techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-4-21-29techusgu-361Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEОптимизация технологии сплавления твердосплавных электроэрозионных порошковых материаловOptimization of the technology for fusing hard-alloy electro-erosion powder materialshttps://orcid.org/0000-0002-3862-8624АгеевЕ. В.AgeevE. V.

Агеев Евгений Викторович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии материалов и транспорта

Evgeny V. Ageev, Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Professor of the Department of Materials Technology and Transport

ageev_ev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8819-699XСабельниковБ. Н.SabelnikovB. N.

Сабельников Борис Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства

Boris N. Sabelnikov, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor of the Department Industrial and Civil Engineering

sabelnikovboris1@mail.ruФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет"РоссияSouthwest State UniversityRussian Federation2025150120261542129Copyright © Агеев Е.В., Сабельников Б.Н., 20262026Агеев Е.В., Сабельников Б.Н.Ageev E.V., Sabelnikov B.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/361Цель

Цель. Оптимизации технологии спекания шихты, полученной методом электроэрозионного диспергирования отходов безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) в углеродсодержащей рабочей среде.

Методы

Методы. В качестве исходного материала для исследований были выбраны отходы безвольфрамового твердого сплава. Процесс диспергирования проводили в углеродсодержащей рабочей жидкости – метаноле. Для осуществления электроэрозионного диспергирования использовалась установка, конструкция которой защищена патентом Российской Федерации №2449859.

Консолидация полученных электроэрозионных частиц осуществлялась на оборудовании для искрового плазменного сплавления Spark Plasma Sintering system Model 25-10 (SPS 25-10) производства Thermal Technology.

Оптимизация параметров консолидации нового сплава (температура, давление, время выдержки) проводилась по критерию микротвердости спеченных образцов с применением методики полного факторного эксперимента типа 2³.

Результаты

Результаты. Экспериментально установлено, что среднее значение микротвердости спеченных образцов, полученных методом искрового плазменного спекания из электроэрозионных частиц, диспергированных в дистиллированной воде, составляет 1415 HV.

Заключение

Заключение. Методом полного факторного эксперимента типа 2³ проведена оптимизация параметров процесса синтеза безвольфрамового твердого сплава методом искрового плазменного спекания по критерию микротвердости готовых образцов. Варьируемыми факторами выступали ключевые параметры работы установки SPS: температура, давление и время выдержки. Оптимизация проводилась для материала, полученного путем электроэрозионного диспергирования отходов БВТС в углеродсодержащей среде (метаноле).

По результатам серии экспериментов определены оптимальные режимы спекания, обеспечивающие достижение максимальных значений микротвердости. Для композита на основе частиц, полученных в метиловом спирте, максимальная микротвердость составила 1427 HV, что на 17% превышает показатель исходного промышленно применяемого сплава. Данный результат был достигнут при температуре спекания 1200 °C, давлении 40 МПа и времени выдержки 5 минут.

Purpose. Optimization the sintering process of an electroerosion charge obtained by the method of electroerosion dispersion of tungsten-free hard alloy waste in an carbon-containing working fluid.Methods. Tungsten-free carbide waste was selected as the starting material for the study. The dispersion process was carried out in a carbon-containing working fluid—methanol. A setup whose design is protected by Russian Federation Patent No. 2449859 was used for electrical discharge dispersion. The electro-erosion particles were consolidated using the Spark Plasma Sintering system Model 25-10 (SPS 25-10) manufactured by Thermal Technology. The consolidation modes (temperature, pressure, and exposure time) for the new alloy were selected based on the criterion of achieving the maximum microhardness of the sintered samples using the 2³ full factorial experiment method.Results. The measurements carried out showed that the microhardness of samples sintered by the SPS method from powder dispersed in a methyl alcohol medium is on average 1415 HV.Conclusion. The determination of optimal parameters of the process of obtaining tungsten-free hard alloy by spark plasma sintering of particles according to the microhardness of sintered samples by conducting a full factor experiment of type 23  has been carried out. The following parameters of the spark plasma sintering unit have been selected as factors: temperature, pressure and holding time. Optimal parameters of the unit operation have been determined for the electroerosion material previously obtained from TFHA waste in carbon-containing medium - distilled water. Based on the results of a series of experiments, the optimal sintering conditions were determined to achieve the maximum microhardness values. The maximum microhardness of the composite with electro-eroded particles obtained in a methanol environment reached 1427 HV, which is 17% higher than that of the base industrial alloy. This maximum was achieved after sintering at 1200 °C under a pressure of 40 MPa with a 5-minute exposure. 

