Изучение строения и свойств твердосплавных электроэрозионных порошков, используемых для восстановления и упрочнения деталей автотракторной техники

ИЗУЧЕНИЕ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫХ ПОРОШКОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ

Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, А.А. Давыдов, С.А. Бондарев, Е.П. Новиков, А.Ю. Молодкин

Аннотация. В статье представлены исследования состава, структуры и свойств порошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов вольфрамсо-держащих твердых сплавов. Показана эффективность их использования при восстановлении и упрочнении деталей автотракторной техники.

Ключевые слова: отходы вольфрамсодержащих твердых сплавов, электроэрозионное диспергирование, порошок, состав, структура, свойства.

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 WC-Co, "^-ТЮ-Со и WC-TiC-TаC-Cо, являющиеся основой твердых сплавов, переработка отходов и дальнейшее использование которых является актуальной проблемой [1-3] . 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 электроэрозионного диспергирования (ЭЭД). Но свойства порошков, полученных из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов данным методом, изучены недостаточно, поэтому их применение ограничено.

Физические, химические и технологические свойства порошков, полученных из отходов твердых сплавов электроэрозионным диспергированием, благодаря которым они могут найти широкое применение при упрочне-

нии и восстановлении деталей автотракторной техники, определяются их строением и свойствами.

Целью настоящей работы являлось изучение строения и свойств твердосплавных электроэрозионных порошков.

Отечественная промышленность выпускает, а предприятия используют и накапливают отходы трех групп вольфрамсодержащих твердых сплавов, различающихся по составу их карбидной основы: вольфрамовые - группа ВК (сплавы WC-Со); титано-вольфрамовые - группа ТК (сплавы WC-TiC-Со); титано-тантало-вольфрамовые - группа ТТК (сплавы WC-TiC-ТаС-Co). Для выполнения намеченных исследований выбраны пластины твердых сплавов марок ВК8, Т15К6 и ТТ20К9, отходы которых на предприятиях РФ скапливаются в наибольшем объеме. В качестве рабочих жидкостей использовались кислородсодержащая - вода дистиллированная и угле-родсодержащая - керосин осветительный.

При решении поставленных задач использовали современные методы испытаний и исследований, в том числе:

- гранулометрический состав порошков определяли на лазерном анализаторе размеров частиц «Апа^ейе 22 МапоТес» и атомно-силовом микроскопе <^таГЗРМ» фирмы «АКТ-№Г»;

- химический анализ на предмет наличия примесей, а также соотношения вольфрама, кобальта и титана проводили на аппарате рентгеновском для спектрального анализа «СПЕКТРОСКАН МАКС^».

Результаты исследования гранулометрического состава порошков представлены на рисунке 1. Установлено, что порошки, полученные из отходов вольфрамсо-держащих твердых сплавов, имеют размер частиц от 3 нм до 50 мкм. Отмечено, что на гранулометрический состав порошка, полученного ЭЭД, наиболее существенное влияние оказывают режимы диспергирования (напряжение, емкость конденсаторов и частота следования импульсов) и свойства рабочей жидкости.

70

?! а 60

В ^ .-о

I з

У =5 40

н о

8 2 30

* I

о 20

У

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 Интервалы размеров, г/ км

70

3 о 50

й 40 &

К

ч

3

20

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 Интервалы размеров, мкм

0,25 0:5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 Интервалы размеров, мкм

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 Интервалы размеров, мкм

В)

Г)

0 60 и

§ И 50

« 8

СП &

я а

Н 3 40

1 3

в4 б 30

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 Интервалы размеров, мкм

е 9

22 Р 20

У, 10

0,25 0,5 0,75 1,0 1, Интервалы размеров.

.25 1,5 1,75 2,0 мкм

Д) е)

Рисунок 1 - Гранулометрический состав порошка, полученного ЭЭД отходов твердого сплава при С=2,5 мкФ и и=140 В: а) ВК8 в воде; б) ВК8 в керосине; в) Т15К6 в воде; г) Т15К6 в керосине; д) ТТ20К9 в воде; е) ТТ20К9 в керосине

Экспериментально установлено, что с увеличением напряжения на электродах реактора и (или) емкости разрядных конденсаторов увеличивается количество более крупных частиц и уменьшается количество мелких частиц. На рисунке 2 представлены микрофотографии частиц порошка, полученного ЭЭД отходов вольф-рамсодержащих твердых сплавов при С=2,5 мкФ и и=140 В. Исследования показали, что с увеличением энергии импульса средний размер частиц порошка увеличивается. Это связано с тем, что при меньшей энер-

гии импульса градиент температур выше, следовательно, доля материала, образующегося кристаллизацией паровой фазы больше. При этом с увеличением энергии импульса количество паровой фазы, которая облепляет сферические частицы жидкой фазы, уменьшается. 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.

