автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование и получение электродных материалов с использованием минерального сырья для электроэрозионной обработки



А На правах рукописи

ч%

СУНДУКОВ АЛЕКСЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность - 05.02.01 - материаловедение

(машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Благовещенск -1997

Работа выполнена в Институте материаловедения Дальневосточного отделения Российской Академии Наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Верхотуров А.Д. кандидат технических наук, с.н.с. Сокол И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Литовка Г.В. кандидат физ.-мат. наук, профессор Манохин В.М.

Ведущая организация: Лермонтовская горнорудная

компания

Защита состоится 24 декабря 1997 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 064. 52. 02 в Амурском государственном университете по адресу: 675027, г. Благовещенск, Игнатьевское шоссе, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Амурского государственного университета.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент

Е.Ф. Дегтярев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 эрозионностойких и экономичных электрод-инструментов на основе "^Си с использованием минерального сырья Дальневосточного региона" (199195 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 \V-Cu различными методами (прессованием с последующим спеканием в среде водорода и в вакууме, горячим и взрывным прессованием);

- изучение влияния природы и содержания добавок СаО, №, WC, ХгОг 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 получения композиционных дисперсноупрочненных электродных материалов на основе \V-Cu с добавками СаО, WC и минуя их гидрометаллургический и металлургический переделы.

2. Исследован процесс восстановления шеелитового концентрата водородом и углеродом. Показано, что восстановление шеелита водородом происходит через образование фаз CaзW06, \У03, W02.

3. Механическая обработка шеелитового концентрата сопровождается механохимической 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 100°С.

4. 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 '№-СаО-Си является наиболее эффективным методом формообразования, обеспечивающим высокую плотность и равномерность распределения компонентов в материале;

- определены оптимальные соотношения компонентов и размер зерна в системе >У-СаО-Си. 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 АУ:Си=1:3. Эффективное действие СаО достигается в результате его равномерного распределения в материале электрода как "природнолегирую-щей" добавки;

- исследовано влияние добавок специального назначения (СаО, А^С, гЮ2, №) на параметры консолидации материалов, оптимизированы составы электродных материалов и параметры их получения, обеспечивающие достижение равномерной мелкодисперсной структуры.

5. Получены новые дисперсноупрочненные композиционные электродные материалы \V-CaO-Cu, \У-СаО-Си-\УС, \У-СаО-Си-2Ю2.

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 )У-Си 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-Ca0-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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы создания новых электродных материалов для ЭЭО. Сформулированы цель и задачи работы, изложены научная новизна и практическая значимость.

Первая глава является аналитическим обзором литературы. Приведены основные положения импульсного электрического разряда в диэлектрической жидкости, их связь с процессом эрозии материалов электродов. Описаны основные принципы создания электродных материалов, предложенные отечественными исследователями - Золотых Б.Н., Самсонов Г.В., Некрашевич И.Г., Верхотуров А.Д., Левит М.Л., Шмаков Г.С., Минакова Р.В и др. Показана необходимость использования в качестве ЭИ композиционных электродных материалов, проанализированы их состав, структура, методы получения, а также влияние этих факторов на эксплуатационные параметры ЭЭО. Рассмотрены способы использования минерального сырья в порошковой металлургии, в частности при создании материалов электротехнического назначения.

Во второй главе приведены характеристики используемых материалов и оборудования, описаны методы экспериментальных исследований и аналитического контроля. В работе были использованы вольфрамовые концентраты, вырабатываемые на горно-обогатительных комбинатах Хабаровского и Приморского краев, порошок меди марки ПМС-1, порошок никеля, бадцелеитовый концентрат.

При создании электродного материала в работе использовались следующие методы: восстановление шеелитового концентрата в среде водорода и вакуумное восстановление углеродом, приготовление и механоак-тивация шихты, углетермический синтез карбида вольфрама в вакууме, прессование порошков с последующим спеканием в среде водорода и в вакууме, горячее и взрывное прессование. Аналитический контроль осуществляли следующими методами анализа: химическим, газовым, рентге-нофазовым, спектральным, микроскопическим, металлографическим, минералогическим. Исследование физико-химических, механических и технологических свойств порошков и изделий из них осуществляли согласно ГОСТ. Электроэрозионные свойства определяли по стандартной методике, разработанной в Экспериментальном научно-исследовательском институте (г. Москва). Результаты измерений обрабатывали с применением методов математической статистики.

