of the environmental situation at the place of production of this material.
Гораздо более привлекательным, с точки зрения реализации приемлемых экологических условий протекания процесса получения материала, является получение материала с использованием осаждения пиролитического углерода посредством химической инфильтрации из газовой фазыMuch more attractive, from the point of view of implementing acceptable environmental conditions for the process of obtaining the material, is to obtain material using the deposition of pyrolytic carbon by chemical infiltration from the gas phase
Такое техническое решение раскрывается в патенте RU 2150444.Such a technical solution is disclosed in patent RU 2150444.
Способ получения материала для электрических контактов предусматривает смешение частиц графита и связующего, формирование из готовой смеси заготовки и ее обжиг, где в процессе смешения используют частицы естественного графита, формирование заготовки осуществляют путем прессования, обжиг для образования сквозной пористости - при 800-1100°С, а после обжига проводят насыщение пироуглеродом.The method of obtaining material for electrical contacts involves mixing particles of graphite and a binder, forming a preform from the finished mixture and firing it, where natural graphite particles are used in the mixing process, forming the preform by pressing, firing to form through porosity - at 800-1100 ° С, and after firing, pyrocarbon is saturated.
Описан также прессованный композиционный материал, содержащий в масс. %: частицы естественного графита - 10-90, коксовый остаток - 5-20 и пиролитический углерод - 6-70, при этом материал характеризуется текстурой графита по всему объему в плоскости, перпендикулярной направлению прессования.Also described is a compressed composite material containing in mass. %: particles of natural graphite - 10-90, coke residue - 5-20 and pyrolytic carbon - 6-70, while the material is characterized by the texture of graphite throughout the volume in a plane perpendicular to the direction of pressing.
Раскрывается также токосъемное контактное изделие, выполненное в соответствии с данным патентом, которое изготовлено из материала, содержащего в мас. %: частицы естественного графита 10-90, коксовый остаток 5-20, пиролитический углерод 5-70 и характеризуемое плотностью -1,5-2,2 г/см3 и имеет интенсивность изнашивания не более 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника.A current-collecting contact product made in accordance with this patent, which is made of a material containing in wt. %: particles of natural graphite 10-90, coke residue 5-20, pyrolytic carbon 5-70 and characterized by a density of -1.5-2.2 g / cm 3 and has a wear rate of not more than 0.1-0.14 mm per 1000 km run of the current collector.
К недостаткам технического решения относится тот факт, что данным способом возможно осуществить осаждение пиролитического углерода только вблизи поверхности. Уплотнению внутренних частей заготовки будет препятствовать закупорка ее поверхностных пор, в результате чего интенсивность изнашивания материала реализуется только до глубины 8 мм, при этом интенсивность изнашивания в процессе эксплуатация нарастает, а после достижения износа 8 мм значительно увеличивается и достигает катастрофических значений. Кроме того, известный материал не обладает достаточной дугостойкостью.The disadvantages of the technical solution include the fact that by this method it is possible to carry out the deposition of pyrolytic carbon only near the surface. Sealing of the internal parts of the preform will be prevented by clogging of its surface pores, as a result of which the wear rate of the material is realized only to a depth of 8 mm, while the wear rate during operation increases, and after wear is 8 mm, it increases significantly and reaches catastrophic values. In addition, the known material does not have sufficient arc resistance.
Данные недостатки создают большую техническую проблему при эксплуатации токосъемных элементов.These shortcomings create a big technical problem in the operation of collector elements.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Техническая проблема, присущая известному техническому решению, устраняется в соответствии со следующим.The technical problem inherent in the known technical solution is eliminated in accordance with the following.
