Введение к работе
Актуальность работы
Спеченные твердые сплавы имеют в современной технике очень большое значение. Основой большинства применяемых твердых сплавов является карбид вольфрама. Анализ исследовательских работ в области вольфрамсо- держащих твердых сплавов показывает, что большинство из них связано с вопросом экономии вольфрама. Этот вопрос имеет весьма актуальное значение в связи с дефицитом, дороговизной и непрерывным расширением областей применения вольфрама. С экономией вольфрама тесно связаны мероприятия по сбору отходов твердых сплавов и их переработка. В отечественной и зарубежной промышленности в настоящее время применяют несколько методов переработки отходов твердых сплавов, которые в большинстве своем характеризуются крупнотоннажностью, энергоёмкостью, большими производственными площадями, малой производительностью, а также экологическими проблемами. Одним из перспективных методов получения порошка, практически из любого токопроводящего материала, в том числе и твердого сплава, отличающийся относительно невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса, является метод электроэрозионного диспергирования (ЭЭД).
Широкое использование метода ЭЭД для переработки вольфрамсодер- жащих твердых сплавов в порошки с целью их повторного использования сдерживается отсутствием в научно-технической литературе полноценных сведений по влиянию исходного состава, режимов и среды получения на свойства порошков и технологий практического применения. Поэтому для разработки технологий повторного использования порошков, полученных из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов, и оценки эффективности их использования требуется проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований.
Кроме того, одной из основных проблем развития современного машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей, узлов и механизмов. Одной из основных причин выхода из строя является их изнашивание. При большом многообразии видов и механизмов изнашивания в машиностроении одной из актуальных проблем является повышение качества деталей, работающих в условиях абразивного и коррозионно- абразивного изнашивания, характерных для сельхозмашин, автомобилей, дорожно-строительных, пищеперерабатывающих машин, горнодобывающего оборудования и т.д. Эта проблема может быть решена за счет применения эффективных методов изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин путем применения специальных материалов, обеспечивающих получение покрытия с заданными физико-механическими свойствами. Такими материалами, с точки зрения цены и качества, являются, прежде всего, порошковые твердые сплавы, полученные из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по темам государственных контрактов: «Получение порошковых материалов из отходов спеченных твердых сплавов, их аттестация и применение в технологиях восстановления и упрочнения деталей машин» (гос. регистр. № П601); «Получение и исследование нанопорошков из отходов спеченных твердых сплавов» (гос. регистр. № П1288); «Разработка и исследование металлокерамических порошков на основе системы WC-Со» (гос. регистр. № П1250); «Повышение эксплуатационных характеристик и экологической безопасности изделий из инструментальных и конструкционных сталей электроискровой и химико- термической обработками» (гос. регистр. № П653).
Цель и задачи работы
Целью работы является исследование и разработка процесса получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов электроэрозионным диспергированием, их практическое применение в технологиях восстановления и упрочнения деталей.
В соответствии с поставленной целью решали следующие задачи:
-
Исследовать процесс ЭЭД отходов твердого сплава марок ВК8, Т15К6, ТТ20К9 и установить механизм формообразования частиц порошка и зависимость их размера и производительности от условий осуществления процесса.
-
Исследовать влияние условий осуществления электроэрозионного диспергирования отходов твердых сплавов марок ВК8, Т15К6 и ТТ20К9 на состав, строение и свойства порошков: гранулометрический состав, химический состав, форму и морфологию частиц, удельную поверхность, рентгено- спектральный состав, рентгеноструктурный (фазовый) состав, микротвердость, прессуемость и насыпную плотность.
-
Разработать технологию и оборудование для получения порошков из отходов твердых сплавов, пригодных к практическому применению.
-
Разработать технологию получения износостойких покрытий на деталях машин и режущем инструменте с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.
-
Установить зависимости структуры, микротвердости и износостойкости покрытий, полученных методами электроискрового легирования, наплавки и железнения, от состава и свойств порошков, полученного ЭЭД воль- фрамсодержащих твердых сплавов.
-
Разработать математическую модель определения оптимального состава порошковой композиции для получения покрытий с использованием в качестве упрочняющей фазы порошка, полученного из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов.
-
Разработать технологию упрочнения режущего инструмента электроискровым легированием с использованием в качестве электродного материала твердого сплава, полученного из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом электроэрозионного диспергирования.
