CC BY
31
УДК 621.762
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СПЕЧЕННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ОТХОДОВ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ СТАЛИ Агеев Евгений Викторович, д.т.н., доцент Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
([email protected]) Карпенко Вадим Юрьевич, к.т.н., ст.преподаватель ([email protected]) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной статье отмечено, что проблема, связанная с переработкой и повторным использованием отходов инструментальных быстрорежущих сталей, может быть успешно решена путем электроэрозионного диспергирования и последующего горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 950 °С в течение 3 минут.
Ключевые слова: отходы быстрорежущей стали, электроэрозионное диспергирование, порошок, рентгеноспектральный микроанализ, микротвердость.
Порошковая технология — это широкая область получения дисперсных тел применяемых в разнообразных отраслях производства: порошковой металлургии, керамической промышленности, получении пищевых и лекарственных продуктов, удобрений, топлива, строительных материалов и др. Вследствие некоторого внешнего сходства технологии порошковой металлургии с технологией керамического производства, изделия, изготавливаемые методами порошковой металлургии, широко известны также под названием металлокерамических.
Наряду с преимуществами порошковой металлургии, следует отметить и недостатки, затрудняющие и ограничивающие ее широкое распространение. К основным недостаткам следует отнести высокую стоимость порошков металлов и отсутствие освоенных методов получения порошков из сплавов — сталей, бронз, латуней и пр. Одним из вариантов решения указанных проблем является использование электрической эрозии.
Первые исследования по применению электрической эрозии металла для получения порошков относятся к 40-м годам прошлого столетия. В 1943 году Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко предложили использовать эффект электрической эрозии для получения высокодисперсных порошков [1].
Следует отметить, что способ электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) начинает успешно конкурировать с другими способами получения порошков, в том числе и нанопорошков. Основные достоинства электроэрозионного диспергирования в хорошей управляемости, низкой энергоемкости, экологичности процесса, высоких физико-механических характеристиках порошков. Однако большая часть установок для электроэрозион-
ного диспергирования, созданных самими материаловедами, отличается большими несовершенствами, что не позволяет добиваться высокой производительности, наряду с низкой энергоемкостью и стабильностью процесса [2-8].
Значительный объем работ в этом направлении был проведен в институте электродинамики Академии наук Украины и в институте материаловедения Хабаровского научного центра ДВО РАН, где был разработан целый ряд установок электроэрозионного диспергирования для лабораторных и промышленных целей. Эти установки состоят из реактора электроэрозионного диспергирования и генератора импульсов электрической энергии. Повышение производительности и снижение удельных энергозатрат обеспечивается согласованием режимов генератора импульсов и электрических характеристик реактора.
При электроэрозионном диспергировании происходит изменение структуры, состава и свойств конечных материалов по сравнению со структурой, составом и свойствами исходных материалов. Такие изменения обусловлены перераспределением элементов по объему частиц при кристаллизации, диффузией элементов в рабочей жидкости и реакциями диспергируемых материалов с рабочей жидкостью и продуктами ее пиролиза. Исходя из вышесказанного, следует, что решение проблемы, связанной с переработкой и повторным использованием отходов инструментальных быстрорежущих сталей, возможно при решении ряда взаимосвязанных научных задач теоретического и экспериментального характера, что и определяет актуальность и научную ценность исследований в данном направлении.
Целью настоящей работы являлось проведение исследований по спеканию порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали в воде и изучению свойств спеченных образцов.
Материалы и методика эксперимента
Для получения порошка из отходов быстрорежущей стали методом электроэрозионного диспергирования использовали установку для электроэрозионного диспергирования токопроводящих материалов, разработанную авторами [9, 10], и сломанные сверла из стали инструментальной быстрорежущей марки Р6М5 (ГОСТ 19265-73). Отходы загружали в реактор, заполненный рабочей жидкостью — дистиллированной водой, процесс проводили при следующих электрических параметрах: емкость разрядных конденсаторов — 35 мкФ, напряжение — 200...220 В, частота следования импульсов — 30 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала отходов с образованием дисперсных частиц порошка.