Третья глава посвящена обоснованию выбора исходного сырья и вводимых добавок в состав электродного материала и исследованию процессов их получения из минерального сырья. Определены физические и технологические свойства вольфрамсодержащих концентратов ГОКа "Восток-2", Лермонтовского РУ, Солнечного ГОК (гранулометрический состав, форма и размеры частиц, коэффициент трения, текучесть, прессуе-мость). В результате проведенных исследований было выявлено, что наилучшим комплексом свойств обладает шеелитовый концентрат (ГОК "Восток-2"). На основании того, что основу концентрата составляет шеелит Са^Ю4, сделано предположение, что продуктами его восстановления будут вольфрам и оксид кальция, который является эмиссионно-активной добавкой для электродных материалов. Оксид кальция, обладая низкой работой выхода электрона, обеспечит повышение устойчивости разряда и стабильности процесса ЭЭО. Рассмотрена возможность обогащения кон-

центрата методом флотации, в результате которой содержание вольфрама повышено с 47,2 до 54,5%, а содержание кальция снижено с 19,0 до 15,5%.

Вторым основным компонентом была выбрана медь, которая является традиционным материалом электротехнического назначения.

Восстановление шеелитового концентрата проводили водородом и углеродом различных марок. Определено, что восстановительная способность водорода несколько выше, чем у углерода практически во всем интервале температур (рис.1). После восстановления шеелитового концентрата в среде водорода при температуре 1250°С в течение 1 часа содержание кислорода в нем составило 7,5 %, а при восстановлении углеродом при

Рис. 1. Изменение содержания кислорода в шеелитовом концентрате: 1 - в зависимости от температуры восстановления водородом (1час); I1- в зависимости от температуры восстановления углеродом(1час); 2- в зависимости от продолжительности восстановления водородом при 1250°С; 3- в зависимости от количества углерода СГ-10 (1400°С, 1час); З1- в зависимости от количества углерода ПМ-100 (1400°С, 1час).

сод. 02,%

5

О

900 1100 1300 1500 Т.'С

1 2 3 4 1, час.

том же режиме - 9,2 %. Увеличение времени восстановления в среде водорода от 1 до 3 часов привело к снижению общего содержания кислорода с 7,5 до 5,8 %, однако при этом наблюдалось нежелательное укрупнение частиц порошка вольфрама.

Одним из условий достижения физико-механических свойств спеченных материалов является высокая дисперсность используемых порошков. В связи с этим для уменьшения размера частиц порошка, а также для активации процесса восстановления шеелитового концентрата была использована его предварительная механическая обработка, которая привела к повышению выхода металлического вольфрама (табл. 1 поз.4), и соответственно к увеличению скорости протекания реакции. Так, к окончанию термической выдержки (1200°С х 2,5 ч.) наблюдалось полное разложение шеелита в случае восстановления механоактивированного исходного продукта. Это связано как с увеличением удельной поверхности порошка, так и с образованием дефектной структуры, которая с точки зрения химии дефектных кристаллов имеет более высокую реакционную способность по сравнению с равновесной. Наибольшая степень восстанавливаемости шеелитового концентрата достигается при использовании комплекса предвос-становительных мероприятий, заключающихся во флотационном обогащении и механической обработке (табл. 1 поз.5). Установлено, что восстановление шеелита в среде водорода протекает по схеме Са\¥04 ->Са3\\Ю6 -» \УОз (СаО) -» ЛУ02(Са0) -» \У(СаО). В результате был получен порошок следующего состава (масс. %): XV- 71,6; СаО- 23,2; БЮг, Ре, 1^0- 5,2.