Предложен способ изготовления материала для скользящих электрических контактов, который включает следующие этапы:A method for manufacturing a material for sliding electrical contacts is proposed, which includes the following steps:
(A) получение шихты на основе графита, кокса и связующего, где содержание графита составляет не менее 15% от массы шихты;(A) obtaining a mixture based on graphite, coke and a binder, where the graphite content is at least 15% by weight of the mixture;
(Б) формирование из шихты заготовки;(B) the formation of the billet from the charge;
(B) обжиг заготовки с получением пористой заготовки с открытой пористостью;(B) firing the preform to obtain a porous preform with open porosity;
(Г) газофазное термоградиентное насыщение заготовки со стадии (В) пиролитическим углеродом в реакционной камере путем импульсной подачи углеводородного газа и его разложения с образованием пиролитического углерода на поверхности открытых пор в движущейся зоне пиролиза, где движущуюся зону пиролиза создают путем поддержания температуры одной из стенок упомянутой заготовки в интервале температур разложения упомянутого углеводородного газа и увеличения температуры противоположной стенки заготовки от температуры окружающей среды в начале процесса газофазного термоградиентного насыщения до температур разложения упомянутого углеводородного газа в конце процесса газофазного термоградиентного насыщения со скоростью 1,0-10,0°С/час. В частных воплощениях изобретения газофазное термоградиентное насыщение заготовки на стадии (Г) проводят при частоте импульсов 3-20 имп/мин, давлении углеводородного газа в реакционной камере не более 1 атм и длительности насыщения от 50 до 300 часов.(D) gas-phase thermogradient saturation of the preform from step (B) with pyrolytic carbon in the reaction chamber by pulsed supply of hydrocarbon gas and its decomposition to form pyrolytic carbon on the surface of open pores in the moving pyrolysis zone, where the moving pyrolysis zone is created by maintaining the temperature of one of the walls of the aforementioned the workpiece in the temperature range of the decomposition of the aforementioned hydrocarbon gas and increase the temperature of the opposite wall of the workpiece from the ambient temperature in n Chal gas phase process thermogradient saturation before decomposition temperature of said hydrocarbon gas saturation at the end of the gas-phase process at a rate thermogradient 1,0-10,0 ° C / hour. In private embodiments of the invention, gas-phase thermogradient saturation of the preform in step (D) is carried out at a pulse frequency of 3-20 cpm, a pressure of hydrocarbon gas in the reaction chamber of not more than 1 atm and a saturation duration of from 50 to 300 hours.
В частных воплощениях изобретения шихту на стадии (А) получают путем смешения частиц природного графита с размером частиц не менее 0,2 мм, кокса и связующего - с размером частиц не более 0,4 мм в течение 1-3 часов.In private embodiments of the invention, the mixture in step (A) is obtained by mixing particles of natural graphite with a particle size of at least 0.2 mm, coke and a binder with a particle size of not more than 0.4 mm for 1-3 hours.
В качестве графита на стадии (А) используют природный графит.Natural graphite is used as graphite in stage (A).
В наилучших воплощениях изобретения на стадии (А) шихту получают при следующем соотношении компонентов, масс. %:In the best embodiments of the invention at stage (A), the mixture is obtained in the following ratio of components, mass. %:
В шихту на стадии (А) могут быть дополнительно введены углеродные волокна в количестве до 15,0 масс. %.To the mixture at the stage (A) can be additionally introduced carbon fibers in an amount up to 15.0 mass. %
В шихту на стадии (А) может быть дополнительно введен порообразователь в количестве до 20,0 масс. %.In the mixture at the stage (A), a pore former in an amount of up to 20.0 masses can be added. %
Формирование заготовки на стадии (Б) могут проводить до плотности от 1,0 до 1,5 г/см3 путем прессования.The formation of the workpiece in stage (B) can be carried out to a density of from 1.0 to 1.5 g / cm 3 by pressing.
Прессование в этом случае, как правило, проводят в глухой матрице при температуре, не превышающей 80°С и давлении, не превышающем 1000 кг/см2.Pressing in this case, as a rule, is carried out in a blank matrix at a temperature not exceeding 80 ° C and a pressure not exceeding 1000 kg / cm 2 .
Обжиг на стадии (В) проводят до получения открытой пористости, составляющей не менее 90% от общей пористости.Firing at stage (B) is carried out until an open porosity of at least 90% of the total porosity is obtained.
Обжиг на стадии (В) проводят при 1000-1100°С в инертной среде со скоростью нагрева не более 100°С/час.The firing in stage (B) is carried out at 1000-1100 ° C in an inert medium with a heating rate of not more than 100 ° C / hour.
После газофазного пиролитического насыщения заготовки на стадии (Г) проводят механическую обработку.After gas-phase pyrolytic saturation of the workpiece at the stage (D) carry out mechanical processing.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Основной идеей настоящего изобретения является проведение способа изготовления материала для скользящих электрических контактов таким образом, чтобы достичь его высокой износостойкости и электропроводности путем газофазного пиролитического уплотнения совмещенным термоградиентным и импульсным методами газофазного насыщения.The main idea of the present invention is to carry out a method of manufacturing a material for sliding electrical contacts in such a way as to achieve its high wear resistance and electrical conductivity by gas-phase pyrolytic sealing by combined thermogradient and pulsed methods of gas-phase saturation.
