CC BY
48
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕТРОЭРОЗПОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ТВЕРДОГО СПЛАВА И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ
АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ
Е.В. Агеев, В.Н. Гадалов, В.И. Серебровский, Б. А. Семенихин, Е.В. Агеева,
P.A. Латыпов, Ю.П.Гнездилова
Аннотация. В статье представлены результаты исследования гранулометрического состава порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов.
Ключевые слова: отходы твердых сплавов, элек-троэрозионное диспергирование, порошок.
В настоящее время в ремонтном производстве автотракторной техники широко используются порошковые материалы. Среди порошковых материалов, обладающих высокой твердостью (выше твердости абразива, т.е. 10000 МПа) и стойкостью к абразивному износу одними из наиболее перспективных являются порошки на основе систем ШС-Со и \VC-TiC-Co, являющиеся основой твердых сплавов, переработка отходов и дальнейшее использование которых является актуальной проблемой. Использование порошков, полученных из отходов твердых сплавов, а не промышленно выпускаемых, позволит повысить качество, надежность и долговечность покрытий деталей автотракторной техники с минимумом затрат на материалы. Твердосплавные пластины нашли широкое распространение в машиностроении. Одним из перспективных методов получения порошков из отходов машиностроительного производства, в том числе и твердого сплава, является метод электроэрозион-ного диспергирования (ЭЭД). Но свойства порошков, полученных из отходов твердых сплавов данным методом, изучены недостаточно, поэтому их применение ограниченно.
Физико-технологические свойства порошков, полученных из отходов твердых сплавов, благодаря которым они могут найти широкое применение при упрочнении и восстановлении деталей автотракторной техники определяются их гранулометрическим, фазовым, химическим составом, формой и морфологией поверхности, микротвердостью частиц.
Целью настоящей работы являлось исследование гранулометрического состава порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов твердого сплава марок ВК8 и Т15К6.
От формы и диапазона распределения частиц порошков, полученных из отходов твердых сплавов, по размерам зависят механические свойства самих порошков и покрытий деталей автотракторной техники, полученных при их использовании. Вследствие высокоскоростной закалки продуктов эрозии (частиц порошка) в приэлектродных зонах эти порошки по структуре и физико-технологическим свойствам отличаются от порошков, получаемых промышленными методами.
В зависимости от метода получения порошков их размеры могут колебаться в больших пределах, начиная от долей микрон до сотен и даже тысяч микрон.
В литературе приводятся разноречивые сведения относительно среднего размера частиц порошка и его гранулометрического состава в зависимости от режимов его получения. Которые, по-видимому, вызваны существенными различиями в конструкциях установок ЭЭД, реакторов и различными режимами
диспергирования. Но в общем случае можно отметить следующее.
Полученные методом ЭЭД из отходов спеченных твердых сплавов порошки в зависимости от параметров получения (в основном от энергии импульса) имеют довольно широкий диапазон распределения частиц по размерам - от нескольких нанометров до сотен микрон [1, 2]. И, изменяя энергию импульса, можно получать порошки с различным средним размером частиц. Но, даже порошок, полученный на одном режиме, также имеет широкий диапазон изменения частиц по размерам вследствие реализации одновременно трех механизмов образования частиц (хрупкое разрушение, кристаллизация паровой и жидкой фазы [3]).
Хлопьевидные частицы размером от нескольких нанометров до (как правило) 1 микрона получены кристаллизацией паров материала. Они обычно образуют агломераты или облепляют более крупные частицы.
Сферические и эллиптические частицы диаметром от десятков нанометров до сотен микрон (в зависимости от режима получения) образуются кристаллизацией расплавленного материала.
Осколочные частицы средних размеров от единиц до сотен микрон получены хрупким разрушением материала в результате термического и механического воздействия при электроэрозионном диспергировании.
Исследование гранулометрического состава порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования из отходов спеченных твердых сплавов марок ВК8 и Т15К6, проводили на лазерном анализаторе размеров частиц «Апа1узеИе 22 КапоТес».
