Preparation of Electrode Materials from Powders Obtained by Electroerosion Dispersion

Full Text

Введение

Характерной особенностью автомобильной техники выступает использование в конструкции большого количества деталей, изготовленных из цветных металлов и их сплавов. Это объясняется тем, что такие материалы обладают высокими антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью, а также способны выдерживать значительные удельные нагрузки и высокие скорости. Перечисленные свойства делают их незаменимыми в конструкциях, где требуется высокая прочность и надежность [1].

В современных условиях, когда требования к долговечности и надежности автомобилей постоянно возрастают, возникает необходимость в упрочнении и восстановлении изношенных поверхностей деталей. Для этого используются различные методы, которые позволяют наносить износостойкие и антифрикционные покрытия на поверхности деталей.

Цель исследования – получение из порошков, выделенных методом электроэрозионного диспергирования, электродных материалов с заданными свойствами для электроискровой обработки.

Обзор литературы

Одним из наиболее универсальных и эффективных методов, применяемых для восстановления или упрочнения деталей машин, которые работают в условиях интенсивного изнашивания, является наплавка [2].

Среди наиболее перспективных и наукоемких методов обработки материалов – электроискровая обработка (ЭИО). Метод находит широкое применение в различных областях, благодаря своим уникальным свойствам и возможностям. Его главным преимуществом выступает высокая прочность сцепления легированного слоя с основным материалом. С помощью ЭИО можно получить покрытие из любых токопроводящих материалов [3].

Посредством ЭИО создаются функциональные покрытия различной толщины на рабочих поверхностях деталей. Эти покрытия будут обладать необходимыми эксплуатационными свойствами, такими как износостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др. Используя данную обработку, можно восстановить размеры деталей, которые были утрачены в процессе их эксплуатации [4].

Эксплуатационные характеристики запчастей, используемых в различных отраслях, зависят от множества факторов, наиболее значимая из которых микроструктура, химический и фазовый состав поверхностных слоев. Эти параметры можно варьировать в широких пределах с помощью обработки электродами, изготавливающимися из различных материалов [5–7]. Таким образом, выбор подходящего электродного материала становится важным этапом в процессе улучшения эксплуатационных свойств деталей. Например, значительное повышение износостойкости может быть достигнуто путем формирования наноструктурированных покрытий, созданных с использованием электродов, содержащих определенные легирующие наноматериалы.

В числе наиболее эффективных методов, позволяющих получать мелкодисперсные и наноразмерные порошковые материалы, находится электроэрозионное диспергирование (ЭЭД) [8; 9]. Применение этого метода способствует созданию высококачественных материалов, а также позволяет снизить себестоимость итогового продукта. В контексте переработки отходов машиностроительного производства это дает возможность эффективно использовать  дорогостоящие цветные металлы и их сплавы. Таким образом, ЭЭД позволяет улучшить качество производимых деталей, повысить эффективность использования ресурсов, снизить затраты на производство и увеличить экономическую эффективность производства.

Процесс получения электродных материалов из мелкодисперсных и наноразмерных порошков осуществляется с помощью технологии искрового плазменного спекания. Эта технология позволяет создавать материалы, которые можно использовать в качестве электродов. Энергия, выделяемая в результате искрового разряда, эффективно испаряет загрязняющие вещества и оксиды, находящиеся на поверхности частиц, что приводит к образованию прочных перемычек, которые соединяют частицы друг с другом. В результате происходит концентрация джоулева тепла на поверхности частиц, что вызывает их пластическую деформацию, которая способствует достижению высокой плотности конечного продукта. В процессе спекания образуются прочные связи между частицами, что достигается за счет локального плазменного сваривания. Температура при этом может достигать 10000 °С, а давление – 300 т [10].

Таким образом, для получения электродов, пригодных для электроискровой обработки, перспективным является использование метода электроэрозионного диспергирования для переработки вторичных материалов с последующей консолидацией порошков методом искрового плазменного спекания. Однако комплексных исследований по реализации такой схемы для бронзовых порошков недостаточно.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели в исследовании использовался бронзовый порошок, который был получен с помощью электроэрозионного диспергирования из металлического лома бронзы БрКМц3-1.