Восстановление шеелитового концентрата углеродом в вакууме проводили в интервале температур 800-1500°С в течение 1-8 часов. Наиболее интенсивное восстановление наблюдалось при 1000°С и выше. С ростом температуры от 1000°С до 1400°С содержание шеелита в материале снижалось. Фаза металлического вольфрама обнаружена при 1000°С и ее со-

Таблица 1

Влияние термической (ТО) и механической (МО) обработки шеелитового концентрата на его фазовый состав

Вид обработки Фазовый состав, масс. % (РФА - числитель / ХФА - знаменатель)

Са\У04 CaзW06 СаСОз. СаО W02 W

¡.Исходный Са\У04 Са\У04-72,58 фаза не обнаружена СаСОз СаОобш-11,48 фазы не обнаружены фаза не обнаружена

2.ТО, воздух, 1000°Сх4ч CaW04 Са\¥04-71,9 фаза не обнаружена фаза не обнаружена СаО-11,63 фазы не обнаружены фаза не обнаружена

З.ТО, водород, 1200°Сх2,5ч CaW04 Са3\У06 СаО фазы не обнаружены XV

CaW04-10,20 Са3\У06-3,19 СаО-22,83 \У03-2,66 \ГОГ5,35 W-37.ll

4. МО + ТО, водород, 1200°Сх2,5ч фаза не обнаружена CaзW06 СаО фазы не обнаружены XV

Са3\га6-9,92 СаО-25,92 \V03-0.90 \¥02-4,95 W-44,05

5. ФО+МСНТО, водород, 1200°Сх2ч фаза не обнаружена фаза не обнаружена СаО СаО-23,2 фаза не обнаружена XV W-71,6

Примечание: 1. РФА -рентгенофазовый анализ. 2. ХФА -химический фазовый анализ. 3. ФО- флотацион-

ное обогащение.

держание увеличивалось с ростом температуры до 1300°С. Исследовано влияние марки углерода в количествах 0,5-2,0 эквивалента относительно стехиометрической реакции восстановления шеелита. Полученные результаты свидетельствуют о наличии более высокой реакционной способности у углерода марки ПМ-100, по сравнению с СГ-10 (рис.1, линии 3 и З1).

С целью получения дисперсноупрочняющей добавки на основе WC для электродного материала исследован процесс карбидизации шеелито-вого концентрата, который протекает в два этапа. На первом происходит углетермическое восстановление до металлического вольфрама, а на втором этапе - образование карбида вольфрама, причем предварительная ме-ханоактивация концентрата позволяет снизить температуру карбидизации ~ на 100°С. в результате карбидизации был получен композиционный порошок следующего состава (масс. %): WC-86...86,5; СаС2-7...8; Ее3С-3,5...4; 8НГ-1..Л,5. Дальнейшее повышение содержания возможно за счет удаления СаС2 обработкой порошка в слабом растворе соляной кислоты.

В четвертой главе представлены результаты исследований кинетических параметров консолидации материала W-CaO-Cu, полученного из шихты содержащей восстановленный шеелитовый концентрат и медь, методами спекания и горячего прессования. Определен краевой угол смачивания 8 для системы восстановленный шеелитовый концентрат-медь, который при температуре 1150°С в вакууме составил 45° (для чистых металлов этот угол равен 39°). Повышенное значение для исследуемой системы объясняется наличием в составе восстановленного концентрата оксидных примесей (главным образом СаО).

Расчет кинетических параметров процесса спекания проводился по методике, разработанной В. А. Ивенсеном, согласно которой основным параметром спекания является скорость уплотнения, а уравнение кинетики изменения пористости имеет вид:

У = Ун(чгпт+1)-,/га,

где У-объем пор после изотермической выдержки в течение т; V,,- начальный объем пор при т =0; ш- коэффициент, характеризующий интенсивность снижения скорости сокращения объема пор во время спекания; q -коэффициент, характеризующий скорость относительного сокращения единицы объема пор в момент начала изотермического спекания. Численные значения коэффициентов ш и я зависят от температуры спекания, природы и свойств порошка.

Определено, что в начальный период спекания в среде водорода величина относительного сокращения объема пор (Ус/Уп) принимает значение выше единицы, т.е. происходит увеличение объема в сравнении со спрессованным материалом (рис. 2 а). Причина процесса, определяющего расширение образца, может быть объяснена наличием высокой замкнутой и обособленной пористости, которая является следствием как высокого давления прессования (5т/см2) и пластичности материала основы, так и восстановительной среды спекания. В случае спекания в вакууме увеличение объема спекаемого материала не наблюдается, процесс усадки протекает главным образом в первые 30 минут изотермической выдержки.

