Введение к работе
Актуальность темы. Обработка твердых и сверхтвердых материалов традиционными способами резания сопряжена с комплексом проблем, обусловленных их высокими механическими и специальными характеристиками, в связи с чем возникает необходимость применения альтернативных методов. К их числу относится размерная электроэрозионная обработка (ЭЭО), обеспечивающая получение деталей сложной формы с высокой точностью и чистотой поверхности. В настоящее время этим методом обрабатываются высокопрочные и закаленные стали, титан и сплавы на его основе, твердые и жаропрочные сплавы и т.д.
Тем не менее расширение области использования ЭЭО сдерживается недостаточными эксплуатационными характеристиками обрабатывающих электрод-инструментов (ЭИ). Ресурсы повышения стойкости традиционно используемых материалов ЭИ из меди, латуни, графита исчерпаны. Композиционные материалы на основе меди не снимают в полной мере проблему снижения износа ЭИ. Затраты^связанные с изготовлением фасонного ЭИ^в отдельных случаях достигают 80% от общих расходов ЭЭО в целом. Поэтому на целесообразность использования данного метода, наряду с электроэрозионными свойствами ЭИ, оказывает значительное влияние его стоимость, которая определяется стоимостью исходного сырья и технологическими затратами.
Решением проблемы получения электродов и одновременного улучшения их эксплуатационных характеристик является создание новых композиционных электродных материалов с использованием нетрадиционного дешевого вида сырья - минерального сырья методами порошковой металлургии. Главное преимущество композиционных гетерогенных систем состоит в том, что они позволяют в определенных условиях при создании
специальной структуры реализовать аддитивное сочетание свойств, характеризующих каждую из составляющих. Многокомпонентный состав концентратов позволит получать новые композиционные электродные материалы с регулируемыми свойствами. При этом достигается существенное снижение стоимости производства за счет исключения гидро - и пироме-таллургических процессов.
Настоящая работа выполнялась по темам: ГР № 61.8.70.031950 "Повышение надежности и технического ресурса горного и обогатительного оборудования" (1986-90 гг.), ГР № 01.9.10017837 "Разработка новых эрозионностоиких и экономичных электрод-инструментов на основе W-Cu с использованием минерального сырья Дальневосточного региона" (1991-95 гг.), ГКНТ "Порошковая металлургия" № 0201Т (1991 г.) и № 02.04.М2 (1992 г.), РНТП "Новые материалы" №07.03.0251.Т (1993-95 гг.).
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание новых экономичных композиционных материалов ЭИ на основе вольфрам - медного псевдосплава с использованием минерального сырья, обеспечивающих высокие технологические параметры процесса электроэрозионной размерной обработки твердых и жаропрочных сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
исследование особенностей процесса восстановления вольфрамсо-держащего минерального сырья водородом и углеродом;
изучение условий получения высокоплотных заготовок композиционных электродных материалов на основе W-Cu различными методами (прессованием с последующим спеканием в среде водорода и в вакууме, горячим и взрывным прессованием);
изучение влияния природы и содержания добавок CaO, Ni, WC, ZrCb на процесс консолидации материала и технологические свойства ЭИ;
исследование поведения полученных материалов в условиях электроэрозионной размерной обработки твердого сплава и сталей, определение их оптимального состава и структуры;
определение взаимосвязи состав - способ получения - структура-свойства материалов ЭИ.
Научная новизна.
1. Впервые предложено использование минерального сырья
(шеелитового и бадделеитового концентратов) для непосредственного по
лучения композиционных дисперсноупрочненных электродных материа
лов на основе W-Cu с добавками CaO, WC и Zr02, минуя их гидрометал
лургический и металлургический переделы.
-
Исследован процесс восстановления шеелитового концентрата водородом и углеродом. Показано, что восстановление шеелита водородом происходит через образование фаз Ca3W06, W03, WO2.
