CC BY
98
а)
б)
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ ПОРОШКОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ
Е.В. Агеев, Д.Н. Романенко, А.С. Чернов, Г.С. Маслов, Е.И. Паршина
Аннотация. Представлены результаты разработки технологии получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом электроэрози-онного диспергирования. Показана эффективность их использования при восстановлении и упрочнении деталей автотракторной техники.
Ключевые слова: отходы вольфрамсодержащих
твердых сплавов, электроэрозионное диспергирование, порошок, детали автотракторной техники.
Восстановление деталей автотракторной техники является важной народнохозяйственной задачей, поскольку обеспечивает экономию высококачественного металла, топлива, энергетических и трудовых ресурсов, а также рациональное использование природных ресурсов и охрану окружающей среды. Широкое применение при ремонте прогрессивных способов восстановления позволяет сэкономить в масштабе страны сотни тысяч тонн металлопроката. Восстановление деталей современной автотракторной техники с высоким уровнем надежности и требуемым ресурсом - сложная и актуальная задача. Эта задача может быть решена за счет применения эффективных методов поверхностного упрочнения при восстановлении деталей машин путем применения специальных износостойких материалов, обеспечивающих получение покрытий с заданными физическими свойствами. Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются, прежде всего, порошковые твердые сплавы, полученные из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов [1-3].
На основании анализа состояния проблемы получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов установлено, что в настоящее время промышленно применяемые технологии получения порошков путем переработки отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов отличаются крупнотоннажно-стью, энергоёмкостью, большими производственными площадями, а также, зачастую, экологическими проблемами (сточные воды, вредные выбросы). Отмечено также, что одним из наиболее перспективных методов получения порошков, практически из любого токопроводящего материала, в том числе и твердого сплава, является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД), который отличается относительно невысокими энергетическими затратами, безвредностью и экологической чистотой процесса, отсутствием механического износа оборудования, получением порошка непосредственно из кусков твердого сплава различной формы за одну операцию, получением частиц преимущественно сферической формы размером от нескольких нанометров до сотен микрон. Отмечено, что к настоящему времени уровень разработки метода ЭЭД достиг опытнопромышленного производства. Однако, аттестация и использование получаемых порошков сдерживается отсутствием технологии, позволяющей стабильно получать материалы с заранее заданными свойствами [4]. б)
Процесс электроэрозионного диспергирования (ри- Рисунок 2 - Экспериментальная установка ЭЭД:
сунок 1) представляет собой разрушение токопроводя- а) структурная схема; б) генератор импульсов щего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между элек- Регулятор напряжения служит для регулирования и
тродами, находящимися в рабочей жидкости. установки необходимого переменного напряжения на
входе генератора импульсов. В качестве регулятора напряжения использован регулятор напряжения однофазный РНО-250-10 ТУ 16.-517.298-70 с диапазоном
Рисунок 1 - Процесс ЭЭД: а) схема установки; б) схема процесса
Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и 3 и далее к пластинам твердого сплава 6. В качестве электродов служат также пластины твердого сплава. При достижении напряжения определённой величины происходит электрический пробой рабочей жидкости 5, находящейся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда 7. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда 8 плавится и испаряется, рабочая жидкость испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада 9.
В результате развивающихся в канале разряда и продуктах распада рабочей жидкости значительных динамических сил, капли расплавленного материала 4 выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую жидкость, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы твердого сплава.
На основании анализа существующего оборудования для осуществления процесса ЭЭД разработана установка, состоящая из регулятора напряжения, генератора импульсов и реактора (рисунок 2).
регулирования выходного напряжения от 0 до 250 В, силой тока до 40 А и максимальной мощностью 10 кВт. Для получения порошков методом ЭЭД разработан и создан генератор импульсов, который состоит из двух основных функциональных узлов: силового блока и блока управления. В состав силового блока входят: однофазный выпрямитель, преобразующий переменное напряжение от 0 до 250 В в постоянное; опорная батарея конденсаторов, фильтрующих выпрямленное напряжение; зарядный тиристорный коммутатор, обеспечивающий резонансный заряд рабочего накопителя и его отключение от опорной батареи конденсаторов на время формирования импульса разрядного тока; рабочий накопитель, накапливающий электрическую энергию и отдающий ее в нагрузку; разрядный тиристорный коммутатор, подключающий заряженный рабочий накопитель к нагрузке и исключающий влияние режимов разряда на режимы потребления электрической энергии от питающей сети. Для контроля за режимами работы силового блока предусмотрены: вольтметр постоянного напряжения, контролирующий величину напряжения на опорной батарее конденсаторов и вольтметр амплитудных значений, осуществляющий контроль за максимальным напряжением на рабочем накопителе.