Д) е)

Рисунок 2 - Микрофотографии частиц порошка, полученного ЭЭД: а) ВК8 в воде; б) ВК8 в керосине; в) Т15К6 в воде; г) Т15К6 в керосине; д) ТТ20К9 в воде; е) ТТ20К9 в керосине

Химический состав порошков, полученных методом ЭЭД из отходов твердых сплавов марок ВК8, Т15К6 и ТТ20К9, а также исходных твердых сплавов представлен в таблице 1.

Видно, что при ЭЭД твердых сплавов в кислородсодержащей жидкости (воде дистиллированной) содержание углерода Собщ в порошке уменьшается в сравнении порошками, полученными промышленным методом и ЭДД в углеродсодержащей жидкости (керосине осветительном). Наличие свободного углерода Ссвоб (мелкодисперсной сажи) в порошке, полученном в керосине на порядок больше, чем в порошке, полученном в воде. Следует отметить, что наличие Ссвоб в порошках из рассматриваемых сплавов, полученных промышленным методом, существенно меньше, чем в порошках, полученных ЭДД как в воде, так и в керосине.

Установлено, что процесс ЭЭД сопровождается выделением сажи, что можно визуально наблюдать при диспергировании в воде, поскольку при нагревании WC до температур 2000-2500 °С происходит испарение углерода, так как при высоких температурах WC, ТЮ и ТаС диссоциирует соответственно на W, Т^ Та и С, причем скорость испарения углерода выше скорости испарения вольфрама, титана и тантала. Это отражается на увеличении количества свободного углерода в порошке, полученном как из Т15К6, ТТ20К9, так и из ВК8. В целом, изменение химического состава порошков обусловлено диффузией элементов в рабочую жидкость и реакциями диспергируемого материала с рабочей жидкостью и продуктами ее разложения.

Таким образом, проведенные исследования строения и свойств твердосплавных электроэрозионных порошков показали высокую эффективность метода их получения, а именно электроэрозионное диспергирование. Проблема восстановления и упрочнения деталей современной автотракторной техники с высоким уровнем надежности и требуемым ресурсом может быть решена за счет применения порошковых твердых сплавов. Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются порошковые твердые сплавы, полученные из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом электроэрозионного диспергирования.

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 Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. - М.: Машиностроение, 1987. - 192 с.

2 Балдаев Л.Х. Газотермическое напыление порошковых материалов для получения защитных покрытий с заданными свойствами: автореф. ... док. техн. наук. - Курск, 2010. - 32 с.

Таблица 1 - Химический состав твердосплавных порошков, % масс. (остальное W) _

Марка сплава Способ получения Со Собщ Ссвоб О2 ТЮ ТаС

ВК8 ЭЭД в керосине 8,32 5,89 2,13 - - -

ЭЭД в воде 7,32 2,93 0,15 1,24 - -

По ТУ 49-1910.4-73 7,8-8,6 5,8 0,1 0,5 - -

Т15К6 ЭЭД в керосине 5,4 9,5 6,21 - 5,1 -

ЭЭД в воде 4,5 3,12 0,471 - 7,6 -

По ГОСТ 882-74 6,0 5,95 0,15 - 15 -

ТТ20К9 ЭЭД в керосине 8,32 8,32 3,75 - 9,2 4,2

ЭЭД в воде 8,2 2,99 0,22 0,82 8,3 3,8

По ТУ 48-19341-91 8,8-9,4 5,95 0,1 0,3 15 5

3 Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. - М.: Машиностроение, 1981. - 192 с.

Информация об авторах

Агеев Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобилей, транспортных систем и процессов» ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: ageev_ev@mail.ru, тел. 8-904-526-55-07.

Агеева Екатерина Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры физической химии и химической технологии ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: ageevа-ev@yandex.ru, тел. 8-904-525-78-58.

Давыдов Александр Александрович, старший преподаватель кафедры автомобилей, транспорты систем и процессов ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-тай: davydov_alex@mail333.com, тел. 8-951-316-52-77.

Бондарев Сергей Александрович, студент ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: bondarev172@rambler.ru, тел.: 8-920-700-47-20.

Новиков Евгений Петрович, студент ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», е-mail: evgenij-novikov-92 @mail.ru, тел.: 8-920-700-00-28.

Молодкин Артем Юрьевич, аспирант ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».