Оптимизация технологии сплавления твердосплавных электроэрозионных порошковых материалов

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

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

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.

1. Панов В.С. Безвольфрамовые твердые сплавы: аналитический обзор // Материаловедение. 2019. № 10. С. 33–39.

2. Панов В.С., Ниткин Н.М. Безвольфрамовые твердые сплавы // Нанотехнологии: наука и производство. 2017. № 3. С. 65–70.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Акимов В.В. Исследование микротвердости безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2005. № 3–1 (23). С. 121–124.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Бурков П.В. Спекание порошков TiC-TiNi пропусканием электрического тока // Тяжелое машиностроение. 2008. № 12. С. 21–23.

12. 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.

13. Бурков П.В. Спекание порошков TiC-TiNi пропусканием электрического тока // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2005. № 3 (28). С. 11–13.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Агеев Е.В., Агеева А.Е. Состав, структура и свойства твердосплавных порошков, полученных электродиспергированием сплава Т5К10 в воде // Металлург. 2022. № 2. C. 39-43.

19. 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.

20. 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.