Для этого проводится ряд предварительных операций: (А) получение шихты на основе графита, кокса и связующего, где содержание графита составляет не менее 15% от массы шихты и (Б) формирование из шихты заготовки и (В) обжиг заготовки с получением пористой заготовки с открытой пористостью.For this, a number of preliminary operations are carried out: (A) obtaining a mixture based on graphite, coke and a binder, where the graphite content is at least 15% of the mass of the mixture and (B) forming a billet from the mixture and (C) firing the billet to obtain a porous billet with open porosity.
Далее следует стадия (Г) - газофазное термоградиентное насыщение заготовки со стадии (В) пиролитическим углеродом в реакционной камере путем импульсной подачи углеводородного газа и его разложения с образованием пиролитического углерода на поверхности открытых пор в движущейся зоне пиролиза.Next comes stage (D) - gas-phase thermogradient saturation of the preform from stage (B) with pyrolytic carbon in the reaction chamber by pulsed supply of hydrocarbon gas and its decomposition with the formation of pyrolytic carbon on the surface of open pores in the moving pyrolysis zone.
Перемещение зоны пиролиза создают путем поддержания температуры одной из стенок упомянутой заготовки в интервале температур разложения упомянутого углеводородного газа и увеличения температуры противоположной стенки заготовки от температуры окружающей среды в начале процесса газофазного термоградиентного насыщения до температур разложения упомянутого углеводородного газа в конце процесса газофазного термоградиентного насыщения со скоростью 1,0-10,0°С/час.The movement of the pyrolysis zone is created by maintaining the temperature of one of the walls of the billet in the range of decomposition temperatures of the said hydrocarbon gas and increasing the temperature of the opposite wall of the preform from the ambient temperature at the beginning of the gas-phase thermogradient saturation to the decomposition temperatures of the said hydrocarbon gas at the end of the gas-phase thermogradient saturation at a speed of 1 , 0-10.0 ° C / hour.
Такое проведение газофазного термоградиентного насыщения обеспечивает наиболее полное заполнение открытых пор по всему объему заготовки с исключением, по существу, эффекта «бутылочного горлышка». Разложение газообразного углеводорода в материале происходит только в пространстве между горячей стенкой и движущейся зоной температурного разложения (пиролиза). В этом случае в порах, вход в которые расположен ближе к противоположной стенке по сравнению с «дном» поры, заполнение пиролитическим углеродом будет начинаться с «дна» поры. Таким образом, по мере продвижения зоны разложения углеводорода к входу в пору («бутылочному горлышку»), пора будет заполняться пиролитическим углеродом. Вход в пору («бутылочное горлышко») заполнится пиролитическим углеродом в последнюю очередь после заполнения пиролитическим углеродом всей поры, т.к. зона разложения углеводорода дойдет до входа в пору после прохождения через всю пору. Следовательно, минимум половина открытых пор будет полностью заполнена пиролитическим углеродом. В известных технических решениях, как правило, поры заполняются на одну четверть.Such a gas-phase thermogradient saturation provides the most complete filling of open pores throughout the volume of the workpiece with the exception, essentially, the effect of "bottleneck". The decomposition of gaseous hydrocarbon in the material occurs only in the space between the hot wall and the moving zone of thermal decomposition (pyrolysis). In this case, in the pores, the entrance to which is closer to the opposite wall in comparison with the “bottom” of the pore, filling with pyrolytic carbon will begin from the “bottom” of the pore. Thus, as the hydrocarbon decomposition zone advances toward the entrance to the pore (“bottleneck”), the pore will be filled with pyrolytic carbon. The entrance to the pore (“bottleneck”) will be filled with pyrolytic carbon last after filling the entire pore with pyrolytic carbon, because the hydrocarbon decomposition zone will reach the entrance to the pore after passing through the entire pore. Therefore, at least half of the open pores will be completely filled with pyrolytic carbon. In known technical solutions, as a rule, the pores are filled by one quarter.
