Способ получения бронзовых электродов для процессов электроискрового легирования Российский патент 2023 года по МПК B22F3/16 B22F9/14 B23H9/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения электродов для электроискрового легирования (ЭИЛ). Может применяться в различных отраслях промышленности для нанесения антифрикционных и износостойких защитных бронзовых покрытий на детали машин различного функционального назначения.

Известен патент на электродный стержень для искровой наплавки, способ его изготовления и способ нанесения покрытия, содержащего суперабразив (патент RU 2228824, МПК B23H 9/00, B22F 3/23, C23C 26/00), согласно которому электродный стержень выполнен из однородно смешанных и спрессованных порошков первого компонента, включающего, по меньшей мере, один металл изгруппы Fe, Co, Ni, металлы группы 4а, 5а, 6а Периодической системы элементов и Si, и второго компонента, обеспечивающего осуществление самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в процессе электроискрового легирования для получения вместе с указанным первым компонентом карбида, нитрида, борида, силицида или интерметаллического соединения. Стержень может содержать нейтральный в отношении процесса СВС твердый материал, например, алмаз. Способ заключается в смешивании в однородную смесь порошков первого компонента и второго компонента и прессовании указанной смеси с получением аксиального тела.

Известен патент на составной электрод для электроискрового легирования и способ его изготовления (патент RU 2355521, МПК B23H 1/04), согласно которому электрод состоит из по меньшей мере двух скрепленных между собой торцами, отдельных электродов одинакового поперечного сечения, каждый из которых выполнен из легирующего материала другого состава по сравнению с составом материала контактирующих с ним электродов. Способ изготовления электрода включает горячее прессование порошкового материала в пресс-форме, состоящей из матрицы и пуансона, при этом в пресс-форму с противоположной стороны матрицы вводят второй пуансон, а в качестве пуансонов используют готовые отдельные электроды, которые составляют изготавливаемый электрод.

Известен способ получения электродов для электроискрового легирования на основе композиционного материала TiB₂-Co₂B (патент RU2779580C1, МПК B22F 3/23, C22C 29/14, B22F 3/20, B23K 35/22, СПК B22F 3/23, B22F2003/208, C22C 29/14, B23K 35/22, B23K 35/228), заключающийся в приготовлении экзотермической смеси, содержащей 13,8-27,6 мас.% титана, 55,2-73,6 мас.% кобальта и 12,6-17,2 мас.% бора, и прессовании цилиндрических заготовок с относительной плотностью 0,45-0,8. Полученные в результате реакции горения продукты горения экструдируют через формующую матрицу диаметром 1-5 мм с формированием электрода.

Известен патент на спеченное изделие на основе железа, содержащее медь, и способ его получения (патент RU2280706C2, МПК C22C 33/02, B22F 3/12), согласно которому способ включает приготовление порошковой смеси, содержащей железо, медь и материал, способствующий образованию мартенсита. По меньшей мере, часть общего содержания железа и меди вводят в виде диффузионно-связанного железомедного порошка или предварительно легированного железомедного порошка. Полученную смесь прессуют, после чего осуществляют спекание. Полученное изделие содержит 12-26 мас.% меди и имеет матрицу на основе железа со структурой, содержащей мартенсит.

Недостатками известных способов является то, что в качестве исходного материала используются порошки металлов, полученные традиционными энергозатратными способами. Однако, если говорить об антифрикционных покрытиях, которые выполняются преимущественно из цветных металлов и сплавов, в частности из бронзы, то применение стандартных материалов делает технологию электроискрового легирования достаточно дорогой. К тому же, описаны способы получения составных спеченных изделий, что приводит к сложности подбору компонентов как таковых и правильных их пропорций. Также нет ни одного способа получения бронзовых изделий, которые можно будет использовать в качестве электродов при ЭИЛ, а восстановление бронзовых деталей сейчас особо востребовано в силу их широкого распространения и высокой цены.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения спеченных изделий из изостатически спрессованных электроэрозионных нанокомпозиционных порошков свинцовой бронзы (патент RU 2713900, МПК B22F 3/15, B22F 3/16, B22F 9/14, B22F 9/02, B82Y 30/00, B82Y 40/00, C22B 7/00, B23H 1/00, C22C 9/08, СПК B22F 3/15, B22F 3/16, B22F 9/14, B22F 9/02, B82Y 30/00, B82Y 40/00, C22B 7/00, B23H 1/00, C22C 9/08, B22F 3/15, B22F2304/052, B22F2301/10), заключающийся в проведении электроэрозионного диспергирования отходов свинцовой бронзы в дистиллированной воде на установке электроэрозионного диспергирования при частоте следования импульсов 95…105 Гц, напряжении на электродах 190…200 В и емкости конденсаторов 65,5 мкФ, дальнейшем изостатическом прессовании полученного порошка в течение двух минут при давлении 250 МПа, а затем спекании скомпактированных образцов в трубчатой раскладной печи в течение 12 часов при температуре 827°С в среде аргона.

Известный способ имеет ряд недостатков. В качестве исходного сырья описано применение только свинцовой бронзы (ГОСТ 493-79), однако номенклатура бронзовых изделий гораздо шире по своему марочному составу.

