АНАЛИЗ ПРОЦЕССА КАРБИДООБРАЗОВАНИЯ В КАНАЛЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО РАЗРЯДА

 

Марусина В.И, Фендик О.В. (НГТУ, г. Новосибирск, РФ)

 

The analysis of electric-spark method made tungsten carbides powder synthesis has shown that.

Maximum of β-WC quantity for particle size diapason 0,5-2,5 jam take place while the impulse repetitions frequency is f= 8 kHz, J = 25 A and opposite polarity. The mainly spheroid shape particles are form in the case of tungsten electrodes using or in the case of opposite polarity tungsten and carbon electrodes using. The irregular shape particles are form in the case of direct electrode polarity. An entering into the spark canal initial reaction components correlation was calculated.

 

Исследованиями процесса получения порошков карбидов при электрической эрозии вольфрама или твердого сплава ВК в различных углеродсодержащих жидкостях установлено, что при различных режимах электроискрового разряда в межэлектродный промежуток в определённых соотношениях поступает вольфрам преимущественно в парообразном и жидком состояниях и углерод, образующийся в результате разрушения графитового электрода и при пиролизе органической жидкости, в которой протекает разряд. Фазовый анализ продуктов синтеза показал наличие преимущественно карбида вольфрама кубической модификации β -WC, небольшое количество полукарбида W₂C и свободного углерода.

Механизм образования частиц порошка карбидов вольфрама различен. Крупные сферические частицы (более 5 мкм) образуются из жидкой фазы за счёт диффузии углерода в расплавленные капли металла, которые составляют до 12% всего объёма продукта. Частицы диапазона до 5 мкм, полученные из паровой фазы имеют неправильную гео­метрическую и сферическую форму, и большее количество монокарбида β -WC, чем частицы, образованные из жидкой фазы размерами > 5 мкм. Микротвердость поверхностей последних достигает до 35 ГПа. Более мелкие частицы (до 2,5 мкм) образуются в результате химических реакций между вольфрамом и углеродом в паровой фазе с последующим ростом ультрадисперсных частиц по разному механизму в зависимости от термодинамических условий в низкотемпературной плазме электроискрового разряда [1-4 ].

Целью настоящей работы является анализ проведённых эксперимен­тов с точки зрения получения порошков с максимальным выходом моно­
карбида вольфрама β -WC, который оценивался по соотношению инте-
тальных интенсивностей (К) плоскости β-WC и плоскости 101
W₂C, а также изменения соотношений (N) частиц сферической (СП) и неправильной геометрической формы (КП) в порошках, полученных при разных режимах электроискрового разряда с использованием RC -генератора с режимами С=4, 7, 16, 23 мкф , длительностью импульса 25, 30, 40, 50мкс соответственно и высокочастотного генератора f= 1; 8 КГц и I=5-25А..

Термодинамические условия оказывают влияние на механизм роста частиц. В диапазоне размеров до 5 мкм рост частиц с образованием сферической формы происходит, вероятно, за счёт диффузионной коа-лесценции, которая возможна при температурах Т = 2/3 Т_пл (2200 -2500° С), где Т_пл - температура плавления металла. При этом более крупные частицы растут за счёт более мелких. Контактирование их происходит мгновенно с последующим слиянием [5,6]. Это имеет место при обратной полярности электродов (анод- графит, катод-вольфрам), когда при прочих равных условиях энергия импульса выше (рис 1а), а также при высокой частоте следования импульсов.

При прямой полярности (анод - вольфрам, катод- графит), когда энергия, выделенная в межэлектродном пространстве ниже, происходит преимущественно коагуляция частиц. При этом образовавшиеся из па­ровой фазы конгломераты неправильной геометрической формы имеют шероховатость, зависящую от размера отдельных частиц. Коагуляция происходит при Т= 1/3 Т_пл (1100 - 1200°С) и конгломераты представ­ляют собой слипшиеся между собой отдельные ультрадисперсные час­тицы. Слипание их обусловлено электростатическим взаимодействием (рис. 1 б).

Рисунок 1 - Форма частиц, образовавшиеся по разному механизму: а - за счёт диффузионной коалесценции, б - за счёт коагуляции

 

Согласно рентгеноструктурного анализа в этих частицах содержит­ся наибольшее количество монокарбида вольфрама   β - WC (рис. 2).

 

Рисунок 2- Зависимость соотношения от фаз от ёмкости RC-генератора А- обратная полярность, В- прямая полярность, С - W-W электроды	Рисунок 3 - Зависимость соотношения фаз от силы тока: А - f = 8 КГц, В - f = 1 КГц

 

Синтез карбидов вольфрама при использовании высокочастотного генератора показал, что   содержание монокарбида   (β -WC   возрастает при увеличении частоты следования импульсов и силы тока с 5А до 25 А (рис 3).

