CC BY
11
DOI: 10.47581/2021/SMTT/.6.38.09 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СПЕЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ПОРОШКА СТАЛИ Х13, ПОЛУЧЕННОГО В БУТИЛОВОМ СПИРТЕ* Хардиков Сергей Владимирович, к.т.н., научный сотрудник, (e-mail: hardikov1990@mail.ru) Агеева Екатерина Владимировна, к.т.н., доцент, (e-mail: ageeva-ev@yandex.ru) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия Агеева Анна Евгеньевна, ученица МБОУ СОШ№53, г. Курск, Россия E-mail: ageevaanna2004@yandex.ru
В статье представлены результаты анализа характеристик износостойкости спеченных изделий из электроэрозионного порошка, полученного в бутиловом спирте из отходов стали марки Х13. кспериментально установлено следующее: ширина бороздки износа составила 455,9 мкм; среднее значение коэффициента трения составило 0,950; фактор износа образца и статистического партнера составил 1,676 мм3*Н-1*10-5 и 0,019мм3*Н-1*10-5 соответственно.
Ключевые слова: отходы стали Х13, электроэрозионное диспергирование, спекание, износостойкость.
*Работа выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам (СП-945.2019.1).
Введение
Порошковая металлургия - технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков, смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.
Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.
Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: приготовление шихты (смешивание), формование, спекание и калибрование [1, 2].
Формование изделий осуществляется путём холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно ис-
пользуются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зёрнами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания) [3, 4].
Сплав Х13 применяется для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам, для изделий, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред при комнатной температуре, а также деталей, работающих при 450-500 °С, лопаток паровых турбин, работающих при температурах до +580 °С, труб и деталей котлов, деталей авиастроения, деталей авиационных приборов, винтов, болтов, гаек, небольших шестерен, деталей зацепления и лопаток компрессоров, термически обрабатываемых на твердость HRC<35, цельнокатаных колец различного назначения. Сталь хромистая коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная мартенсито-ферритного класса.
В связи с широким применением стали марки Х13 в промышленности остро стоит вопрос об утилизации скапливающихся отходов
Существует несколько способов получения таких порошковых материалов. Наиболее перспективным методом получения порошковых материалов является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД), который отличается экологической чистотой процесса и относительно небольшими затратами энергии [6-9].
Для разработки технологий практического применения порошка, полученного из отходов, и оценки эффективности его использования требуется проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований [10-13].
Целью являлось проведение анализа характеристик износостойкости спеченных изделий из электроэрозионного порошка, полученного в бутиловом спирте из отходов стали марки Х13.
Материалы и методики исследований
Для получения электроэрозионных материалов отходы стали марки Х13 загружались в реактор установки электроэрозионного диспергирования [7], который заполнили рабочей жидкостью - бутиловым спиртом. Для работы установки использовали следующие параметры:
- частота следования импульсов 65.. .75 Гц;
- напряжение на электродах 100.110 В;
- ёмкость конденсаторов 45 мкФ [8-10].
В результате электроискровых разрядов в зоне контакта электродов и с диспергируемым материалом отходов образовывались дисперсные частицы [14-16], которые в дальнейшем подвергали прессованию и спеканию.
Консолидация порошка проведена методом искрового плазменного спекания с использованием системы искрового плазменного спекания SPS 2510 (Thermal Technology, США). Исходный материал размещали в матрице из графита, помещаемой под пресс в вакуумной камере. Электроды, интегрированные в механическую часть пресса, подводят электрический ток к матрице и создают искровые разряды между спекаемыми частицами материала, обеспечивая интенсивное взаимодействие. Спекание проводили при температуре 1200 °С в течение 10 минут.
Коэффициент трения и скорость износа поверхности образцов и контртела измеряли на автоматизированной машине трения Tribometer по стандартной схеме испытания «шарик-диск». Испытания проводили на воздухе при нагрузке 5 Н и линейной скорости 15 см/сек, радиусом кривизны износа 3 мм, путь трения составлял 500 метров. В результате проведенных испытаний оценивали износостойкость образца и статистического партнера (шарика) по фактору износа.