Установка, на которой получают металлический порошок, устарела и не обеспечивает достаточной производительности и КПД. В способе описана лишняя технологическая операция (изостатическое прессование) на отдельном оборудовании, что усложняет весь процесс получения конечного изделия. Не определены области применения получаемых спеченных изделий, не доказана возможность такого применения и его технологический эффект.

Технической задачей предлагаемого способа являются увеличение производительности, расширение марочного состава перерабатываемых бронзовых отходов, снижение стоимости технологии получения электродов для электроискрового легирования, увеличение сплошности и снижение шероховатости бронзовых покрытий, полученных новыми электродами.

Технический результат состоит в том, что в способе получения бронзовых электродов для процессов электроискрового легирования, заключающимся в проведении электроэрозионного диспергирования отходов бронзы в дистиллированной воде на установке электроэрозионного диспергирования, дальнейшем изостатическом прессовании полученного порошка и его спекании при емкости конденсаторов 65 мкФ согласно изобретению, электроэрозионное диспергирование любых бронзовых отходов осуществляют на установке, при частоте следования импульсов 172-174 Гц, напряжении на электродах 140-160 В, полученный порошок бронзы в графитовой пресс-форме помещают в рабочую камеру установки и осуществляют одновременное изостатическое прессование и спекание.

Способ получения бронзовых электродов для процессов электроискрового легирования заключается в получении порошковой бронзы из отходов машиностроительных производств методом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) и спекание полученного порошка с помощью метода искрового плазменного спекания (ИПС).

Согласно способу, металлический лом бронзовых отходов загружают в реактор установки электроэрозионного диспергирования (патент RU 210381, МПК B22F 9/14, B23H 1/02, B82Y 40/00, СПК B22F 9/14, B23H 1/02, B82Y 40/00) вместе с технической жидкостью (вода дистиллированная). С помощью генератора импульсов установки формируются импульсы технологического тока до 1000 А большой длительности (порядка 1-30 мс), форму, амплитуду и частоту которых можно регулировать, благодаря чему происходит разрушение металла до порошкообразного состояния. Процесс идет при частоте следования импульсов 172-174 Гц, напряжении на электродах 140-160 В и емкости конденсаторов 65 мкФ. Полученный порошок высушивают и просеивают до получения фракции с размером частиц 0,071 мм и менее. Затем этот порошок (~ 134 г) помещают в графитовую пресс-форму диаметром 40 мм и высотой 20 мм. Заполненную пресс-форму устанавливают в камеру системы искрового плазменного спекания SPS 10^-3 фирмы Thermal Technology, в которой процессы изостатического прессования и искрового пламенного спекания происходят одновременно, в рамках одного технологического цикла без перемещения между разным оборудованием. В камере прибора создают вакуум до уровня 1⋅10^-3 Торр. Образец подвергают предварительному сжатию при давлении 5 МПа. После достижения необходимого уровня вакуума образец нагревают до 100 °С со скоростью 150 °/мин. Затем производят изотермическую выдержку в течение 2,5 мин для удаления адсорбированной влаги. Далее образец нагревают до 600 °С со скоростью 150 °/мин и также производят изотермическую выдержку в течение 2,5 мин для дегазации компактируемого материала. После дегазации давление прессования увеличивают до 40 МПа со скоростью 15 МПа/мин. Затем осуществляют нагрев до 870 °С со скоростью 150 °/мин. После чего скорость нагрева снижают до 50 °/мин для более плавного выхода на заданную температуру. Окончательно спекание проводят при температуре 910 °С в течение 5 минут. Скорость охлаждения составляет 100 °/мин. Одновременно с охлаждением сбрасывается давление до 5 МПа со скоростью 15 МПа/мин. Образованный брикет разрезается на электроды сечением 6х6 мм и длиной не менее 30 мм.

Способ обеспечивает получение спеченных изделий из любых бронзовых отходов. Такие изделия можно использовать в качестве электродов для процессов электроискрового легирования. Причем обеспечивается качественный перенос материала электрода на восстанавливаемую поверхность, предотвращается залипание электрода в зоне контакта, обеспечивается получение поверхности с хорошим микрорельефом и малой шероховатостью. Благодаря использованию установки электроэрозионного диспергирования и новых технологических режимов увеличивается производительность получения исходного порошкового материала, физико-химические показатели такого порошка выше. Сам процесс спекания требует на одну технологическую операцию меньше, чем у аналогичного способа, в силу использования нового энергоэффективного оборудования. Всё это снижает стоимость получения спеченных изделий, а также стоимость технологии электроискрового легирования.

Возможность применения нового способа и его преимущества перед аналогом доказаны проведенными экспериментами, результаты которых были описаны в следующих научных статьях: Романов И.В., Задорожний Р.Н. Исследование физико-механических свойств бронзовых порошков, полученных методом электроэрозионного диспергирования // Технический сервис машин. 2020. № 4 (141). С. 148-156; Соловьева А.С., Романов И.В., Задорожний Р.Н. Исследование структуры и свойств вторичного медного сплава // Технический сервис машин. 2022. № 1 (146). С. 96-104; Романов И.В., Задорожний Р.Н. Выбор режимов электроискровой обработки для электродов из спеченной бронзы //Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2021. № 1. С. 96-106; Dorokhov A.S., Denisov V.A., Zadorozhny R.N., Romanov I.V., Zuevskiy V.A. The tribotechnical properties of electrosparks with a secondary bronze coating// Coatings. 2022. Т. 12. № 3.