Металлический порошок был получен на комплексе для электроэрозионного диспергирования,  с использованием генератора импульсного тока для электроискровой обработки, энергетические режимы которого: длительность импульсов – 150 мкс; частота импульсов – 800 Гц; амплитуда тока – 120 А; энергия импульсов – 0,32 Дж. В качестве рабочей среды в процессе диспергирования использовалась дистиллированная вода. Размер частиц полученного порошка не превышал 0,1 мм.

Первоначально после получения порошок просушивался в сушильном шкафу модели ШС-80-01 СПУ при температуре 120 °С в течение 10 мин. Данный процесс необходим для удаления влаги негативно влияющей на изделия, полученные из порошка а затем просеивается через набор сит по стандарту ГОСТ 2715–75 ¹. Это необходимо для достижения однородной фракции, размер которой не превышает 0,071 мм. На аналитических весах марки Acculab ALC-210d4 был взвешен порошок для дальнейшего спекания, его вес составил 135 г.

Следующий этап включает загрузку подготовленного порошка в графитовую пресс-форму, диаметром 40 мм. Затем она помещается в специализированную камеру системы искрового плазменного спекания SPS 10-3 (рис. 1). Внутри этой камеры создается вакуум, который достигает уровня 10-3 Торр. Наличие вакуума предотвращает окисление материала.

После достижения необходимого уровня вакуума происходит предварительное сжатие образца при давлении 5 МПа. Этот процесс помогает уплотнить порошок перед его нагревом. Затем образец нагревается до 100 °C с заданной скоростью, равной 150 °C в минуту. На этом этапе выполняется изотермическая выдержка, которая длится 2,5 минуты. Это необходимо для удаления адсорбированной влаги, которая может негативно сказаться на процессе спекания.

 

Рис. 1. Система SPS 10-3 фирмы Thermal Technology

Fig. 1. Thermal Technology's SPS 10-3 system

_{Источник: материал рисунков и таблиц подготовлен авторами в ходе исследования}

_{Source: the material of figures and tables was prepared by the authors during the research}

 

Далее температура образца повышалась до 600 °C со скоростью нагрева, равной 150 °C в минуту. После достижения этой температуры также проводилась изотермическая выдержка (2,5 мин), что позволило осуществить дегазацию компактируемого материала. После завершения дегазации давление прессования увеличивалось до 40 МПа с контролируемой скоростью 15 МПа в минуту. Затем осуществлялся нагрев до температуры 870 °C со скоростью 150 °C в минуту. По достижении этой температуры скорость нагрева уменьшилась до 50 °C в минуту, чтобы обеспечить более плавный переход к финальной температуре спекания.

Заключительный этап спекания проходил при температуре 910 °C и продолжался в течение 5 минут. В это время скорость охлаждения составила 100 °C в минуту, параллельно давление в камере снижается до 5 МПа с той же скоростью, что и при увеличении давления (15 МПа в мин).

Все этапы процесса искрового плазменного спекания представлены на рисунке 2.

 

Рис. 2. График протекания искрового плазменного спекания

Fig. 2. Spark plasma sintering flow chart

 

Для определения химического состава металлического лома, полученного порошка и спеченных электродов использовался рентгено-флуоресцентный спектрометр Jingpu MX-2 в режиме анализа сплавов, при котором определяются: стали, сплавы на основе меди, никеля, титана и алюминия.

Результаты исследования

В результате спекания была получена заготовка диаметром 40 мм и высотой 20 мм (рис. 3). На брикете видны отметины черного цвета, которые говорят о наличии частиц графитовой формы.

 

Рис. 3. Брикет бронзы после спекания

Fig. 3. Bronze briquette after sintering

 

В таблице 1 представлено сравнение химического состава образцов лома, полученного порошка и спеченного электрода из бронзы БрКМц 3-1.

Анализ химического состава лома, порошков, полученных ЭЭД, и спеченных электродов показал, что в процессе электроэрозионного диспергирования изменяется химический состав порошка. Содержание некоторых элементов варьируется, исчезает полностью или дополняется новыми элементами.