Лазерный анализатор размеров частиц «АпаН'зеие 22 №тоТес» определяет распределение по размерам частиц в суспензиях, эмульсиях и аэрозолях. По сравнению с «классическими» методами измерения - рассевом, седиментацией либо анализом по изображению - лазерная дифракция обладает рядом важных преимуществ, таких как краткое время анализа, хорошая воспроизводимость и точность, простая калибровка, большой диапазон измерений и высокая универсальность. Диапазон измерений «АпаК’зеие 22 КапоТес» составляет от 0,01 до 2000 мкм. В анализаторах, определяющих распределение частиц по размерам посредством лазерной дифракции, используется физический принцип рассеяния электромагнитных волн. Конструкция состоит из лазера, через измерительную ячейку направленного на детектор. При помощи диспергирующего устройства частицы попадают в измерительную ячейку и проходят сквозь лазерный луч. Свет, рассеянный пропорционально размеру частиц, посредством линзы фокусируется на детектор. По распределению рассеянного света при помощи комплексной математики рассчитывают распределение частиц по их размерам. В результате получают объемные доли, соответствующие эквивалентным диаметрам при лазерной дифракции. Благодаря встроенной ультразвуковой ванне (объем около 500 мл, энергия и частота ульт-
развука 80 Вт/36 кГц), даже труднодиспергируемые пробы могут анализироваться без применения дополнительного оборудования. Цифровой ультразвуковой генератор всегда поддерживает установленную мощность на оптимальном и постоянном уровне. Нижний предел чувствительности при малых количествах мелких и крупных частиц в распределениях их по размерам (в пределах диапазона измерений) - 3%. Воспроизводимость согласно 1ЭО 13320-1 с150 < 1 %.
На рисунках 1, 2 представлены зависимости среднего размера частиц полученных порошков от емкости разрядных конденсаторов.
0 10 20 30 40 50
Емкость разрядных конденсаторов, мкФ
Рисунок 1 - Зависимость среднего размера частиц порошка ВК8 от емкости разрядных конденсаторов (и=120 В)
0 10 20 30 40 50
Емкость разрядных конденсаторов, мкФ
0120В 140В
Рисунок 2 - Зависимость среднего размера частиц порошка Т15К6 от емкости разрядных конденсаторов при различных значениях напряжения на электродах реактора
На рисунках 3, 4 представлены зависимости среднего размера частиц полученных порошков от напряжения на электродах реактора.
На рисунках 4, б представлен гранулометрический состав порошка ВК8, полученного на различных режимах.
На рисунках 7, 8, 9, 10, 11 представлен гранулометрический состав порошка Т15К6, полученного на различных режимах.
Было установлено, что полученные на этих режимах порошки имеют в основном размеры от 0,2 до 10 мкм.
Характер изменения кривых распределения по размерам частиц порошка, полученных как из ВК8, так и из Т15К6, практически идентичен.
60
100
120
140
160
Напряжение на электродах, В
Рисунок 3 - Зависимость среднего размера частиц порошка ВК8 от напряжения на электродах реактора (С=5 мкФ)
60
100
120
140
160
180
Напряжение на электродах, В
Рисунок 4 - Зависимость среднего размера частиц порошка Т15К6 от напряжения на электродах реактора (С=20 мкФ)
Исследования показали, что с увеличением энергии импульса средний размер частиц порошка увеличивается. Это связано с тем, что при меньшей энергии импульса градиент температур выше, следовательно, доля материала, образующегося кристаллизацией паровой фазы больше [4]. При этом с увеличением энергии импульса количество паровой фазы, которая облепляет сферические частицы жидкой фазы, уменьшается.
70
60
50
130 20
10
0-0,25 0,25- 0,5 - 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25 - 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 5 - Гранулометрический состав порошка ВК8 (и=120 В, С=5 мкФ, средний размер частиц - 0,454 мкм)
ев 70
4
а 60
Е
£
с 50
0 _
5 £
3 в 40
ев
1 130
I 20
% 10
0-0,25 0,25- 0,5- 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25- 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 6 - Гранулометрический состав порошка ВК8 (и=1б0 В, С=5 мкФ, средний размер частиц - 0,532 мкм)
0-0,25 0,25- 0,5- 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25- 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 7 - Гранулометрический состав порошка Т15К6 (и=140 В, С=2,5 мкФ, средний размер частиц - 0,418 мкм)
в- й0
І #
8 ё 40 $ В-
0-0,25 0,25- 0,5- 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25- 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 8 - Гранулометрический состав порошка Т15К6 (и=140 В, С=5 мкФ, средний размер частиц - 0,526 мкм)
я 70 § ей
в- 60 §
О 50
0-0,25 0,25- 0,5- 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25- 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 9 - Гранулометрический состав порошка Т15К6 (и=140 В, С=10 мкФ, средний размер частиц - 0,651 мкм)
0-0,25 0,25- 0,5- 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25- 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 10 - Гранулометрический состав порошка Т15К6 (11=140 В, С=20 мкФ, средний размер частиц - 0,832 мкм)
Установленные закономерности позволяют сделать вывод о том, что при ЭЭД можно управлять средним размером частиц получаемого порошка и его гранулометрическим составом с помощью энергии импульса в достаточно широких пределах.