Форма частиц порошка обусловлена тем, в каком виде материал выбрасывается из лунки в процессе ЭЭД. Видно, что в порошке превалируют частицы, имеющие правильную сферическую или эллиптическую форму. Они получаются кристаллизацией расплавленного материала (жидкой фазы).

Одной из физико-химических характеристик, характеризующих порошковый материал, является величина удельной поверхности, которая характеризует дисперсность порошка. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 − Результаты исследования удельной поверхности и размера пор бронзового порошка

Образец Объём поглощенного азота, см³/г Удельная поверхность, м²/г Объем пор, см³/г Радиус пор, Å Микро- (DFT) Мезо- (BJH) Микро- (DFT) Мезо- (BJH) Бронза 19,84 13,25 0,029 0,0287 15,49 18,58

При прессовании наиболее важными технологическими свойствами являются такие параметры как сыпучесть, прессуемость и сила выталкивания брикета из матрицы. Согласно исследованиям, полученный порошок обладает высокой сыпучестью и плотной укладкой, частицы порошка имеют в абсолютном большинстве правильную форму – шаровидную или скругленные грани.

С целью изучения наплавочных возможностей образованный брикет был разрезан на электроды сечением 6х6 мм и длиной не менее 30 мм. Сравнительную наплавку осуществляли методом ЭИО на образцы из Стали 45, при этом параметры спеченной бронзы сравнивались с параметрами стандартного электродного материала – БрАЖ9-4. ЭИО осуществлялась на установке «Вестрон АИ-007». При наплавке контролировались толщина металлопокрытия и масса образца и электродов.

В процессе наплавки отмечался более комфортный перенос материала при работе со спеченным электродом, чем стандартным электродом, т.е. отсутствовало прилипание электрода. Массоперенос, а именно прирост массы материала электрода к образцу у стандартного материала незначительно выше, однако расход по массе стандартного электрода больше. Прирост наплавленного слоя материала при обработке стандартным электродом незначительно меньше (измерения осуществлялись микрометром МК-25).

Исследование профилограмм полученных покрытий при помощи профилограф-профилометра фирмы TAYLOR HOBSON показало, что покрытия, полученные электродами из спеченной бронзы, обладают меньшими значениям параметров микрорельефа и, соответственно, большей развитостью профиля поверхности и лучшей несущей способностью.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению электродов для электроискрового легирования, и может применяться в различных отраслях промышленности для нанесения антифрикционных и износостойких защитных бронзовых покрытий на детали машин различного функционального назначения. Способ включает электроэрозионное диспергирование любых бронзовых отходов в дистиллированной воде на установке электроэрозионного диспергирования при частоте следования импульсов 172-174 Гц, напряжении на электродах 140-160 В и емкости конденсаторов 65 мкФ, дальнейшее изостатическое прессование полученного порошка с чередованием требуемых режимов и его спекание. Образованный брикет разрезают на электроды сечением 6×6 мм и длиной не менее 30 мм. Полученный электрод для электроискрового легирования обеспечивает качественный перенос материала электрода на обрабатываемую поверхность, предотвращает залипание электрода в зоне контакта, обеспечивает получение микрорельефа поверхности с малой шероховатостью. 1 табл.

Способ получения бронзовых электродов для процессов электроискрового легирования, включающий проведение электроэрозионного диспергирования бронзовых отходов в дистиллированной воде на установке электроэрозионного диспергирования при емкости конденсаторов 65 мкФ, дальнейшее изостатическое прессование полученного порошка и его спекание, отличающийся тем, что осуществляют электроэрозионное диспергирование любых бронзовых отходов на установке электроэрозионного диспергирования при частоте следования импульсов 172-174 Гц и напряжении на электродах 140-160 В, полученный порошок бронзы в графитовой пресс-форме помещают в камеру упомянутой установки, в которой одновременно осуществляют изостатическое прессование и спекание порошка при создании вакуума до уровня 1⋅10^-3 Торр и предварительное сжатие при давлении 5 МПа, последующий нагрев до 100 °С со скоростью 150 °/мин, изотермическую выдержку в течение 2,5 мин, нагрев до 600 °С со скоростью 150 °/мин и изотермическую выдержку в течение 2,5 мин, увеличение давления прессования до 40 МПа со скоростью 15 МПа/мин, нагрев до 870 °С со скоростью 150 °/мин, снижение скорости нагрева до 50 °/мин, окончательное спекание при температуре 910 °С в течение 5 минут, охлаждение со скоростью 100 °/мин и снижение давления до 5 МПа со скоростью 15 МПа/мин, образованный брикет разрезают на электроды сечением 6×6 мм и длиной не менее 30 мм.