Научная новизна
-
-
Исследован процесс электроэрозионного диспергирования отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов. Установлено, что в зависимости от энергетических характеристик искрового разряда в межэлектродном промежутке возможны следующие механизмы образования частиц порошка:
образование частиц осколочной формы размером до 50 мкм в результате хрупкого разрушения поверхности твердого сплава. Такие частицы имеют неправильную форму, в том числе с оплавленными гранями и краями;
образование частиц каплеобразной формы размером от 0,1 до 5 мкм в результате плавления участков поверхности твердого сплава;
образование частиц размером от 0,003 до 0,1 мкм в результате расплавления и кипения участков поверхности твердых сплавов и их испарения с последующей конденсацией в рабочей жидкости. Такие частицы имеют неправильную форму и обычно агломерируются друг с другом и на поверхности других частиц.
Установлены корреляционные зависимости между энергетическими параметрами электроэрозионного диспергирования с гранулометрическим составом порошков и производительностью процесса. Показано, что повышение напряжения, емкости разрядных конденсаторов и частоты импульсов увеличивает производительность процесса. Установлено, что в порошке превалируют частицы, полученные кристаллизацией расплавленного материала, которые имеют правильную сферическую или эллиптическую форму.
Установлены зависимости состава, строения и свойств порошка из отходов твердых сплавов ВК8, Т15К6 и ТТ20К9 от состава и свойств рабочей жидкости. Установлено, что с повышением вязкости и температуры кипения рабочей жидкости дисперсность порошков уменьшается, а количество высокотемпературной фазы в-WC увеличивается. Показано, что диспергирование твердого сплава в углеродсодержащей жидкости снижает потери углерода в сравнении с диспергированием в кислородсодержащей жидкости и способствует образованию фаз a-WC, в-WC, TiC и ТаС. Установлено, что диспергирование в кислородсодержащей жидкости приводит к потере углерода в порошке вплоть до получения фаз W2C и W. Установлено также, что порошки, полученные методом электроэрозионного диспергирования, имеют большую микротвердость, чем исходные сплавы.
Установлены взаимосвязи зависимости структуры, микротвердости и износостойкости покрытий, полученных железнением, электродуговой наплавкой, плазменно-порошковой наплавкой и электроискровым легированием, на деталях машин и инструменте от состава и свойств порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов. Установлено также, что введение твердосплавных порошков в качестве упрочняющей фазы увеличивает ресурс восстановленных деталей и стойкость режущего инструмента в 1,3...4,8 раза.
Установлено, что основным элементом в порошках из сплава Т15К6 после их спекания является WC со средним размером зерна 1,07 мкм и пористостью 9,18%.
Практическая значимость
Разработаны и внедрены в производство технология и оборудование для получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов марок ВК8, Т15К6 и ТТ20К9, пригодных к промышленному использованию (патенты РФ 2455117 и 2449859), технологии получения износостойких покрытий на деталях машин и режущих кромках металлообрабатывающих инструментов с использованием в качестве упрочняющей фазы порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов (патенты РФ 2364482 и 2424382) и технология изготовления электродного материала для электроискрового легирования из таких же отходов, позволившие в 1,3...4,8 раза повысить ресурс восстановленных и упрочненных деталей.
Реализация результатов работы
Разработанные технологии и оборудование апробированы и внедрены: в ООО «РосУтилизация 46» г. Курск; в ЦКП НИУ БелГУ «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» г. Белгород; в ОАО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курск; в ООО «Завод по ремонту горного оборудования» Михайловского горно-обогатительного комбината г. Железногорск; в ООО «НВА АГРОСЕРВИС» п. Коренево Курской области; в ООО «Сервис- Черноземье» г. Курск; в ОАО «Геомаш» г. Щигры; в ООО «КСТ» г. Курск.
Материалы исследований внедрены в учебный процесс при чтении лекций, выполнении лабораторных работ, курсовых и дипломных проектов и работ со студентами, магистрантами и аспирантами: в ФГБОУ ВПО «Московский государственный вечерний металлургический институт» по дисциплине «Технология металлизации сварочными методами» специальности 150107.65 «Металлургия сварочного производства»; в ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» по дисциплинам «Сварка и наплавка в ремонтном производстве», «Материаловедение», «Спецглавы материаловедения», «Основы технологии производства и ремонт автомобилей» по специальностям 150202.65 «Оборудование и технология сварочного производства», 190601.65 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190603.65 «Сервис транспортных машин и технологического оборудования»; в ФГБОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова» по дисциплинам «Технология ремонта машин», «Монтаж, эксплуатация и ремонт технологического оборудования», «Надежность и ремонт машин» по специальностям 110301.65 «Механизация сельского хозяйства», 110302.65 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», 110303.65 «Механизация переработки сельхозпродукции», 110304.65 «Технология обслуживания и ремонта машин в АПК»; в ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» индустриально-педагогический факультет по специальности 030600 «Технология и предпринимательство» со специализацией «Автодело и техническое обслуживание автомобилей».