Спеченные заготовки получали методом горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 950 °С в течение 3 мин из порошка, полученного электроэрозионным диспергированием отходов Р6М5. В основе процесса лежит модифицированный метод горячего
прессования, при котором электрический ток пропускается непосредственно через пресс-форму и прессуемую заготовку, а не через внешний нагреватель. С помощью импульсного электротока и так называемого «эффекта плазмы искрового разряда» («spark plasma effect») достигается очень быстрый нагрев и исключительно малая продолжительность рабочего цикла. Это позволяет подавить рост зерна и получить равновесное состояние, что открывает возможности для создания новых_материалов с ранее недоступными композициями и свойствами, материалов с субмикронным или наномасштабным зерном, а также композитных материалов с уникальными или необычными композициями.
При решении поставленных задач использовали современные методы испытаний и исследований, в том числе: микротвердость определяли с помощью прибора для испытания по микро- Виккерсу «Instron 402 MVD»;
механическую обработку спеченных образцов проводили с помощью автоматического высокоточного настольного отрезного станка «Accutom-5» и шлифовально-полировального станка «LaboPol-5»; рентгеноспектраль-ный микроанализ проводили на электронно-ионном сканирующем (растровом) микроскопе с полевой эмиссией электронов «QUANTA 600 FEG» и энергодисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы «ЕРАХ» (Рисунок 1).
Сг V
Но
Fa В О ■
JLjl
Mo
А.
V I
ib
w
Pe
2.00 i . ОС £.00
.DO 10.0D 12.DO
а б
Рисунок 1 - Исследование свойств спеченного образца, а- морфология спеченного образца, б- рентгенограмма
На рисунке 1 б спектр соответствует каждому химическому элементу соответствует пик определенной высоты.
Порошок, из которого производили спекание образцов был получен электроэрозионным диспергированием отходов сплава Р6М5. В нем присутствуют частицы, имеющие правильную сферическую, эллиптическую форму и агломераты.
Установлено, что основными элементами в спеченных образцах из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали Р6М5 в дистиллированной воде, являются железо, вольфрам и углерод.
Результаты измерений микротвердости спеченных образцов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Микротвердость заготовок из порошковой _быстрорежущей стали_
Номер пробы Показания
1 510 НУ
2 480 НУ
3 434 НУ
4 469 НУ
5 408 НУ
6 476 НУ
7 480 НУ
8 446 НУ
9 469 НУ
10 514 НУ
11 473 НУ
12 489 НУ
13 456 НУ
14 471 НУ
15 483 НУ
16 466 НУ
17 538 НУ
18 510 НУ
19 483 НУ
20 482 НУ
Экспериментально установлено, что среднее значение микротвердости спеченных образцов из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали Р6М5 в дистиллированной воде, составляет 477 НУ.
Таким образом переработанные отходы инструментальных быстрорежущих сталей методом электроэрозионного диспергирования и последующего горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 950°С в течение 3 минут могут применяться для производства вольфрамсодержащих пластин для режущего инструмента.
Работа выполнена по теме гранта программы «УМНИК» №9633ГУ/2015
Список литературы
1. Агеев, Е.В. Изучение формы и элементного состава порошка, полученного из вольфрамсодержащих отходов инструментальных материалов электроэрозионным диспергированием в водной среде [Текст] / Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, В.Ю. Карпенко // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2014. - № 4 (112). - С. 14-17.
2. Агеев, Е.В. Получение заготовок твердого сплава из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием вольфрамсодержащих отходов / Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, В.Ю. Карпенко, А.С. Осьминина // Упрочняющие технологии и покрытия. -2014. - № 4 (112). - С. 24-27.
3. Агеева, Е. В. Изучение формы и элементного состава порошка, полученного из вольфрамсодержащих отходов инструментальных материалов электроэрозионным диспергированием в водной среде / Е.В. Агеева, Е.В. Агеев, В.Ю. Карпенко // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2014. - № 4 (112). - С. 14-17.
4. Агеев, Е.В. Исследование свойств спеченных образцов из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов быстрорежущей стали / Е.В. Агеев, Р.А. Латыпов, В.Ю. Карпенко // Международный технико-экономический журнал. -2014. - № 4. - С. 90-94.
5. Агеева, Е.В. Рентгеноструктурный анализ порошка, полученного из вольфрам-содержащих отходов электроэрозионным диспергированием в водной среде / Е.В. Агеева, Е. В. Агеев, В. Ю. Карпенко // Вестник машиностроения. - 2014. - № 12. - С. 6466.