безвольфрамовые твердые сплавыэлектроэрозионное диспергированиешихтадисперсностьоптимизацияполный факторный экспериментматрица планирования эксперимента.tungsten-free hard alloyselectrical discharge dispersionchargedispersionoptimizationfull factorial experimentReferencesПанов В.С. Безвольфрамовые твердые сплавы: аналитический обзор // Материаловедение. 2019. № 10. С. 33–39.Panov V.S. Tungsten-free hard alloys: an analytical review. Materialovedenie = Materials Science. 2019;(10):33-39. (In Russ.)Панов В.С., Ниткин Н.М. Безвольфрамовые твердые сплавы // Нанотехнологии: наука и производство. 2017. № 3. С. 65–70.Panov V.S., Nitkin N.M. Tungsten-free hard alloys. Nanotekhnologii: nauka i proizvodstvo = Nanotechnology: science and production. 2017;(3):65-70. (In Russ.)Патрушев А.Ю., Фарафонов Д.П., Серов М.М. Безвольфрамовые твердые сплавы: методы получения, структура и свойства (обзор) // Труды ВИАМ. 2021. № 11 (105). С. 66–81.Patrushev A.Yu., Farafonov D.P., Serov M.M. Tungsten-free hard alloys: methods of obtaining, structure and properties (review). Trudy VIAM = Proceedings of VIAM. 2021;(11):66-81. (In Russ.)Наумова О.Г., Сопин К.В., Янюшкин А.С. Пути развития и проблемы создания безвольфрамовых твердых сплавов // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки – развитию регионов. 2005. Т. 2. С. 209–212.Naumova O.G., Sopin K.V., Yanushkin A.S. Ways of development and problems of creating tungsten-free hard alloys. Trudy Bratskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i inzhenernye nauki – razvitiyu regionov = Proceedings of the Bratsk State University. Series: Natural Sciences and Engineering for the development of regions. 2005;(2):209-212. (In Russ.)Valentov A.V., Konovodov V.V., Agafonova E.V. Forecasting residual and operating stress in soldering cutting tools with tungsten-free hard alloy inserts // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 379. Р. 28-31.Valentov A.V., Konovodov V.V., Agafonova E.V. Forecasting residual and operating stress in soldering cutting tools with tungsten-free hard alloy inserts. Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 379. P. 28-31.Акимов В.В. Исследование микротвердости безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 3–1 (23). С. 121–124.Akimov V.V. Investigation of microhardness of tungsten-free hard alloys based on Titanium carbide. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of Irkutsk State Technical University. 2005;(3-1):121-124. (In Russ.)Верещака А.А., Хожаев О. Повышение эксплуатационных характеристик инструмента из безвольфрамовых твердых сплавов с помощью наноструктурированных многослойно-композиционных покрытий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2014. № 3 (43). С. 20–25.Vereshchaka A. A., Khozhaev O. Improving the performance characteristics of tools made of tungsten-free hard alloys using nanostructured multilayer composite coatings. Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2014;(3):20-25. (In Russ.)Акимов В.В., Мишуров А.Ф., Акимова Е.В. Жаростойкость безвольфрамовых твердых сплавов TiC-TiNi в зависимости от объемного состава композиции при нагреве до высоких температур // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59, № 10. С. 688–691.Akimov V.V., Mishurov A.F., Akimova E.V. Heat resistance of tungsten-free hard TiC-TiNi alloys depending on the volume composition of the composition when heated to high temperatures. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2016; 59(10):688-691. (In Russ.)Ageev, E.V., Ageeva A.E. Composition, structure and properties of hard-alloy powders obtained by electrodispersion of T5K10 alloy in water // Metallurgist. 2022. Vol. 66, no. 1-2. P. 146-154.Ageev E.V., Ageeva A.E. Composition, structure and properties of hard-alloy powders obtained by electrodispersion of T5K10 alloy in water. Metallurgist. 2022;66(1-2):146-154.Ageev E.V., Ageeva E.V., Korolev M.S. Study of the surface state of powders produced under conditions of the electroerosive metallurgy of T5K10 hard-alloy waste // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022. Vol. 16, no. 6. P. 1333–1336.Ageev E.V., Ageeva E.V., Korolev M.S. Study of the surface state of powders produced under conditions of the electroerosive metallurgy of T5K10 hard-alloy waste. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022;16(6):1333-1336.Бурков П.В. Спекание порошков TiC-TiNi пропусканием электрического тока // Тяжелое машиностроение. 2008. № 12. С. 21–23.Burkov P.V. Sintering of TiC-TiNi powders by passing an electric current. Tyazheloe mashinostroenie = Heavy engineering. 2008;(12):21-23. (In Russ.)Бурков П.В., Голофинова А.В., Буркова С.