При горячем прессовании системы W-CaO-Cu интенсивная усадка материала происходит в течение первых 5 минут, после чего сменяется почти резким ее прекращением (рис. 2 б). Процесс спекания композиции \V-CaO-Cu-Ni протекает наиболее активно. Это связано с тем, что введение никеля в состав материала приводит к образованию медно-никелевого раствора, способствующего снижению краевого угла смачивания и интенсификации процесса спекания композиции. Добавка 15% карбида вольфрама приводит к увеличению количества тугоплавкой фазы, что способствует снижению интенсивности сокращения объема пор при спекании. Однако при этом снижается общее количество СаО в составе материала, и,

Рис. 2. Зависимость относительного сокращения объема пор от продолжительности спекания (а)( горячего прессования (б) (-------расчетные значения,--экспериментальные).

следовательно, уменьшается краевой угол смачивания, что способствует получению более компактного материала. Введение добавки оксида циркония также снижает интенсивность сокращения объема пор. Если при спекании композиции W-CaO-Cu и \V-CaO-Cu-Ni усадка протекает в первые 5 минут изотермической выдержки, то при введении WC и Zr02 такие же значения У</У„ достигаются в течение 20 и 30 минут соответственно (рис.2 б).

Рассчитанные кинетические параметры ш и q спекаемых порошковых материалов свидетельствуют о преимуществе метода горячего прессования (табл. 2).

Таблица 2

Кинетические константы спекания и горячего прессования

Метод Состав т ч

1. Спекание в водороде \V-CaO-Cu 11 0,14

2. Спекание в вакууме \V-CaO-Cu 9,8 20,8

\V-CaO-Cu 3,2 250

3. Горячее прессование \V-CaO-Cu-Ni 3,0 318

\У-СаО-Си->УС 4,1 74

\V-Ca0-Cu-Zr02 6,3 35

Пятая глава посвящена оптимизации параметров процесса получения и исследованию свойств электродного материала на основе \\г-СаО-Си.

С целью достижения высокой плотности на стадии компактировании материала проведены исследования по определению влияния механоакти-вации шихты на физические и технологические свойства. Для определения наиболее эффективного типа активатора шихта подвергалась механической обработке в различных типах размольного оборудования: вибрационной мельнице ВУПП-200-У, центробежной планетарной мельнице "САНД" и дезинтегратора ДЕЗИ11М1Ф (табл. 3). Обработка шихты в дезинтеграторе обеспечила получение более высокодисперсного порошка.

Таблица 3

Влияние механоактивации на физические свойства шихты W-CaO-Cu

Время обработки (п'),ч Удельная поверхность, см2/г Насыпная плотность, г/см3 Средний размер частиц, мкм

Санд ВУПП ДЕЗИ Санд ВУПП ДЕЗИ Санд ВУПП ДЕЗИ

- 330 330 330 1,91 1,91 1,91 31,0 31,0 31,0

1(1) 1735 2068 1846 1,87 1,83 1,6 14,3 6,4 9,9

2(2) 1320 1472 1824 2,21 1,98 1,67 9,8 6,2 7,5

3(3) 1329 1480 1897 2Д5 1,94 1,65 8,2 6,1 3,1

4(4) 1331 1520 1923 2,18 1,92 1,62 7,8 5,9 2,9

5(-) 1345 1660 - 2,16 1,92 - 7,5 5,5 -

п*- количество циклов обработки в дезинтеграторе "ДЕЗИ 11М1Ф".

Рис.3. Зависимость относительной плотности образцов от температуры горячего прессования смесей порошков с предварительной механообработкой (1) и без нее (2). Соотношение основных компонентов: П->У-С11(1:1); А - \V-Cu (1:2); *->У-Си(1:3)

Использование более дисперсной шихты, обладающей повышенной химической активностью и большей удельной поверхностью, позволяет получать материалы со значением пористости близкими к нулю. На рис. 3 представлена зависимость относительной плотности материала от температуры горячего прессования, согласно которой можно судить о положительном влиянии механоактивации шихты. Использование механообработки обеспечивает получение материала с относительной плотностью 96%. С целью дальнейшего снижения пористости были выполнены работы по получению материала с использованием энергии взрыва. Опробованы два вида взрывного прессования: в свободно насыпанном состоянии и предварительно спрессованных заготовок. Характеристика материалов, полученных различными методами, представлена в таблице 4. Результаты сравнительного анализа свидетельствуют о преимуществе горячего и взрывного прессования заготовок по сравнению со спеканием и взрывным прессованием свободно насыпанного порошка. Методы горячего и взрывного прессования позволили получить материал, обладающий большей плотностью, твердостью и меньшими размерами пор.