Результаты и их обсуждение
Результаты испытаний представлены оптическим изображением пятна износа контртела (шарика) после многократных проходов по исследуемой поверхности образца (рис. 1), оптическим изображением зоны механического контакта контртело - образец (рис. 2), профилем бороздки износа поверхности образца (рис. 3), результатами трибологического испытания образца (рис. 4) и сводной таблицей трибологических характеристик полученного образца.
Рисунок 1 - Оптическое изображение пятна износа контртела (шарика) после многократных проходов по исследуемой поверхности образца
Рисунок 2 - Зона механического контакта контртело - образец
Maximum depth : 7.07 \im Area of the hole : 2140 |jm2
Maximum height: 1.65 \im Area outside : 115 |jm2
Рисунок 3 - Профиль бороздки износа поверхности образца
0,15[т] 100,00 200,00 300,00 400.00 500.00
Рисунок 4 - Результаты трибологического испытания образца
Таблица 1 - Трибологические характеристики исследуемого образца
Коэффициент трения (ц) Фактор износа статистического партнера, мм3 • Н 1 • м 1 х10- 5 Фактор износа образца, мм3 • Н • м х10-5
Начальный шт шах mean Std. dev.
0,243 0,243 1,002 0,950 0,071 0,019 1,676
Заключение
В ходе проведенных экспериментальных исследований, направленных на проведение анализа характеристик износостойкости спеченных изделий
из электроэрозионного порошка, полученного в бутиловом спирте из отходов стали марки Х13 установлены следующие трибологические характеристики:
1. Ширина бороздки износа составила 455,9 мкм;
2. Среднее значение коэффициента трения составило 0,950.
3. Фактор износа образца и статистического партнера составил 1,676
3 15 3 15
мм хН" х10" и 0,019 мм хН х10" соответственно.
Приведенные результаты исследования позволят определить наиболее рациональную область применения полученных спеченных изделий.
Список литературы
1. Effects of processing parameters on microstructure and mechanical property of selective laser melted Ti6Al4V / Song B., Dong S., Zhang B. et al. // Materials & Design. - 2012. -Vol. 35. - Р. 120-125.
2. Fabrication and microstructure characterization of selective laser melted FeAl interme-tallic parts / Song B., Dong S., Coddet P. et al. // Surface and Coatings Technology. - 2012. -Vol. 206. - Р. 4704-4709.
3. Моделирование процессов в технологиях лазерного аддитивного изготовления объемных металлоизделий / Ковалев О.Б. // Известия Российской академии наук. Серия физическая. - 2016. - Т. 80. - No. 4. - С. 408.
4. Внедрение аддитивных технологий изготовления деталей в серийное производство / Смирнов В.В., Шайхутдинова Е.Ф. // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2013. - No. 2-2. - С. 90-94.
5. Проведение рентгеноспектрального микроанализа твердосплавных электроэрозионных порошков / Агеев Е.В., Латыпова Г.Р., Давыдов А.А., Агеева Е.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2012. - № 5-2 (44). - С. 099-102.
6. Рентгеноспектральный микроанализ нихромового порошка, полученного методом электроэрозионного диспергирования в среде керосина / Агеев Е.В., Горохов А. А., Алтухов А.Ю., Щербаков А.В., Хардиков С.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2016. - № 1 (64). - С. 26-31.
7. Метод получения наноструктурных порошков на основе системы WC-Со и устройство для его осуществления / Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - № 5 (283). - С. 39-42.
8. Порошки, полученные электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов - перспективный материал для восстановления деталей автотракторной техники / Агеев Е.В., Гадалов В.Н., Агеева Е.В., Бобрышев Р.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2012. - № 1-1 (40). - С. 182-189.
9. Исследование химического состава порошков, полученных электроэрозионным диспергированием твердого сплава / Агеев Е.В., Семенихин Б. А., Агеева Е.В., Латыпов Р. А. // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2011. - № 5-1 (38). -С. 138a-144.