П. Исследование структурной наследственности при спекании порошков TiC-TiNi пропусканием электрического тока // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2006. Т. 3, № 4. С. 94–97.Burkov P.V., Golofinova A.V., Burkova S.P. Investigation of structural heredity during sintering of TiC-TiNi powders by passing an electric current. Fundamental'nye problemy sovremennogo materialovedeniya = Fundamental problems of modern materials science. 2006;3(4):94-97. (In Russ.)Бурков П.В. Спекание порошков TiC-TiNi пропусканием электрического тока // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2005. № 3 (28). С. 11–13.Burkov P.V. Sintering of TiC-TiNi powders by passing electric current. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metalworking (technology, equipment, tools). 2005;(3):11-13. (In Russ.)Изменение микротвердости безвольфрамовых твердых сплавов при их облучении газометаллическим пучком ионов аргона и циркония / В.В. Акимов, А.Ф. Мишуров, Д.А. Негров, Я.А. Сидорова, В.Ю. Путинцев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2019. Т. 19, № 4. С. 19–26.Akimov V.V., Mishurov A.F., Negrov D.A., Sidorova Ya.A., Putintsev V.Yu. Change in microhardness of tungsten-free hard alloys when they are irradiated with a gas-metallic beam of argon and zirconium ions. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Metallurgiya = Bulletin of the South Ural State University. Series: Metallurgy. 2019;19(4):19-26. (In Russ.)Агеева Е.В., Агеева А.Е., Андреева Л.П. Аттестация порошковых материалов, полученных электродиспергированием безвольфрамового твердого сплава ТН20 в спирте // Электрометаллургия. 2024. № 6. С. 33-40.Ageeva E.V., Ageeva A.E., Andreeva L.P. Certification of powder materials obtained by electrodispersion of tungsten-free hard alloy TN20 in alcohol. Elektrometallurgiya = Electrometallurgy. 2024;(6):33-40. (In Russ.)Математическая оптимизация среднего размера частиц порошков, полученных электроэрозионным диспергированием жаропрочного никелевого сплава ЖС6У / Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, А.Е. Гвоздев, Е.А. Протопопов, В.О. Поданов // Чебышевский сборник. 2022. Т. 23, № 3. С. 178–193. https://doi.org/10.22405/2226-8383-2022-23-3-178-193.Ageev Ye.V., Ageeva E.V., Gvozdev A.E., Protopopov Ye.A., Podanоv V.O. Mathematical optimization of the average particle size of powders obtained by electroerosive dispersion of heatresistant nickel alloy ZHS6U. Chebyshevskii sbornik = Chebyshevsky collection. 2022;23(3):178-193. (In Russ.) https://doi.org/10.22405/2226-8383-2022-23-3-178-193.Численная оптимизация процесса получения шихты электродиспергированием отходов сплава Т5К10 / Е.В. Агеев, Е.В. Агеева, А.Е. Гвоздев, А.А Калинин // Чебышевский сборник. 2022. Т. 23, № 1. С. 183–195. https://doi.org/10.22405/2226-8383-2022-23-1-183-196.Ageev Ye.V., Ageeva E.V., Gvozdev A.E., Kalinin A.A. Numerical optimization of the charge production process by electrodispersion of T5K10 alloy waste. Chebyshevskii sbornik = Chebyshevsky collection. 2022;23(1):183-196. (In Russ.) https://doi.org/10.22405/2226-8383-2022-23-1-183-196.Агеев Е.В., Агеева А.Е. Состав, структура и свойства твердосплавных порошков, полученных электродиспергированием сплава Т5К10 в воде // Металлург. 2022. № 2. C. 39-43.Ageev E.V., Ageeva A.E. Composition, structure and properties of carbide powders obtained by electrodispersing T5K10 alloy in water. Metallurg = Metallurg. 2022;(2):39-43. (In Russ.)Агеев Е.В., Поданов В.О., Агеева А.Е. Оптимизация процесса изготовления жаропрочного никелевого сплава путем искрового плазменного спекания порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов ЖС6У в воде // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. № 4. C. 170-174.Ageev E.V., Podanov V.O., Ageeva A.E. Optimization of the manufacturing process of heatresistant nickel alloy by spark plasma sintering of powders, obtained by electroerosion dispersion of ZHS6U waste in water. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2023;(4):170-174. (In Russ.)Оптимизация процесса получения порошковых материалов для производства твердосплавного режущего инструмента электродиспергированием металлоотходов сплава ТН20 в воде / Е.В. Агеева, Н.М. Хорьякова, Б.Н. Сабельников, А.Е. Агеева // Известия Юго-Западного государственного университета. 2024. Т. 28, № 1. С. 27-43. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2024-28-1-27-43. EDN MCAXVN.Ageeva E.V., Khoryakova N.M., Sabelnikov B.N., Ageeva A.E. Optimization of the process of obtaining powder materials for the production of carbide cutting tools by electrodispersing metal waste from TN20 alloy in water. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of Southwest State University. 2024;28(1):27-43. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1560-2024-28-1-27-43. EDN MCAXVN.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.