Эксплуатационные характеристики ЭИ, полученных методом горячего прессования, определялись при ЭЭО в сравнении с электродами из меди, вольфрама, графита и твердого сплава ВК-8. Определено, что эрозионная стойкость '^СаО-Си электрода, полученного с использованием шеелитового концентрата, выше в 2 раза ЭИ из графита и 1,3 раза ЭИ из меди при ЭЭО стали 4Х5В2ФС, а скорость съема выше в 1,5 и 2,4 раза соответственно. При обработке титана и его сплавов стойкость исследуемого \№-СаО-Си электрода выше в 3 раза графитового ив 1,3 раза медного при повышении производитешльности в 1,2-1,4 раза. Наиболее положительные результаты получены при ЭЭО твердых сплавов, где с максимальной эффективностью проявляются свойства '№-СаО-Си электродного

Таблица 4

Характеристика электродных материалов на основе '^Си-СаО_

Метод Соотношение основных Относительная Размер Размер Твердость

получения компонентов плотность, % частиц, мкм пор, мкм HRB

43\У-43Си-14СаО 86,0 5-40 2-30 61

Спекание 30\У-60Си-10СаС> 89,3 2-30 5-20 58.

в вакууме 23\У-69Си-8СаО 91,1 2-15 2-10 55

19\У-76Си- 5СаО 91,2 2-15 2-10 53

Спекание 43\У-43Си-16СаО 84,4 5-25 5-40 46

в водороде 22,5>У-68Си-7,5СаО-2№ 84,7 5-25 5-40 46

14\У-66Си-5СаО-15 ХУС 81,6 5-40 2-30 47

23W-69Cu-8CaO 95,6 2-10 1-8 67

Горячее прессование 19W-76Cu- 5СаО 93,1 2-10 1-8 61

22,5W-68Cu-7,5CaO-2Ni 96,3 1-5 1-5 69

14^^-66Си-5СаО-15 WC 97,6 1-5 1-4 72

21\У-63Си-6Са0-Ю2г02 96,5 1-5 1-5 71

Взрывное прессование

свободно насыпанного 23 W-69Cu-8CaO 78,7 2-40 40-100 -

порошка

Взрывное прессование

прессовок 23W-69Cu-8CaO 98,0 5-40 1-4 74

Пропитка пористого

вольфрамового каркаса

медью (стандартный 33\У-67Си

электрод МВ) 93,0 1-10 1-10 72

материала, относительный линейный износ которого ниже в 5 раз ЭИ из меди и в 2,5 раза ЭИ из графита, при повышении производительности в 33,5 раза.

Металлографический анализ рабочей поверхности ЭИ из чистого вольфрама после ЭЭО показал наличие большого количества трещин, идущих от края в глубь материала, что свидетельствует о преимущественном характере хрупкого разрушения. Этому способствует появление на поверхности ЭИ карбидов \УС и W2C, присутствие которых было подтверждено рентгенофазовым анализом. Наиболее характерной особенностью изменения структурного состояния рабочей поверхности медного электрода является образование оплавленного слоя, свидетельствующего о том, что эрозия материала протекает в жидкой и газовой фазах. Рабочая поверхность электрода из твердого сплава отличалась повышенным содержанием карбидов с твердостью 22,9 ГПа. Отдельные фрагменты, отколовшиеся вследствие большой хрупкости, обладали твердостью 33,5 ГПа (при твердости материала в середине образца 14,5ГПа). По данным РФА рабочий слой состоял из следующих фаз: СоО, Co6W6C, Со2>У4С. Металлографический анализ рабочей поверхности ЭИ состава Ш-СаО-Си показал наличие включений карбида вольфрама с твердостью Н„20=34 ГПа при твердости материала, не подверженного эрозии 1,1-1,4ГПа. Максимальная глубина распространения включений карбидной фазы в материал электрода достигала 40мкм. Измененный в результате ЭЭО поверхностный слой значительно обеднен медью и состоит из фаз >УС, АУ2С, W, Си, Си20.