6. Агеев, Е. В. Состав, структура и свойства порошка из быстрорежущей стали, полученной электроэрозионным диспергированием в воде / Е. В. Агеев, В. Ю. Карпенко Р.А. Латыпов // Международный технико-экономический журнал. - 2014. - № 5. - С. 88-96.
7. Агеева, Е. В. Влияние технологии получения электродного материала из отходов быстрорежущей стали на износостойкость электроискровых покрытий / Е. В. Агеева, Е. В. Агеев, В. Ю. Карпенко, А. Ю. Алтухов// Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2015. - № 1. - С. 36-41.
8. Агеева, Е.В. Оценка износостойкости электроискровых покрытий, полученных с использованием электроэрозионных порошков быстрорежущей стали / Е. В. Агеева, Е. В. Агеев, Р. А. Латыпов, В. Ю. Карпенко // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2015. - № 1. - С. 71-76.
9. Агеев, Е. В. Свойства синтезированной порошковой быстрорежущей стали из электроэрозионных порошков, полученных в водной среде / Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, Д А. Чумак-Жунь, С В. Пикалов, В.Ю. Карпенко // Известия ЮЗГУ. - 2015. - № 1 (58). - С. 17-26.
10. Ageev, E.V. Studing Tungsten-containing Electroerosion Powders and Alloys Synthesized from Them / E.V. Ageev, E.V. Ageeva, V.Yu. Karpenko, A.S. Osminina// Journal of nano- and electronic physics. - 2014. - Vol. 3. - P. 03049-1- 03049-3.
11. Ageev, E.V. Nanopowder Produced from High-Speed Steel Waste by Electrospark Dispersion in Water / E.V. Ageev, E.V. Ageeva, V.Yu. Karpenko, // Russian Engineering Research, 2015, Vol. 35, No. 3, pp. 189-190.
12. Агеева, Е. В. Рентгеноспектральный микроанализ порошка, полученного из отходов быстрорежущей стали электроэрозионным диспергированием в керосине / Е.В. Агеева, Е.В. Агеев, В.Ю. Карпенко // Вестник машиностроения. - 2014. - № 12.- С. 6465.
13. Петрешин Д.И. Расширение функциональных возможностей металлорежущих станков с ЧПУ путем организации связи между ПЭВМ и УЧПУ при построении адаптивной системы управления / Петрешин Д.И., Федонин О.Н., Федоров В.П., Хандожко
А.В., Хандожко В.А. // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2011. - № 4. - С. 4-9.
14. Федонин О.Н. Обеспечение коррозионной стойкости деталей машин при механической обработке // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). -2004. - № 3. - С. - 22-25.
15. Федонин О.Н. Технологическое обеспечение и повышение коррозионной стойкости деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2012. - № 2. - С. 3-10.
16. Прокофьев А.Н. Определение параметров режима обработки при обкатывании наружных цилиндрических поверхностей / Прокофьев А.Н., Федонин О.Н., Степошина С.В., Горленко О. А. // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2011. - № 6-3 (290). - С. 66-72.
17. Федонин О.Н. Выбор метода обеспечения коррозионной стойкости деталей машин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2006. - № 2. -С. 42-47.
18. Федонин О.Н., Съянов С.Ю., Фомченкова Н.И. Управление износом инструмента и производительностью процесса при электроэрозионной обработке // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2014. - № 3. - С. 85-88.
19. Федонин О.Н. Обеспечение коррозионной стойкости деталей машин при использовании неметаллических покрытий // Справочник. Инженерный журнал с приложением. - 2004. - № 9 (90). - С. 8-14.
20. Федонин О.Н. Инженерия поверхности детали с позиции ее коррозионной стойкости // Справочник. Инженерный журнал с приложением. - 2003. - № 10. - С. 17-19.
21. Федонин О.Н. Методика определения технологических остаточных напряжений при механической и электрофизической обработке / Федонин О.Н., Съянов С.Ю. // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2002. - № 4. - С. 32-33.
22. Бишутин С.Г. Инженерия поверхностей деталей машин, подвергаемых механической обработке/ Бишутин С.Г., Федонин О.Н.// Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 1. С. 7-12.
23. Федонин О.Н. Разработка автоматизированной системы управления влажностью в сушильной камере на базе приборов фирмы «ОВЕН» / Федонин О.Н., Хандожко В. А., Матлахов В.П. // Вестник Брянского государственного технического университета. 2014. № 2 (42). С. 80-85.