Существенным также является то, что углеводородный газ поступает в реактор импульсами, т.е. происходит чередование подачи газа и его последующая откачка. По сравнению с пиролизом, проводимым в стационарном процессе при постоянном давлении, при импульсной подаче газа скорость пиролиза возрастает. Это связано с тем, что в стационарном процессе по мере пиролиза концентрация углеводородного газа у стенок пор уменьшается, а концентрация водорода возрастает. Соответственно, замедляется процесс пиролиза, а удаление водорода происходит за счет естественной диффузии.It is also significant that hydrocarbon gas enters the reactor by pulses, i.e. alternating gas supply and its subsequent pumping. Compared to pyrolysis carried out in a stationary process at constant pressure, with a pulsed gas supply, the pyrolysis rate increases. This is due to the fact that in a stationary process, as the pyrolysis occurs, the concentration of hydrocarbon gas at the pore walls decreases, and the concentration of hydrogen increases. Accordingly, the pyrolysis process slows down, and the removal of hydrogen occurs due to natural diffusion.
В импульсном режиме в зону пиролиза постоянно подается углеводородный газ без водорода, а газ с водородом удаляется искусственно в процессе откачки. Это приводит к тому, что скорость пиролиза при импульсном режиме постоянно поддерживается на начальном, т.е. максимальном уровне, характерном для начальной стадии пиролиза в стационарном режиме.In a pulsed mode, a hydrocarbon gas without hydrogen is constantly supplied to the pyrolysis zone, and gas with hydrogen is removed artificially during pumping. This leads to the fact that the pyrolysis rate in the pulsed mode is constantly maintained at the initial one, i.e. the maximum level characteristic of the initial stage of pyrolysis in a stationary mode.
Импульсный режим осуществляется следующим образом. Устройство подачи газа состоит из впускного и выпускного клапанов. Впускной клапан осуществляет подачу газа в рабочий объем с заданной частотой. Выпускной клапан осуществляет выход газа из рабочего объема в систему откачки газа. Оба клапана работают с одинаковой частотой в противофазе (когда один клапан открыт, другой закрыт и наоборот).The pulse mode is as follows. The gas supply device consists of inlet and outlet valves. The inlet valve delivers gas to the displacement at a predetermined frequency. The exhaust valve exits gas from the working volume to the gas pumping system. Both valves operate at the same frequency in antiphase (when one valve is open, the other is closed and vice versa).
Параметры подачи импульсов газа выбираются каждый раз из условий эксплуатации реакторов, в которых осуществляется процесс газофазного термоградиентного насыщения. Оптимальным для проведения процесса в некоторых воплощениях изобретения является частота импульсов 3-20 имп/мин, хотя процесс может идти и при иных частотах.The parameters for the supply of gas pulses are selected each time from the operating conditions of the reactors in which the gas-phase thermogradient saturation is carried out. Optimal for carrying out the process in some embodiments of the invention is a pulse frequency of 3-20 pulses / min, although the process can go at other frequencies.
Давление углеводородного газа в реакционной камере на стадии (Г) также может поддерживаться в широком диапазоне, однако, возможности установки, в которой осуществлялся заявленный способ, позволяют поддерживать давление в реакционной камере не более 1 атм, при этом, реализуется длительность насыщения от 50 до 300 часов.The pressure of the hydrocarbon gas in the reaction chamber at stage (D) can also be maintained in a wide range, however, the capabilities of the installation in which the claimed method was carried out make it possible to maintain a pressure in the reaction chamber of not more than 1 atm, while a saturation duration of 50 to 300 is realized hours.
Эти параметры определяются, в большей степени, возможностями реакторов для проведения газофазного насыщения, чем получаемыми при этих параметрах свойствами.These parameters are determined, to a greater extent, by the capabilities of reactors for conducting gas-phase saturation than the properties obtained with these parameters.
При проведении предварительных операций (стадии А, Б и В) существенным является получение шихты на стадии (А), содержащей графит, кокс и связующее, при этом, содержание графита, как это следует из формулы, должно составлять не менее 15% масс, а содержание кокса и связующего может варьироваться в широких пределах. Данное содержание графита выбирается исходя из того, что при этих значениях достигается необходимый уровень электрического сопротивления и самосмазывающихся свойств, а также высокой дугостойкости. Конкретные интервалы содержания связующего и кокса с точки зрения достижения данных свойств не существенны, поскольку при обжиге на стадии (В) из связующего образуется остаточный кокс.When conducting preliminary operations (stages A, B and C), it is essential to obtain a mixture at stage (A) containing graphite, coke and a binder, while the graphite content, as follows from the formula, should be at least 15% of the mass, and the coke and binder content can vary widely. This graphite content is selected based on the fact that at these values the required level of electrical resistance and self-lubricating properties, as well as high arc resistance, are achieved. The specific ranges of binder and coke content from the point of view of achieving these properties are not significant, since during firing in stage (B), residual coke is formed from the binder.