Достоверность полученных результатов обеспечивается сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами исследований других авторов, а также оценкой погрешности эксперимента статистическими методами и успешной реализации разработанных технологий в производстве, применением отработанных методов и технических средств.
Личный вклад соискателя состоит: в постановке цели и задач исследований; в разработке, изготовлении и патентовании установки для получения дисперсных порошков из токопроводящих материалов; в организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ; в исследовании влияния режимов ЭЭД на структуру, физико-механические и физико- технологические свойства порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов; в установлении взаимосвязи между структурой и свойствами этих порошков со структурой и физико-механическими свойствами покрытий, полученных на деталях машин и инструменте методами электроискрового легирования, наплавки и железнения; в анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также подготовке публикаций по выполненной работе.
На защиту выносятся
1. Теоретические, технологические и технические решения, позволяющие получать порошки из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов, пригодные для практического использования.
Совокупность экспериментально установленных закономерностей получения порошков из отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов методом электроэрозионного диспергирования.
Установленные зависимости влияния условий осуществления процесса ЭЭД на физико-механические и технологические свойства порошков: гранулометрический состав, химический состав, форму и морфологию частиц, удельную поверхность, рентгеноспектральный состав, рентгенострук- турный (фазовый) состав, микротвердость, прессуемость и насыпную плотность.
Результаты экспериментальных исследований влияния добавок порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов, на физико-механические свойства покрытий на деталях машин.
Технологические решения, направленные на управление качеством износостойких покрытий, получаемых с добавлением твердосплавных порошков.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1. Всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях: «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2002-212 гг.); «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2009, 2010 гг.); «Современные наукоемкие инновационные технологии» (Самара, 2009, 2010 гг.); «Механики XXI веку» (Братск, 2009 г.); «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, 2009 г.); «Защитные и специальные покрытия, обработка поверхности в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2009 г.); «Современные твердофазные технологии: теория, практика, инновационный менеджмент» (Тамбов, 2009-2012 г.).
2. Международных научно-технических и научно-практических конференциях, форумах, симпозиумах и семинарах: «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004-12 гг.); «Славяновские чтения (Сварка - XXI век)» (Липецк, 2004, 2009 гг.); «Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике» (Воронеж, 2004 г.); «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2007-2012 гг.); «Автомобиль и техносфера» (Казань, 2007, 2010 гг.); «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008-2011 гг.); «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2009 г.); «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей, механизмов, оборудования инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» (С.Петербург, 2009, 2010 гг.); «Информационно-измерительные, диагностические и управляющие системы (Диагностика - 2009)» (Курск, 2009 г.); «Современная техника и технологии (СТТ 2009)» (Томск, 2009 г.); «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009 г.); «Молодежь и XXI век» (Курск, 2009 г.); «Экономика природопользования и природоохраны» (Пенза, 2009); «Инновационная Россия: опыт регионального развития» (Курск, 2009); «Современные автомобильные материалы и технологии» (Курск, 2009-2012 гг.); ХШ international Russian-Chinese Symposiums (Khabarovsk, 2009 г.); «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях» (Якутск, 2009 г.); «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009 г.); «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» (Курск, 2010, 2011 гг.); «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта-Киев, 2010 г.); «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2010 г.); «Фундаментальные и прикладные проблемы машиностроения (Технология - 2010)» (Орел, 2010 г.); «Современное материаловедение и нанотехнологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.); «Научные проблемы автомобильного транспорта» (Москва, 2010 г.); «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии» (Москва, 2010 г.); «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (Москва, 2010 г.); «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, 2010 г.); «Наука и инновации в сельском хозяйстве» (Курск, 2011 г.); «Современные материалы, техника и технологии» (Курск, 2011 г.); «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2011 г.); «Техника и технологии: пути инновационного развития» (Курск, 2011, 2012 гг.); «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматери- алов» (Курск, 2011 г.); «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2011 г.); «Научное обеспечение агропромышленного производства» (Курск, 2012 г.); «Научные проблемы эффективного использования тягово- транспортных средств в сельском хозяйстве» (Москва, 2012 г.) и др.
Публикации. Основные научные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 149 работах, в том числе: четырех монографиях, 40 публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК, четырех патентах РФ на изобретение, одном свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ, одном учебном пособии, пяти методических рекомендациях, семи зарегистрированных отчетах о научно-исследовательских работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 360 страниц, в том числе 22 таблицы, 65 рисунков, 23 страницы приложений. Список литературы включает в себя 420 источников.
Похожие диссертации на Исследование и практическое применение порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов вольфрамсодержащих твердых сплавов
-
