ВЫБОР РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

 

Агеев Е.В., Семенихин Б.А. (КурскГТУ, г. Курск, РФ)

Латыпов Р.А. (МГВМИ, г. Москва, РФ)

 

The results of researches of influence of working fluid on a chemical and phase structure of powders, and also their microhardness are submitted.

 

Процессы, происходящие при электроэрозионном диспергировании (ЭЭД) отходов твердых сплавов, протекают в межэлектродном пространстве, заполненном рабочей жидкостью, которая оказывает на процесс, электроды, гранулы и продукты эрозии твердого сплава физическое, химическое, моющее и механическое воздействие, что сказывается на всех стадиях процесса.

На стадии электрического разряда происходит разложение рабочей жидкости, и продукты пиролиза жидкости вступают в химические реакции с продуктами электроэрозионного диспергирования, образуя различные химические соединения. На следующей стадии, когда происходит удаление продуктов эрозии и продуктов распада из зоны разряда, особое значение имеет вязкость рабочей жидкости. С увеличением вязкости степень захвата продуктов эрозии увеличивается, процесс удаления их улучшается. Однако, если межэлектродный зазор мал, то движение вязкой рабочей жидкости затрудняется, и процесс удаления ухудшается. Одновременно с этим, рабочая жидкость осуществляет охлаждение рабочей зоны.

Всем вышеперечисленным требованиям в наибольшей степени отвечают вода дистиллированная (ГОСТ 6709–72) и керосин осветительный (ТУ 3840158-10–90), как жидкости, имеющие наиболее простой химический состав, достаточно высокую охлаждающую способность, а также относительно низкую стоимость.

Прохождение электрического тока через охлаждающую жидкость влечет ее пиролиз, в результате которого конечными продуктами распада являются водород, кислород и углерод. Газы (Н₂ и О₂) в процессе диспергирования выходят на поверхность рабочей жидкости, а углерод и частично кислород взаимодействуют с продуктами эрозии.

Был проведен химический анализ порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования, из наиболее распространенных в машиностроении отходов спеченных твердых сплавов: ВК8 и Т15К6 в различных средах (в осветительном керосине и дистиллированной воде). Определение общего углерода проводили газообъёмным методом по ГОСТ 25599.1–83 «Сплавы твердые спеченные. Методы определения общего углерода». Определение свободного углерода проводили потенциометрическим методом по ГОСТ 25599.2–83 «Сплавы твердые спеченные. Методы определения свободного углерода». Массовое содержание кобальта определяли по ГОСТ 25599.4–83 «Сплавы твердые спеченные. Метод определения кобальта». Содержание кислорода определяли по ГОСТ 27417–87 «Порошки металлические. Методы определения кислорода». Химический состав порошков представлен в табл. 1 и 2.

При диспергировании в углеродсодержащей жидкости (керосине) в рабочей среде содержится избыток свободного углерода. В процессе порошкообразования в этой среде диффузия углерода твердого сплава уменьшается, и поэтому потери углерода также уменьшаются по сравнению с процессом порошкообразования в воде.

 

Таблица 1 – Химический состав порошков ВК8

 

Таблица 2 – Химический состав порошков Т15К6

 

Процесс ЭЭД сопровождается выделением сажи, что можно визуально наблюдать при диспергировании в воде, поскольку при нагревании WC до температур 2000 – 2500°С происходит испарение углерода, так как при высоких температурах WC и ТiС диссоциирует соответственно на W, Тi и С, причем скорость испарения углерода выше скорости испарения вольфрама и титана. Это отражается на увеличении количества свободного углерода в порошке, полученном как из Т15К6, так и из ВК8. А также это отмечено и на потере количества ТiС при диспергировании в воде и керосине по сравнению с исходным составом.

Отличительной особенностью процесса порошкообразования, протекающего при ЭЭД отходов твердых сплавов, является образование быстрозакристаллизованных порошков с очень большим диапазоном скоростей охлаждения (от 10² до 10¹⁰°С/с), что отвечает условиям метастабильной кристаллизации с быстрым охлаждением, поэтому полученные порошки имеют искаженные кристаллические решетки.

Фазовый состав порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования, определяется природой рабочей жидкости: наличием углерода, диэлектрической проницаемостью и температурой ее кипения. Диспергирование твердого сплава в углеродсодержащей жидкости (керосине) понижает потери углерода по сравнению с диспергированием в воде и способствует образованию фаз α–WC, W₂C и ТiС. Диспергирование сплавов ВК8 и Т15К6 в дистиллированной воде привело к потере углерода вплоть до фаз W и интерметаллида Со₇W₆. Температура кипения рабочей жидкости сказывается на температуре канала разряда. Увеличение температуры кипения вызывает рост энергии пробоя в канале разряда, а, следовательно, и рост температуры. Поэтому при диспергировании в керосине, имеющем большую температуру кипения по сравнению с водой, образуется небольшое количество более высокотемпературной фазы β-WC (2785°С). Расположение фазовых полей порошков после ЭЭД отходов твердых сплавов на соответствующих диаграммах состояния систем на основе компонентов, входящих в состав сплавов, представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1 − Расположение фазовых полей порошков после ЭЭД отходов ВК8 на диаграмме состояния системы W – C: 1 – в воде; 2 – в керосине

 

Рисунок 2 − Расположение фазовых полей порошков после ЭЭД отходов Т15К6 на разрезе по линии Тi – WC диаграммы состояния системы Тi – W – C: 1 – в воде; 2 – в керосине

 

Таким образом, на фазовый состав порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования, влияет комплекс термохимических свойств углеродсодержащих жидкостей, обеспечивающих поставку активного углерода в реакционную зону при температурах, соответствующих той или иной модификации карбидов вольфрама.

Исследования показали, что микротвердость порошков, полученных ЭЭД отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6, также зависит от рабочей жидкости и от исходного состава материала диспергирования. Результаты измерений представлены в таблице 3.

 

Таблица 3 – Микротвердость порошков твердых сплавов

 

Так, порошки, полученные в дистиллированной воде, имеют большую микротвердость по сравнению с порошками, полученными в керосине, что вызвано различием в их химическом и фазовом составе. В свою очередь, порошки, полученные из Т15К6 в обеих средах, имеют большую микротвердость по сравнению с порошками, полученными из ВК8, поскольку микротвердость ТiС выше микротвердости WС. В общем случае, порошки, полученные методом ЭЭД из отходов твердых сплавов ВК8 и Т15К6, обладают большей микротвердостью, чем исходные сплавы, что объясняется спецификой порошкообразования при ЭЭД.

Таким образом, экспериментально установлено влияние рабочей жидкости на свойства продуктов электроэрозионного диспергирования (получаемого порошка):

1. Химический состав порошков отличается от исходного состава сплава и существенное влияние на него оказывает рабочая жидкость. Получение порошков (ВК8, Т15К6) в воде сопровождается увеличением количества свободного углерода в порошке. Получение порошков (ВК8, Т15К6) в керосине сопровождается увеличением количества общего углерода в порошке.

2. Рабочая жидкость оказывает влияние на фазовый состав порошков. Диспергирование твердого сплава в керосине понижает потери углерода по сравнению с диспергированием в воде. Диспергирование сплавов ВК8 и Т15К6 в воде привело к сильному обезуглероживанию вплоть до фаз W и интерметаллида Со₇W₆.

3. Микротвердость порошков зависит от используемой рабочей жидкости. Большие скорости охлаждения порошков способствуют увеличению их микротвердости по сравнению с промышленными порошками.