24. Киричек А.В., Звягина Е.А. Эпиламирование - нанотехнология для повышения эффективности механической обработки // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2007. № 2. С. 15-18.
25. Киричек А.В., Соловьев Д. Л. Влияние пролонгации импульса на степень деформации материала при статико-импульсном упрочнении // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 4. С. 6-10.
26. Прогрессивные машиностроительные технологии: коллективная монография / под редакцией А.В.Киричека. / Афонин А.Н., Гапоненко Е.В., Еренков О.Ю., Иванов А.М., Ивахненко А.Г., Киричек А.В., и др. Москва, 2012. Сер. Машиностроение: технологии, оборудование, кадры. Том 1, 2012. - 334 с.
27. Эффективные технологии механической обработки деталей из неметаллических материалов: Коллективная монография / Под ред. А.В. Киричека / Архипов П.В., Балыков А.В., Дьяконов А.А., Еренков О.Ю., Иванов В.П., Калита Е.Г., Липатова А.Б., Лобанов Д.В., Медведева О.И., Морозова А.В., Шмидт И.В., Янюшкин А.С. М.: Изд. дом «Спектр», 2014.- 255 с.
28. Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Лазуткин А.Г., Силантьев С.А. Упрочнение тяже-лонагруженных деталей методом статико-импульсного ППД // СТИН. 2002. № 5. С. 1315.
29. Пат. 2241578 Российская Федерация, МПК 7B 23C 5/00 A, 7B 24B 39/00 B, 7A 46B 7/08 B. Комбинированный иглоупрочняющий инструмент / Степанов Ю.С., Харламов Г.А., Киричек А.В., Тарапанов А.С., Афанасьев Б.И., Фомин Д.С., Болдин О.В. - № 2003115187/02, заявл. 22.05.2003, 10.12.2004, Бюл. № 34
30. Лазуткин А.Г., Киричек А.В., Степанов Ю.С., Соловьев Д.Л. Механика нагруже-ния поверхности волной деформации. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 150 с.
31. Бишутин С.Г. Качество и износостойкость шлифованных поверхностей деталей автомобилей . - Брянск : Десяточка, 2011. - 100 с
32. Бишутин С.Г., Тюльпинова Н.В. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструмент - обрабатываемый материал» // Трение и смазка в машинах и механизмах. -2007. - № 10. - С. 23-28.
33. Бишутин С.Г. Износостойкость деталей машин и механизмов / С. Г. Бишутин, А. О. Горленко, В. П. Матлахов. - Брянск: Издательство БГТУ. - 2010. - 111 с.
34. Суслов А.Г. Автоматизация расчета нормальной контактной жесткости стыков плоских поверхностей шлифованных деталей / Суслов А.Г., Бишутин С.Г., Медведев Д.М., Хандожко В. А. // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2006. - № 2. - С. 135-139.
35. Бишутин С.Г. Повышение износостойкости поверхностей деталей машин при финишной абразивной обработке // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2013. - № 2 (38). - С. 11-15.
36. 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.
37. Размерные характеристики бронзового электроэрозионного порошка, полученного в воде/ Агеева Е.В., Агеев Е.В., Чаплыгин В.Ю., Горохов А.А.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 1 (18). С. 30-35.
38. Фазовый состав частиц порошка, полученного электроэрозионным диспергированием сплава ВК8 в бутиловом спирте/ Агеева Е.В., Алтухов А.Ю., Гулидин С.С., Агеев Е.В., Горохов А.А.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 1 (18). С. 20-25.
Ageev Evgeny Viktorovih D.T.S, associate professor
Southwest state university, Kursk, Russia
Karpenko Vadim Yurevih, Cand.Tech.Sci., lecturer
Southwest state university, Kursk, Russia
RESEARCHES OF PROPERTIES OF THE BAKED SAMPLES FROM THE POWDERS RECEIVED BY ELECTROEROSIVE DISPERGATING OF WASTE OF QUICK CUTTING STEEL
In the article, it is being noted that the problem connected with processing and the reuse of waste of instrumental quick-cutting steels can be successfully solved by electro erosive dispergating and the subsequent hot pressing with a transmission of the high-ampere current in vacuum at a temperature of950 °C within 3 minutes.
Key words: waste of quick-cutting steel, electro erosive dispergating, powder, X-ray spectral microanalysis, micro hardness.