-
Механическая обработка шеелитового концентрата сопровождается механохимическои активацией шеелита, которая проявляется в изменении фазового состава концентрата (его частичном разложении), в интенсификации процесса восстановления шеелита в среде водорода (на 20%), а также снижении температуры карбидизации вольфрама в составе шеелита ~ на 100С.
-
При создании новых электродных материалов с использованием минерального сырья изучена взаимосвязь состав-способ получения -структура - свойства:
- на основании кинетических параметров определено, что горячее
прессование для системы W-CaO-Cu является наиболее эффективным ме
тодом формообразования, обеспечивающим высокую плотность и равно
мерность распределения компонентов в материале;
определены оптимальные соотношения компонентов и размер зерна в системе W-CaO-Cu. Оптимальное значение дисперсности тугоплавкой фазы лежит в пределах 1-5 мкм. Содержание оксида кальция в электродном материале, при котором достигаются наиболее высокие показатели ЭЭО, составляет 8 масс. % при соотношении основных компонентов W:Cu=l:3. Эффективное действие СаО достигается в результате его равномерного распределения в материале электрода как "природнолегирую-щей" добавки;
исследовано влияние добавок специального назначения (СаО, WC, Zr02, Ni) на параметры консолидации материалов, оптимизированы составы электродных материалов и параметры их получения, обеспечивающие достижение равномерной мелкодисперсной структуры.
5. Получены новые дисперсноупрочненные композиционные электродные материалы W-CaO-Cu, W-CaO-Cu-WC, W-CaO-Cu-Zr02.
Практическая значимость работы. Созданы новые порошковые композиционные материалы ЭИ с низкими показателями относительного износа (17-30%) и высокой производительностью процесса ЭЭО (3-4 мм3/мин) при обработке твердого сплава, защищенные патентами №№ 2043867, 2043861 и положительным решением № 94011420 от 14.04.94, при стоимости в 2-3 раза ниже соответствующих аналогов. ЭИ прошли производственные испытания на заводе металлических конструкций (г.Хабаровск), на Лермонтовской горнорудной компании (пос. Светлого-рье) и рекомендованы к внедрению в производство.
Разработана технология получения экономичных ЭИ на основе W-Cu с использованием шеелитового концентрата для электроэрозионных копи-ровально-прошивочных станков. Предлагаемое технологическое решение переработки вольфрамсодержащего сырья значительно снижает затраты по производству порошковых композиционных материалов за счет исклю-
чения стадии выделения чистых компонентов. Технология опробована и передана для внедрения АО "Ресурс" (пос. Солнечный, Хабаровский край). Разработан бизнес-план "Организация производства по выпуску электродов методами порошковой металлургии". На защиту выносятся:
новый вид исходного сырья (шеелитовый и бадделеитовый концентраты) для получения композиционных электродных материалов для ЭЭО;
результаты исследования процесса восстановления шеелитового концентрата в среде водорода и углеродом в вакууме;
условия консолидации новых композиционных электродных материалов определенного фазового состава методами спекания и горячего прессования;
разработанные новые композиционные материалы электротехнического назначения W-CaO-Cu, W-CaO-Cu-WC, W-CaO-Cu-Zr02, защищенные патентами №№ 2043867, 2043861 и положительным решением № 94011420 от 14.04. 94.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на XII Всесоюзной конференции по порошковой металлургии, Киев, 1991 г.; школе - семинаре "Вибротехнология-93", г. Одесса, 1993 г.; международном симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока", Комсомольск-на-Амуре, 1994 г.; международном научном семинаре "Наукоемкие технологии и проблемы их реализации в производстве" с участием Sandia National Laboratories (США), г. Хабаровск, 1995 г.; школе - семинаре "Вибротехнология-96", г. Одесса, 1996 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе получено 2 патента и 1 положительное решение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и содержит 27 таблиц, 32 рисунка, библиографический список из 139 наименований. Содержание работы изложено на 144 страницах машинописного текста.