Частота следования импульсов и сила тока оказывает существен­ное влияние на ионизационные процессы. При этом концентрация реа­гентов и их соотношение зависят от степени ионизации межэлектрод­ного промежутка, что и наблюдается при увеличении частоты следова­ния импульсов и при увеличении тока в канале, т. к. облегчается иони­зация и ускоряются реакции в канале электроискрового разряда.

При анализе зависимостей соотношений частиц (N) сферической (СП) и неправильной геометрической (КП) формы видно, что при обратной полярности электродов частиц сферической формы больше (рис Зв)., чем неправильной геометрической (рис.За) Можно ожидать, что при ёмкости RC- генератора С = 25 мкф их со­отношение будет равно единице. При прямой полярности электродов превалируют частицы неправильной геометрической формы (рис.2а) -при этом N=1 при С =45мкф (рис. 4). Форма частиц при высокой частоте следования импульсов в основном сферическая (рис. 5).

Высокая трудоёмкость проведения большого количества экспери­ментов вызывает проблему объяснения сложных процессов, протекаю­щих в канале элекроискрового разряда. Температурные зоны и распре­деление компонентов в канале разряда неоднородны. Поэтому систему в целом нельзя считать равновесной, но можно отнести к локально-равновесной системе и результаты термодинамического расчёта могут дать качественную оценку концентрации реагентов при режимах им­пульса, когда выход β -WC будет максимальным.

 

 

Рисунок 4 - Изменение соотношения форм частиц  при разной ёмкости RC- генератора (А- СП, В- КП): 2 - прямая полярность, 3 - обратная полярность	Рисунок 5 - Форма частиц при     высокой частоте следования импульсов

 

 

                                                                               

Исходными данными для такого расчёта могут служить удельный объём канала электроискрового разряда V_уд, энтальпия исходных ком­понентов W, С, Н и их весовые соотношения, полученные расчётным путём. Результаты расчёта приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Результаты расчёта удельного объёма и сотношений исходных компонентов

Пара электродов	с, мкф	vyд·10-11 м3-/кг	Весовое соотношение W  :    С     :    Н
W -С (прямая полярность)	4	9,0	1   :   1,25  :  0,01
	7	9,56	1  :   0,07  :   0,011
	16	9,68	1   :  0,88   :  0,012
	23	9,7	1   :   0,8    : 0,0116
C-W (обратная полярность)	4	7,46	1   :  1,42   :   0,01
	7	13,07	1   :   2,84  :  0,017
	16	14,7	1  :     3,22  :   0,02
	23	10,5	1  :     2,17   :  0,013
W-W	4	4,54	1  :  0,006   :   0,01
	7	6,32	1  :   0,004   :  0,007
	16	6,62	1  :   0,004    :  0,0075
	23	5,64	1  :   0,0036  : 0,0063

 

Из таблицы видно, что по соотношению компонентов при обратной полярности электродов количество углерода в канале больше, чем при других приведённых условиях синтеза, что определяет наибольшее ко­личество монокарбида вольфрама при прочих равных условиях синтеза. Кроме того, наибольший выход β - WC наблюдается при частоте сле­дования импульса 8 КГц и силе тока 25А в основном со сферической формой частиц. Наибольшее количество сферических частиц при ис­пользовании RC- генератора образуется при обратной полярности элек­тродов.

Полученные порошки карбидов вольфрама с повышенными физи­ко-механическими свойствами можно использовать в износостойких покрытиях.

Литература

1. Исхакова Г.А., Марусина В.И. Структурное и фазовое состояние частиц карбида вольфрама, синтезированных в искровом разряде. Порошковая металлургия, 1989г., с 13-18.

2. Асанов У.А., Марусина В.И., Филимоненко В.Н. Влияние полярности электродов на параметры частиц порошка WC. Известия АН Кирг. ССР, 1984г.,№5,с.47-53.

3. Исхакова Г.А., Марусина В.И., Рахимянов Х.М. Фазовый и грануломет-ричекий состав карбидов, образовавшихся при электроэрозионной обра­ботке вольфрама. Порошковая металлургия, 1992, №10, с.61-64.

4. Марусина В.И., Ерошкина И.В. Фазовый состав и состояние поверхно­сти частиц порошка карбида вольфрама, полученного при электроэроии вольфрама в среде продуктов перегонки нефти. Физика и химия обработ­ки материалов, 1997, №4, с.52-57.

5. Херц г. Кинетика и механизмы реакций переходных металлов с газами. Физика и химия обработки материалов, 1978г., №5, с.43-51.

6. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик СИ. Ультрадисперсные металличе­ские среды. - М. Атомиздат, 1977, 264 с.