В качестве связующего может быть использован любой пек - каменноугольный или нефтяной, смолы, бакелитовый лак и пр.As a binder, any pitch can be used - coal or oil, tar, bakelite varnish, etc.
Однако, для некоторых воплощений изобретения состав шихты является существенным. Наиболее оптимальный состав шихты содержит эти компоненты при следующем соотношении, масс. %: графит 15,0-80,0, кокс 3,0-40,0 и связующее - остальное. Такой состав шихты позволяет получить не только дугостойкий материал с требуемым уровнем электрического сопротивления и самосмазывающимися свойствами, но также и с улучшенной прочностью, на которую влияет образующийся в процессе обжига остаточный кокс.However, for some embodiments of the invention, the composition of the charge is essential. The most optimal composition of the mixture contains these components in the following ratio, mass. %: graphite 15.0-80.0, coke 3.0-40.0 and a binder - the rest. Such a composition of the charge allows to obtain not only an arc-resistant material with the required level of electrical resistance and self-lubricating properties, but also with improved strength, which is affected by the residual coke formed during the firing process.
В частных воплощениях изобретения шихту на стадии (А) получают путем смешения частиц природного графита с размером частиц не менее 0,2 мм - при применении частиц меньшего размера в некоторых случаях может возрасти электрическое сопротивление материала.In private embodiments of the invention, the mixture in step (A) is obtained by mixing particles of natural graphite with a particle size of at least 0.2 mm - when using particles of a smaller size, in some cases, the electrical resistance of the material can increase.
Размеры частиц кокса и связующего желательно, чтобы были не более 0,4 мм. При таком размере может быть уменьшен разброс твердости по объему материала.The particle size of the coke and the binder, it is desirable that were not more than 0.4 mm With this size, the spread of hardness over the volume of the material can be reduced.
Время смешения выбирается с учетом многих условий - массы смешиваемых компонентов, размеров их частиц и достижения полной однородности смеси.The mixing time is selected taking into account many conditions - the mass of the mixed components, the size of their particles and the achievement of complete uniformity of the mixture.
Наилучшим видом для шихты является природный графит. Это обусловлено более высоким уровнем свойств, про которые говорилось выше, чем, например, у искусственного графита, а также тем, что частицы графита имеют чешуйчатую форму. Такая форма позволяет обеспечить тепло-и-электропроводность в необходимых направлениях.The best view for the charge is natural graphite. This is due to a higher level of properties, which were discussed above than, for example, for artificial graphite, as well as the fact that graphite particles have a scaly shape. This form allows you to provide thermal and electrical conductivity in the necessary directions.
В шихту на стадии (А) могут быть дополнительно введены углеродные волокна в количестве до 15,0 масс. %. Волокна служат армирующим элементом и позволяют повысить прочность материала. Если ввести волокна в количестве более 15 масс. %, могут снизиться все свойства материала, включая прочность.To the mixture at the stage (A) can be additionally introduced carbon fibers in an amount up to 15.0 mass. % Fibers serve as a reinforcing element and can increase the strength of the material. If you enter the fiber in an amount of more than 15 mass. %, all material properties, including strength, may decrease.
В шихту на стадии (А) может быть дополнительно введен порообразователь в количестве до 20,0 масс. %, который облегчит образование сквозных пор и увеличит их долю, ускорив процесс пиролитического насыщения. В качестве порообразователя может быть использована, например, древесная мука.In the mixture at the stage (A), a pore former in an amount of up to 20.0 masses can be additionally introduced. %, which will facilitate the formation of through pores and increase their share, accelerating the process of pyrolytic saturation. As a blowing agent, for example, wood flour can be used.
Формирование заготовки на стадии (Б) могут проводить до плотности от 1,0 до 1,5 г/см3 путем прессования. Данные значения плотностей являются оптимальными для реализации процесса пиролитического газофазного уплотнения, хотя процесс может идти и за этими пределами.The formation of the workpiece in stage (B) can be carried out to a density of from 1.0 to 1.5 g / cm 3 by pressing. These densities are optimal for the implementation of the pyrolytic gas-phase compaction process, although the process can go beyond these limits.