І *
« в- 40 и 3 Й &
0-0,25 0,25- 0,5- 0,75-1 1-1,25 1,25- 1,5- 1,75-2 2-2,25 2,25- 2,5- 2,75-3
0,5 0,75 1,5 1,75 2,5 2,75
Интервалы размеров, мкм
Рисунок 11 - Гранулометрический состав порошка Т15К6 (и=140 В, С=40 мкФ, средний размер частиц - 1,033 мкм)
Необходимо отметить также, что при Е —► 0 эрозия происходит преимущественно в паровой фазе, а значит, увеличивается количество частиц, образующихся в результате ее кристаллизации. При этом скорость эрозии настолько низкая, что в измененном поверхностном слое происходит накопление дефектов в результате термического воздействия и фазовых превращений. Это приводит к хрупкому разрушению сплава и образованию осколочных частиц, количество которых незначительно, а вот объем (и, следовательно, масса), занимаемый ими, значителен. Это означает, что при ЭЭД спеченных твердых сплавов невозможно получить порошок, полностью состоящий из частиц, образованных кристаллизацией паровой и жидкой фаз.
Средний размер частиц порошка получаемого методом ЭЭД зависит от энергии импульса (разряда), которая, в свою очередь, зависит от напряжения на электродах реактора (напряжения питания установки ЭЭД), емкости разрядных конденсаторов, напряжения пробоя РЖ, геометрических параметров реактора (расстояние между электродами), размеров диспергируемого материала и его эрозионной стойкости.
Для получения порошков заданных размеров наиболее целесообразно изменять емкость разрядных конденсаторов или напряжение на электродах
реактора, которое напрямую зависит от напряжения питания установки ЭЭД (генератора импульсов), а остальные параметры оставлять постоянными.
При прочих равных условиях, при увеличении емкости разрядных конденсаторов или напряжения на электродах реактора средний размер частиц порошка также увеличивается, вследствие увеличения энергии импульса (энергии заряда-разряда разрядных конденсаторов), идущей на расплавление части материала.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Список использованных источников
1 Агеев, Е.В. Особенности технологии получения порошковых наплавочных материалов методом элек-троэрозионного диспергирования отходов твердых сплавов для наплавки шеек коленчатых валов /Е.В. Агеев, М.Е. Сальков // Технология металлов. - 2008. -№5. -С. 34-37.
2 Агеев, Е.В. Перспективный метод переработки отходов спеченных твердых сплавов / Е.В. Агеев, Б. А. Семенихин, P.A. Латыпов // Экономика природопользования и природоохраны: сб. ст. XII Междунар. науч,-практ. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. -С. 58-62.
3 Намигоков, К.К. Об агрегатном составе и строении продуктов электрической эрозии металлов / К.К. Намигоков; под ред. Б.А. Красюкова // Физические основы электроискровой обработки материалов. - М.: Наука, 1966. - С. 74-85.
4 Дворник, М. И. Разработка физико-химических и технологических основ переработки вольфрамокобальтового твердого сплава электроэрозионным дисперги-
рованием: дисс. ... канд. техн. наук / Дворник Максим Иванович. - Хабаровск, 2006. - 116 с.
Информация об авторах
Агеев Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета. E-mail: ageev_ev@mail.ru. Тел. 8-904-526-55-07.
Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры материаловедения и сварочного производства Юго-Западного государственного университета. E-mail: gadalov-
vn@vandex.ru..ru. Тел. 8-908-128-49-70.
Серебровский Владимир Исаевич, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», E-mail: serebrovskiyvi @mail.ru
Семенихин Борис Анатольевич, ст. преподаватель кафедры машиностроительных технологий и оборудования Юго-Западного государственного университета. E-mail:
borisss@bk.ru. Тел. 8-903-633-75-62.
Агеева Екатерина Владимировна, ст. преподаватель кафедры физической химии и химической технологии Юго-Западного государственного университета. E-mail: ageeva-суч/ yanclex.ru. Тел. 8-904-525-50-70.
Латыпов Рашит Абдуахакович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металлургии сварочных процессов Московского государственного вечернего металлургического института. E-mail:
latipov46@mail.ru. Тел. (499) 267-58-10.
Гнездилова Юлия Петровна, старший преподаватель кафедры электротехники и механизации животноводства ФГОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. (4712)53-13-30, E-mail:academy@kgsha.ru.