При получении порошков методом ЭЭД основными регулируемыми параметрами процесса порошкообразо-вания являются средний размер частиц порошка, производительность процесса и химический состав порошка. Первые два параметра можно в широких пределах
изменять (изменяя электрические параметры процесса), тогда как химический состав порошка зависит от начального химического состава диспергируемого материала и химического состава применяемой рабочей жидкости. На рисунке 3 представлено влияние основных технологических параметров ЭЭД на производительность процесса и средний размер частиц порошка.
Рисунок 3 - Зависимости среднего размера частиц и производительности процесса ЭЭД отходов твердых сплавов: 1 - ВК8 в воде, 2 - ВК8 в керосине, 3 - ТТ20К9 в воде, 4 - ТТ20К9 в керосине, 5 - Т15К6 в воде, 6 -Т15К6 в керосине
Видно, что увеличение напряжения на электродах и емкости разрядных конденсаторов приводит к росту среднего размера частиц и производительности процесса диспергирования. Частота следования импульсов также увеличивает производительность процесса. При этом отмечено, что изменение частоты следования импульсов практически не оказывает влияние на средний размер частиц порошка.
Разработанный технологический процесс получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом ЭЭД, включающий следующие основные операции:
1. Сбор и сортировка отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов по маркам (химическому составу).
2. Очистка отходов (от загрязнений, стружки).
3. Загрузка отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов в реактор и подключение электродов.
4. Заливка в реактор рабочей жидкости (воды дистиллированной или керосина осветительного).
5. Выбор режимов диспергирования (напряжения, емкости конденсаторов и частоты следования импульсов).
6. Электроэрозионное диспергирование.
7. Отстаивание и слив рабочей жидкости.
8. Отделение наноразмерной фракции центрифугированием.
9. Химическая очистка порошка (при необходимости).
10. Прокаливание порошка в печи при температуре 150 - 200 °С в течение 20-30 минут.
11. Контроль качества.
В зависимости от метода практического использования полученных порошков данная технология может несколько видоизменяться, например:
- операция «Отделение наноразмерной фракции центрифугированием» может отсутствовать, в случае если размеры частиц получаемого порошка полностью соответствуют необходимым при данном методе применения;
- операции «Отстаивание и слив рабочей жидкости» может отсутствовать при использовании порошков при композиционном нанесении гальванических покрытий на основе железа, т.к. в этом случае в ванну железнения можно вносить не полученный сухой порошок, а суспензию, состоящую из порошка и дистиллированной воды, что значительно упрощает технологию получения порошков, а, следовательно, и их себестоимость, которая составляет порядка 500 руб. за 1 кг
Таким образом, на основании проведенных исследований разработана эффективная технология получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом ЭЭД, позволяющая получать по-
рошки из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов, пригодные для повторного использования в технологиях восстановления и упрочнения деталей машин автотракторной техники железнением, различными видами наплавки и электроискрового легирования. Отмечено, что стоимость таких порошков в 2-3 раза ниже стоимости промышленных.
Работа выполнена при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (соглашение № 14.В37.21.1845).
Список использованных источников
1 Восстановление и упрочнение деталей автотракторной техники плазменно-порошковой наплавкой с использованием порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов спеченных твердых сплавов: монография / Е.В. Агеев и др. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2010. -91 с.
2 Восстановление и упрочнение деталей машин композиционными гальваническими покрытиями: монография /
Е.В. Агеев и др. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 2011. -75 с.
3 Металлография металлов, порошковых материалов и покрытий, полученных электроискровыми способами: монография / В.Н.Гадалов, В.Г.Сальников, Е.В.Агеев, Д.Н. Романенко. - ИНФРА-М, 2011. - 468 с.
4 Агеев Е.В., Семенихин Б.А. Выбор метода получения порошковых материалов из отходов спеченных твердых сплавов // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: Изд-во Самарского науч. ц-ра РАН. - 2009. - Спец. вып.: Актуальные проблемы машиностроения.- С. 12-15.
Информация об авторах
Агеев Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобилей, транспортных систем и процессов ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-тай: ageev_ev@mail.ru, тел. 8-904-526-55-07.
Романенко Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук,, доцент, и.о. заведующего кафедрой материаловедения и сварочного производства ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: Romanenko-
kstu46@yandex.ru, тел./факс: (4712) 58-71-04, 920-705-30-33.
Чернов Александр Сергеевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: svarka-kstu@mail.ru, тел./факс: (4712) 58-71-04.
Маслов Георгий Сергеевич, студент ФГБОУ ВПО «ЮгоЗападный государственный университет», е-mail: svarka-kstu@mail.ru, тел./факс: (4712) 58-71-04.
Паршина Евгения Игоревна, студентка ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: svarka-kstu@mail.ru, тел./факс: (4712) 58-71-04.