 

Таблица 1. Химический состав полученных образцов

Table 1. Chemical composition of the obtained samples

Химический элемент / Chemical element	Тип образца / Sample Type
	лом / scrap metal	порошок / powder	спеченный электрод / sintered electrode
Cu	98,47	97,80	97,20
Mn	0,83	1,27	0,93
Fe	0,57	0,60	0,88
Sn	0,04	0,02	0,21
V	–	0,20	0,47
Co	0,03	0,10	–
Ni	–	0,02	–
W	–	0,03	0,02
Zn	0,05	–	0,30

 

Это происходит в результате взаимодействия порошка с рабочей жидкостью и различными элементами конструкции, а при спекании – из-за образования новых химических соединений и выгорания некоторых элементов

Как показывают данные таблицы 1, химический состав металлического лома и спеченных электродов мало отличается.

Для проведения испытаний покрытий, полученных методом ЭИО, использовался образованный брикет спеченной бронзы. С помощью алмазного круга он был разрезан на электроды сечением 6 х 6 мм и длиной не менее 30 мм. Для сравнения использовался пруток из бронзы БрКМц 3-1 (ГОСТ 1628-2019) с сечением 6 х 6 мм.

Сравнительная наплавка проводилась методом электроискровой обработки на образцы из стали 45, с использованием генератора импульсного тока «Искра-Z». Внешний вид полученных покрытий представлен на рисунке 4.

 

Рис. 4. Внешний вид образцов с покрытием: 1 – стандартным электродом; 2 – электродом из спеченной бронзы

Fig. 4. Appearance of coated samples: 1 – with a standard electrode; 2 – with a sintered bronze electrode

 

При сравнении физико-механических и триботехнических параметров спеченной бронзы и стандартного электродного материала БрКМц 3-1 первая продемонстрировала высокую стойкость к изнашиванию, что делает ее перспективной для использования в условиях повышенных нагрузок.

Обсуждение и заключение

Исследования, проведенные в рамках данной работы, подтвердили возможность изготовления электродов из вторичных переработанных порошков цветных металлов и их сплавов. Эти электроды могут быть востребованы в процессах наплавки, особенно в ремонтном производстве, включая электроискровую обработку. Поверхности, полученные с использованием таких электродов, демонстрируют улучшенные физико-технологические характеристики благодаря применению мелкозернистых и наноразмерных материалов при их создании. В ходе наплавочных процессов наблюдались более эффективный перенос металла и снижение его расхода по сравнению с традиционными электродами.

Ограничением исследования является вероятность окисления материала при контакте с атмосферой. Даже применение вакуума или инертных газов в процессе спекания не исключает формирование участков окисления, что может привести к ухудшению качества поверхности и снижению механических свойств образца.

Перспективы дальнейшей работы в области искрового плазменного спекания связаны с исследованием влияния различных режимов нагрева, давления, времени выдержки и силы тока на структуру, плотность и механические свойства спеченных изделий для повышения их качества и однородности.

 

 

Дополнительная информация

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов:

Д. В. Зайцев – формулирование замысла / идеи исследования, целей и задач.

Д. П. Сунин – применение статистических, математических, вычислительных или других формальных методов для анализа или синтеза данных исследования.

Р. В. Акишин – проверка воспроизводимости результатов экспериментов и исследования в рамках основных или дополнительных задач работы.

М. А. Герасимов – осуществление научно-исследовательского процесса, включая выполнение экспериментов или сбор данных / доказательств.

Д. А. Сергунов – разработка или проектирование методологии исследования; создание моделей.

 

¹ Сетки металлические проволочные. Типы, основные параметры и размеры: ГОСТ 2715–75 [Электронный ресурс]. ИС «МЕГАНОРМ» : сайт. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4294852/4294852790.pdf (дата обращения: 12.10.2025)

About the authors

Dmitriy V. Zaitsev

National Research Mordovia State University

Email: zaicev2324@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-9569-3435
SPIN-code: 4269-8769

Graduate student at the Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk, 430005

Danila P. Sunin

National Research Mordovia State University

Email: sunin.danila@inbox.ru
ORCID iD: 0009-0007-9389-6350

Student at the Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk, 430005

Roman V. Akishin

National Research Mordovia State University

Email: akisinroman623@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-5422-441X

Student at the Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk, 430005

Mikhail A. Gerasimov

National Research Mordovia State University

Email: maxxxi4g@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-0428-4741

Graduate student at the Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk, 430005

Danil A. Sergunov

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: danil2237@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-2366-0976

Graduate student at the Institute of Mechanics and Power Engineering

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk, 430005

References

Supplementary files