Таким образом, разрушение материала ЭИ при ЭЭО происходит через образование отличной от исходной вторичной структуры, глубина которой зависит от энергии импульса и содержания тугоплавкого материала. Образование карбидных фаз связано с выделением из рабочей жидкости углерода, полученного в результате пиролиза углеводородов, который взаимо-

действует с расплавленным вольфрамом. Эрозия электродов из тугоплавких материалов (№, ВК-8) происходит за счет хрупкого разрушения, которое является следствием образования трещин и полостей в приповерхностном слое. Низкая эрозионная стойкость медного электрода обусловлена постепенным плавлением материала.

Сравнительный анализ работоспособности ЭИ на основе '№-СаО-Си в зависимости от состава и способов получения представлен в таблице 5. Данные свидетельствуют о том, что наиболее низким относительным износом обладают образцы, полученные методами горячего и взрывного

Таблица 5

Таблица электроэрозионных испытаний электродов_

Частота Произво- Относит. Шерохо-

Метод Состав обработ- дитель- линейный ватость

получения электрода ки, кГц ность, износ, детали, Я,

мм3/ мин % ± 0,6 мкм

ЭЭО стали45, полярность обратная, 1=10...20 А, Ц=24...30 В

Спекание в вакууме 3 0 W-60Cu-1 ОСаО 22 41 53 -

23\У-69Си-8СаО 22 20 46 6,8

Горячее 43,<ДМЗСи-14СаО 16 110

прессова- 30\У-60Си-ЮСаО 18 90

ние 23\У-69Си-8СаО 22 47 36 6,2

19\У-76Си- 5СаО 27 58

ЭЭО твердого сплава ВК-8, полярность прямая, 1=4 А, Ц=28 В

Спекание в вакууме 23 АУ-69Си-8СаО 22 1,8 88 5,4

Горячее прессование 23\У-69Си-8СаО 22 4,0 17 3,8

23W-69Cu-8CaO 44 2,0 52 3,4

22,5\У-68Си--7,5СаО-2№ 44 2,3 59 3,7

14\У-66Си--5СаО-15\УС 44 2,2 30 3,2

21\У-63Си--бСаО-ЮгЮг 44 3,1 52 2,7

Взрывное прессование 23>У-69Си-8СаО 22 2,8 50 4,3

прессования. Это связано с тем, что структура этих материалов отличалась мелкозернистостью и низкими значениями пористости. Введение в состав электродного материала добавок карбида вольфрама, который является наиболее эрозионностойким компонентом, приводит к снижению износа ЭИ без существенного изменения производительности процесса. Введение диоксида циркония способствует повышению производительности обработки, за счет экранирующего эффекта, т.к. ограничение канала разряда по периметру его пятна диэлектрическим слоем препятствует его расширению, поддерживая в течение всего импульса высокую плотность энергии, выделяющейся на рабочей поверхности ЭИ. Это приводит к увеличению количества паровой фазы, т.е. к увеличению факельной составляющей.

На основании полученных результатов разработана технология получения новых электродных материалов для ЭЭО, содержащая технологическую схему, технологический регламент, средства технологического оснащения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность использования шеелитового концентрата в качестве исходного сырья для получения композиционных материалов на основе вольфрам-медных псевдосплавов. Показана возможность использования дисперсноупроч-няющих добавок на основе карбида вольфрама и диоксида циркония, полученных из шеелитового и бадделеитового концентратов.

2. Механическая обработка шеелитового концентрата сопровождается механохимической активацией шеелита, проявляющаяся:

- в изменении фазового состава концентрата (частичное разложение);

- в интенсификации процесса восстановления шеелита в среде водорода (на 20%), протекающего по схеме Са\У04-> Са3\У06-> \У03 (СаО)-> W02 (СаО)-> W (СаО);

- в снижении температуры карбидизации вольфрама в составе шеелита ~ на 100°С.

3. Исследована кинетика консолидации материала на основе вольфрам-меди методами жидкофазного спекания в среде водорода и в вакууме, горячим прессованием. На основании рассчитанных и определенных экспериментально кинетических констант д и т, характеризующих интенсивность скорости сокращения объема пор, показано преимущество метода горячего прессования.