10. Исследование формы и морфологии электроэрозионных медных порошков, полученных из отходов / Агеева Е.В., Хорьякова Н.М., Агеев Е.В. // Вестник машиностроения. - 2014. - № 8. - С. 73-75.
11. Получение твердосплавных изделий холодным изостатическим прессованием электроэрозионных порошков и их исследование / Агеева Е.В., Латыпов Р.А., Бурак П.И., Агеев Е.В. // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2013. -№ 5 (50). - С. 116-125.
12. Исследование гранулометрического состава порошков, полученных элетроэро-зионным диспергированием твердого сплава и используемых при восстановлении и уп-
рочнении деталей автотракторной техники / Агеев Е.В., Гадалов В.Н., Серебровский В.И., Семенихин Б.А., Агеева Е.В., Латыпов Р.А., Гнездилова Ю.П. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2010. - № 4. - С. 76-79.
13. Properties of the coatings fabricated by plasma-jet hard-facing by dispersed mechanical engineering wastes / Latypov R.A., Latypova G.R., Ageev E.V., Altukhov A.Y., Ageeva E.V. // Russian metallurgy (Metally). - 2018. -Т. 2018. № 6. - С. 573-575.
14. Разработка и исследование высокопрочных быстрорежущих сталей на основе диспергированных электроэрозией частиц сплава Р6М5 / Пикалов С. В., Агеев Е. В., Агеева А. Е. // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. - 2020. - Т. 11. - № 4. - С. 53-67.
15. Элементный состав частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в керосине / Бобков Е.А., Агеев А.Е., Агеева Е.В. // Инновационный потенциал развития общества: взгляд молодых ученых: сб. научн. ст. 2- й Всерос. науч. конф. в 5 т. - Курск, 2021. - Т. 5. - С. 37-40.
16. Исследование элементного состава частиц порошка, полученного электродиспергированием сплава Х20Н80 в воде / Бобков Е.А., Агеев А.Е., Агеева Е.В. // Наука молодых - будущее России: сб. науч. ст. 6-й Междунар. науч. конф. в 5 т. - Курск, 2021. - Т. 5. - С. 13-15.
17. К вопросу о переработке алюминиевых отходов электроэрозионным диспергированием/ Новиков Е.П., Агеев Е.В., Сытченко А.Д.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 169-172.
18. О возможности переработки отходов шарикоподшипниковой стали методом электроэрозионного диспергирования/ Хардиков С.В., Агеев Е.В., Зубарев М.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 211-214.
19. Восстановление распределительного вала дизельного двигателя/ Латыпов Р.А., Агеев Е.В., Латыпова Г.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 146-150.
20. Оценка относительной прочности соединения металлов на этапе схватывания при сварке давлением/ Латыпова Г.Р., Латыпов Р.А., Булычев В.В., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 102-110.
21. Исследование и разработка технологии восстановления вала ротора турбокомпрессора электроискровой обработкой электроэрозионными наноматериалами/ Латы-пов Р.А., Денисов В.А., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 141-146.
Hardikov Sergey Vladimirovich, Ph.D., Researcher, Southwest State University, Kursk, Russia
Ageeva Ekaterina Vladimirovna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Ageeva Anna Evgenievna, student
MBOU Secondary school No. 53, Kursk, Russia
ANALYSIS OF WEAR RESISTANCE CHARACTERISTICS OF SINTERED PRODUCTS MADE OF ELECTROEROSION POWDER OF STEEL X13, OBTAINED IN BUTYL ALCOHOL
The article presents the results of the analysis of the wear resistance characteristics of sintered products made of electroerosive powder obtained in butyl alcohol from waste steel grade X13. Experimentally, the following was established: the width of the wear groove was 455.9 microns; the average value of the friction coefficient was 0.950; the wear factor of the sample and the statistical partner was 1.676 mm3 xH-1^10-5 and 0.019 mm3 xH-1^10-5, respectively.
Key words: waste steelX13, electroerosive dispersion, sintering, wear resistance.