Прессование в этом случае, как правило, проводят в глухой матрице при температуре, не превышающей 80°С и давлении, не превышающем 1000 кг/см2. Сведущему специалисту должно быть понятно, что заготовка может быть получена и другими методами обработки давлением, например, экструзией и пр.Pressing in this case, as a rule, is carried out in a blank matrix at a temperature not exceeding 80 ° C and a pressure not exceeding 1000 kg / cm 2 . A competent specialist should understand that the workpiece can be obtained by other methods of pressure treatment, for example, extrusion, etc.
Обжиг на стадии (В) проводят до получения открытой пористости, составляющей не менее 90% от общей пористости. Эти данные являются оценочными и получены расчетным путем, например, при измерении газовой проницаемости.Firing at stage (B) is carried out until an open porosity of at least 90% of the total porosity is obtained. These data are estimated and obtained by calculation, for example, when measuring gas permeability.
Такие данные по открытой пористости были получены после проведения обжига на стадии (В) при 1000-1100°С в инертной среде со скоростью нагрева не более 100°С/час. Специалисту должно быть понятно, что условия обжига могут быть изменены для получения того же самого декларируемого технического результата. Например, может быть уменьшена температура обжига, но увеличена его длительность или, наоборот, увеличена температура обжига, но уменьшена его длительность и т.д.Such data on open porosity were obtained after firing at stage (B) at 1000-1100 ° C in an inert medium with a heating rate of not more than 100 ° C / hour. The specialist should be clear that the firing conditions can be changed to obtain the same declared technical result. For example, the firing temperature can be reduced, but its duration can be increased, or, conversely, the firing temperature can be increased, but its duration can be reduced, etc.
После газофазного пиролитического насыщения заготовки на стадии (Г) возможно проведение механической обработки для приведения материала к необходимым геометрическим размерам..After gas-phase pyrolytic saturation of the preform at stage (D), it is possible to carry out mechanical processing to bring the material to the required geometric dimensions ..
Полученный таким образом материал для скользящих электрических контактов, который содержит графит, пиролитический углерод и кокс при содержании графита не менее 15 масс. %, имеет твердость на внешней поверхности не менее 55 HS, твердость на глубине, равной половине толщины материала, измеренную послойным методом, не менее 40 HS.Thus obtained material for sliding electrical contacts, which contains graphite, pyrolytic carbon and coke with a graphite content of at least 15 mass. %, has a hardness on the outer surface of at least 55 HS, hardness at a depth equal to half the thickness of the material, measured by the layered method, at least 40 HS.
В частных воплощениях, про которые говорилось выше, материал может содержать компоненты при следующем соотношении, масс. %:In particular embodiments, as discussed above, the material may contain components in the following ratio, mass. %:
Пример реализации изобретения.An example implementation of the invention.
Изготавливали шихту из частиц естественного графита с размером частиц от 200 мкм по ГОСТ 5420-74, связующего (каменноугольный пек марки Б по стандарту ГОСТ 1038-75) с размером частиц до 400 мкм, древесной муки и кокса электродного по ГОСТ 3213-91 с размером частиц до 400 мкм.A mixture was prepared from particles of natural graphite with a particle size of 200 microns according to GOST 5420-74, a binder (coal tar pitch grade B according to GOST 1038-75) with a particle size of up to 400 microns, wood flour and electrode coke according to GOST 3213-91 with a size particles up to 400 microns.
Составы шихты приведены в таблице 1.The composition of the mixture are shown in table 1.
Все компоненты смешивали в закрытом вращающемся барабане в течение 2 часов со скоростью обращения 60 об/мин.All components were mixed in a closed rotating drum for 2 hours at a rotation speed of 60 rpm.
Затем путем прессования в глухой стальной матрице при температуре 60°С формовали заготовку с усилием 900 кг/см2, после чего проводили обжиг при 1000-1100°С в течение 0,5-1,5 часов. Нагрев до температуры обжига осуществляли со скорость 50°С/час. Получали пористые заготовки, в которых количество открытых пор составляло не менее 90% от числа всех пор.Then, by pressing in a blank steel matrix at a temperature of 60 ° C, a preform was formed with a force of 900 kg / cm 2 , after which firing was performed at 1000-1100 ° C for 0.5-1.5 hours. Heating to the firing temperature was carried out at a rate of 50 ° C / h. Porous preforms were obtained in which the number of open pores was at least 90% of the number of all pores.