4. Установлены условия формирования порошкового композиционного материала с содержанием меди более 50% по объему. Показано, что на процесс консолидации материала существенное влияние оказывает исходное состояние шихты. Предварительная механическая активация шихты обеспечивает получение частиц порошка с меньшими размерами, с сильно развитой поверхностью, большей концентрацией дефектов, что в свою очередь обеспечивает большую скорость уплотнения материала при изотермической выдержке и соответственно большую плотность спеченного материала (относительная плотность 82% против 97%). Исследована возможность получения \У-Си материалов с использованием энергии взрыва.

5. Определена зависимость состав- способ получения- структура-свойства. Установлено, что наиболее эффективным методом изготовления ЭИ на основе >У-СаО-Си является метод горячего прессования. С увеличением содержания меди (в исследованном интервале концентраций 4575%) уменьшается размер частиц вольфрама и пористость материала, обеспечивается более равномерная структура. Введение добавок карбида вольфрама и оксида циркония увеличивает твердость, микротвердость,

снижает относительный линейный износ (WC) и повышает скорость съема (Zr02) при ЭЭО, а также влияет на кинетические параметры консолидации.

6.Рекомендованы эрозионно-стойкие электродные материалы, полученные методом горячего прессования, для ЭЭО твердых сплавов при частоте обработки 22 кГц-(\"/-СаО-Си), а для ЭЭО в области 44кГц-(\У-СаО-Cu-WC). Относительный линейный износ материалов соответственно равен 17 и 30%, что соответствует значениям лучших аналогов (материал типа "Эльконайт") при стоимости в 2-3 раза ниже. Полученные композиционные материалы электротехнического назначения: W-CaO-Cu; W-CaO-Cu-WC; W-Ca0-Cu-Zr02, защищены патентами №№ 2043867, 2043861 и положительным решением № 94011420 от 14.04.94.

7.Разработана технология получения новых экономичных электрод-инструментов на основе W-Cu с использованием шеелитового концентрата для ЭЭО материалов. На основании разработанной технологии запланирована организация производства по выпуску ЭИ в пос. Солнечный Хабаровского края.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Сокол И.В., Сундуков A.M. Влияние способа получения и состава материала на основе W-Cu псевдосплава на его свойства // Физика и химия обработки материалов. 1994. №1. С. 118-123.

2. Сокол И.В., Верхотуров А.Д., Сундуков A.M., Мельникова О.В. Использование минерального сырья в порошковой металлургии. Препринт. Владивосток: ДВО РАН СССР. 1991. 42 с.

3. Патент № 2043867 от 20.09.95. Способ получения композиционного материала на основе псевдосплава вольфрам-медь / И.В. Сокол, A.M. Сундуков.

4. Патент № 2043861 от 20.09.95. Способ получения композиционного материала на основе псевдосплава вольфрам-медь / И.В. Сокол, A.M. Сундуков.

5. Заявка на патент № 94011420 от 14.04.94 (положительное решение). Способ получения композиционного материала на основе псевдосплава вольфрам-медь / И.В. Сокол, A.M. Сундуков.

6. Сокол И.В., Сундуков A.M. Использование вольфрамового минерального сырья для получения электродных материалов // Порошковая металлургия. 1995. № 3/4. С.114-117.

7. Sokol I.V., Sundukov A.M. Production of Metal-Matrix Composite Materials / Processing and Fabrication of Advanced Materials IV. // The Minerals, Metals & Materials Society. USA. 1996. P.491-498.

8. Sokol I. V., Sundukov A.M. Production of composite materials on the W-Cu pseudo - alloy base / Proceedings of the 2nd Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing // The Korean Institute of Metals and Materials, 1995 June 18-22, № 1, p.537-542.

9. Сокол И.В., Сундуков A.M. Получение композиционных материалов на основе W-Cu псевдосплавов // Наукоемкие технологии и проблемы их реализации в производстве: сборник статей. Хабаровск: Изд-во ХГТУ. 1996. С.71-81.

Ю.Сокол И.В., Сундуков A.M., Грачев С.В Получение электрод инструментов для электроэрозионной размерной обработки // Тез. докл. Меж-дунар. науч. - техн. симпозиум "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока". Комсомольск-на-Амуре. 1994. 4.2. С.55-56.

П.Сокол И.В., Сундуков A.M., Будкина P.M. Исследование поведения шеелитового концентрата при термической и механической обработках // Неорганические материалы. 1997. № 11.С. 1405-1408.