Затем проводили газофазное термоградиентное насыщение заготовки с открытыми порами. Для этого заготовку помещали в реактор. После помещения заготовки в реактор в нем создавали вакуум (давление 10-3 мм рт.ст.), затем одна его стенка нагревалась до температуры 1180±10°С, тепло от реактора передавалось на прилегающую стенку заготовки и стенка нагревалась до этой же температуры. Температура противоположной стенки реактора и примыкающей к ней противоположной стенки заготовки в начале процесса соответствовала температуре окружающей среды.Then, gas-phase thermogradient saturation of the blank with open pores was carried out. For this, the preform was placed in a reactor. After placing the billet in the reactor, a vacuum was created in it (pressure 10 -3 mm Hg), then one of its walls was heated to a temperature of 1180 ± 10 ° C, heat from the reactor was transferred to the adjacent wall of the billet and the wall was heated to the same temperature. The temperature of the opposite wall of the reactor and the adjacent opposite wall of the workpiece at the beginning of the process corresponded to the ambient temperature.
После нагрева и создания вакуума включали импульсную систему подачи газа метана в реактор с частотой 10 имп./мин. Расход газа подбирался таким образом, чтобы обеспечить максимальное давление в реакторе 0,5 атм.After heating and creating a vacuum, a pulsed methane gas supply system was switched on to the reactor with a frequency of 10 cpm. The gas flow rate was selected in such a way as to provide a maximum pressure in the reactor of 0.5 atm.
После подачи метана в реактор начинали нагрев противоположной стенки со скоростью 8°С/час. Нагрев с такой скоростью до температуры 1180±10°С осуществляли в течение 130 часов. Затем процесс прекращали и заготовку охлаждали с печью. После охлаждения до температуры не более 150°С образец материала вынимали из печи.After methane was fed into the reactor, heating of the opposite wall began at a rate of 8 ° C / h. Heating at this rate to a temperature of 1180 ± 10 ° C was carried out for 130 hours. Then the process was stopped and the workpiece was cooled with the furnace. After cooling to a temperature of not more than 150 ° C, a sample of the material was removed from the furnace.
Как следует из представленных данных, изобретение позволяет получить материал для скользящих электрических контактов с улучшенными эксплуатационными характеристиками: твердость на внешней поверхности не менее 36 HS, твердость на глубине, равной половине толщины материала, измеренную послойным методом, не менее 30 HS, Удельное электрическое сопротивление, 4-17 мкОм⋅м, потеря объеме в электрической дуге, (2,3 кА, 0,5 с) 3-49 мм3 и плотность 1,33-1,8 г/см3.As follows from the presented data, the invention allows to obtain material for sliding electrical contacts with improved performance characteristics: hardness on the outer surface of at least 36 HS, hardness at a depth equal to half the thickness of the material, measured by the layered method, at least 30 HS, Electrical resistivity, 4-17 μOhm⋅m, volume loss in an electric arc, (2.3 kA, 0.5 s) 3-49 mm 3 and density 1.33-1.8 g / cm 3 .
1 Искусственный графит 1 Artificial graphite
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018140270A RU2708291C1 (en) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | Method of producing graphite-based material for sliding electric contacts and material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018140270A RU2708291C1 (en) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | Method of producing graphite-based material for sliding electric contacts and material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2708291C1 true RU2708291C1 (en) | 2019-12-05 |
Family
ID=68836390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018140270A RU2708291C1 (en) | 2018-11-15 | 2018-11-15 | Method of producing graphite-based material for sliding electric contacts and material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2708291C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6058133A (en) * | 1998-08-19 | 2000-05-02 | Ucar Carbon Company Inc. | Graphite electrodes incorporating stress-relieving slots |
| RU2150444C1 (en) * | 1998-05-20 | 2000-06-10 | Бучнев Леонид Михайлович | Material for current-conducting contact products, method of making said material, and product |
| RU2225354C2 (en) * | 2001-11-16 | 2004-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Method of manufacturing composite material |
| EP0991610B1 (en) * | 1997-06-24 | 2004-12-15 | Materials And Electrochemical Research (Mer) Corporation | Carbon composites |
| WO2006108568A1 (en) * | 2005-04-12 | 2006-10-19 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Process for the production of carbon brushes, and carbon brushes produced by this process |
| US7859166B2 (en) * | 2004-07-26 | 2010-12-28 | Totankako Co., Ltd. | Carbon brush produced by mixing a carbonaceous filler and a binder, and kneading, shaping, and baking the mixture |
| RU2470898C1 (en) * | 2011-05-12 | 2012-12-27 | Иосиф Сергеевич Гершман | Material for producing contact current-collecting articles and method of producing said material |
| US20180265415A1 (en) * | 2015-08-24 | 2018-09-20 | Morgan Advanced Materials And Technology, Inc. | Preparation of articles comprising graphitic particles |
-
2018
- 2018-11-15 RU RU2018140270A patent/RU2708291C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0991610B1 (en) * | 1997-06-24 | 2004-12-15 | Materials And Electrochemical Research (Mer) Corporation | Carbon composites |
| RU2150444C1 (en) * | 1998-05-20 | 2000-06-10 | Бучнев Леонид Михайлович | Material for current-conducting contact products, method of making said material, and product |
| US6058133A (en) * | 1998-08-19 | 2000-05-02 | Ucar Carbon Company Inc. | Graphite electrodes incorporating stress-relieving slots |
| RU2225354C2 (en) * | 2001-11-16 | 2004-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Method of manufacturing composite material |
| US7859166B2 (en) * | 2004-07-26 | 2010-12-28 | Totankako Co., Ltd. | Carbon brush produced by mixing a carbonaceous filler and a binder, and kneading, shaping, and baking the mixture |
| WO2006108568A1 (en) * | 2005-04-12 | 2006-10-19 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Process for the production of carbon brushes, and carbon brushes produced by this process |
| RU2470898C1 (en) * | 2011-05-12 | 2012-12-27 | Иосиф Сергеевич Гершман | Material for producing contact current-collecting articles and method of producing said material |
| US20180265415A1 (en) * | 2015-08-24 | 2018-09-20 | Morgan Advanced Materials And Technology, Inc. | Preparation of articles comprising graphitic particles |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4226900A (en) | Manufacture of high density, high strength isotropic graphite | |
| US6797251B1 (en) | Method of making carbon foam at low pressure | |
| JP4696279B2 (en) | High purity nuclear graphite | |
| EP1761475A1 (en) | A process for the manufacturing of dense silicon carbide | |
| RU2480433C2 (en) | Method of making airgtight articles from carbon-silicon carbide material | |
| Kecskes et al. | Impurities in the combustion synthesis of titanium carbide | |
| JP2005516880A (en) | Blended pitch / charcoal based carbon foam | |
| US6941854B2 (en) | Sliding pairing for machine parts that are subjected to the action of highly pressurized and high-temperature steam, preferably for piston-cylinder assemblies of steam engines | |
| RU2708291C1 (en) | Method of producing graphite-based material for sliding electric contacts and material | |
| JPS6138149B2 (en) | ||
| Song et al. | Seal and wear properties of graphite from MCMBs/pitch-based carbon/phenolic-based carbon composites | |
| US3102047A (en) | Processes for production of low permeability carbon | |
| WO2020101520A1 (en) | Method of producing material on the basis of graphite for sliding electrical contacts and material | |
| RU2374174C2 (en) | Method of producing graphitised material | |
| RU2225354C2 (en) | Method of manufacturing composite material | |
| CN109607530A (en) | A method for preparing high-strength bulk porous carbon by pyrolysis-atmospheric-pressure carbonization-activation | |
| RU2377223C1 (en) | Method to produce composite carbon materials | |
| SU973509A1 (en) | Process for producing antifriction products | |
| JP6922327B2 (en) | Graphite and its manufacturing method, and mixtures | |
| DE4201240C2 (en) | Process for producing a shaped body and shaped body made of silicon carbide | |
| KR100198152B1 (en) | Process for the Preparation of Carbon / Carbon Composite by Chemical Vapor Deposition Method by Process Gas Improvement | |
| JP2020164640A (en) | Manufacturing method of modified pitch | |
| RU2716234C1 (en) | Method of making electric contact and composite electric contact | |
| RU2566247C1 (en) | Electrical product made from current-conducting composite material and method of making same | |
| KR102094245B1 (en) | Manufacturing method of carbon formed body |