CC BY
15РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2019.02.023 УДК 621.7
ИЗУЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОДОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО И ТИТАНОВОГО СПЛАВОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО
ДИСПЕРГИРОВАНИЯ
В. В. Соловьев, С. В. Коновалов, Е. Д. Крюкова
В ходе работы были получены порошковые материалы с разноименными электродами из алюминиевого сплава АЕ5 и титанового сплава ВТ-6, используя метод электроэрозионного диспергирования. Выявлено, что при использовании титанового сплава ВТ-6 в качестве анода наблюдается образование более мелких гранул эрозионных частиц по сравнению с алюминиевым электродом А5Е. Изучен элементный состав и морфология полученных порошковых материалов. В составе агломератов наблюдается большое количество сферических частиц для системы электродов (анод ВТ-6 - катод А5Е). На поверхности сплавов присутствуют химические элементы, входящие в состав электродных материалов. Анализ элементного состава порошков, полученных в водной среде, показал, что использование алюминия в качестве катода приводит к увеличенному содержанию кислорода в получаемом порошковом материале по сравнению с титаном на 15 %, что объясняется энтальпией образования оксида алюминия.
Ключевые слова: электроэрозионное диспергирование, порошковый материал, электрод, анод, элементный состав, морфологическиеособенности, энтальпия, катод, элементный анализ гранул, оксид алюминия.
Получение новых металлических материалов для промышленности связано с затратами на подбор оптимального состава, переработкой отходов и утилизацией продукции. Затраты на переплавку и обработку деталей занимает более 70 % затрат на изготовление. Снижение затрат на производство деталей возможно при использовании порошковой металлургии. Получение порошковых материалов в настоящее время основано на распылении жидкого металла в различных средах. Процесс получения порошка получается энергоемким. Для снижения затрат и переработки отходов можно использовать метод электроэрозионного диспергирования, который позволяет получать порошковые материалы. В настоящее время для получения материалов используются электроды из одноименных материалов [1-6, 8-12, 16].
В настоящее время наибольший интерес представляют материалы на основе алюминия и титана, которые образуют интерметаллические соединения. Для получения таких соединений требуются сложные и энергоемкие металлургические процессы. Применение метода электроэрозионного диспергирования позволяет совместить металлургические
процессы образования интерметаллических соединенийи формирования гранул порошкового материала [15].
Опыты проводились на установке «IMPULS - 3» и реакторе для диспергирования, который представляет цилиндр из пластмассы, заполненный жидкой средой (дистиллированная вода), в жидкой среде размещаются электроды. Режимы работы установки: амплитуда колебания электрода 100 ± 10 Гц, напряжение 130 В, емкость конденсатора 500 мкФ. Элементный состав и морфология порошковых материалов изучалась на электронном микроскопе Hitachi TM 1000 с рентгеноспек-тральным анализатором SwiftED - TM EDX. Для получения порошкового материала использовались электроды из материалов: АЕ5 (состав 99,95 % Al), титановый сплав ВТ-6 (состав 86,485-91,2 % Ti, 5,3 - 6,8 % Al, 3,5 -5,3 % V, до 0,3 % Zr, до 0,1 % C, до 0,3 % Fe). Между электродами возникает искровой разряд, приводящий к разрушению электродов при сочетаниях катод АЕ5 (анод ВТ-6), катод ВТ-6 (анод АЕ5). После получения порошок выдерживался в дистиллированной воде в течение 24 часов, затем производилось высушивание при комнатной температуре.
Частицы эрозионного разрушения при использовании пары электродов алюминиевого сплава А5Е и титанового сплава ВТ-6 в жидкой среде (дистиллированная вода) представляют агломераты частиц. Агломерат состоит из частиц, образовавшихся из жидкой фазы (сферические частицы) и частиц неправильной формы, образовавшихся из паровой фазы.
При использовании титанового сплава ВТ-6 в качестве анода наблюдается образование более мелких гранул эрозионных частиц (рисунок 1, б) по сравнению с алюминиевым электродом (анод - А5Е).
а)
в)
При увеличении 5000 раз (рисунок 2, г) в составе агломератов наблюдается большое количество сферических частиц для системы электродов (анод ВТ-6 - катод А5Е).
На образование дисперсного состава влияет температура плавления материала катода, так как образование эрозионных частиц идет с преобладанием разрушения катода (таблица 1). Температура плавления алюминиевого сплава в 2,5 раза меньше, поэтому объем расплавленного материала больше. Элементный состав поверхности порошковых материалов приведен в таблице 1.
б)
г)
а) катод ВТ-6; б) катод А5Е; в) катод ВТ-6; г) катод А5Е
Рисунок 1 - Частицы эрозионного разрушения при использовании пары электродов алюминиевого сплава А5Е и титанового сплава ВТ-6 в жидкой среде (дистиллированная вода)
ИЗУЧЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРОДОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО И ТИТАНОВОГО СПЛАВОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ
а)
в) г)
а) катод ВТ-6; в) катод ВТ-6; б) катод А5Е; г) катод А5Е
Рисунок 2 - Частицы эрозионного разрушения при использовании пары электродов алюминиевого сплава А5Е и титанового сплава ВТ-6 в жидкой среде (дистиллированная вода)
Таблица 1 - Элементный состав порошков, полученных в водной среде
Электроды С О А1 Са
катод А1, анод Т 7,17 57,95 27,08 0,14
катод Т анод А1 7,44 42,33 7,56 0,09
Электроды И V Ре Итог
катод А1, анод Т 7,12 0,33 0,22 100
катод Т анод А1 39,85 1,16 0,17
Примечание: Все результаты в весовых %.
На поверхности порошкового материала наибольшее содержание химического эле-
мента соответствует материалу катода, что согласуется с изменением массы расхода электрода [15]. Соотношение содержания между материалами катода и анода находится в пределах 3,8-5,2 раза.
В химическом составе порошков (таблица 1) наблюдается повышенное содержание кислорода. Соотношение между кислородом и алюминием составляет 2,14-5,59, между кислородом и титаном - 1,06-8,14. При образовании оксидов соотношение между атомами кислорода и металлами (алюминий, титан) составляет 2-3. В случае образования гид-роксидов соотношение между атомами кислорода и металлами составляет 2,35-4. Можно предположить, что образуются оксиды
и гидроксиды алюминия и титана. Высказанное предположение согласуется с результатами исследований [7, 13]. Использование алюминия в качестве катода приводит к увеличенному содержанию кислорода в получаемом порошковом материале (таблица 1) по сравнению с титаном на 15 %, что объясняется энтальпией образования оксидов (для оксида алюминия она ниже).
В ходе работы были получены порошковые материалы с разноименными электродами из сплавов аЕ5 и ВТ-6. Наиболее дисперсный состав образуется при использовании алюминиевого сплава АЕ5 (катод). На поверхности сплавов присутствуют химические элементы, входящие в состав электродных материалов. Присутствие в элементном составе кислорода указывает на образование оксидов и гидроксидов металлов. Повышенное содержание кислорода наблюдается при использовании алюминиевого сплава АЕ5 (катод), что объясняется энтальпией образования оксида алюминия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Putintseva, M.N. Chemical and phase composition of powders obtained by electroerosiondisper-sion from WC - Co alloys / M.N. Putintseva // Metal Science and Heat Treatment. - 2004. - Vol. 46. -Iss. 3-4. - P. 156-160.
2. Petrichenko, S.V. Stabilization of discharge pulses and peculiarities of spark load matching at electroerosive dispersion of metal and graphite granules in liquid / S.V. Petrichenko, D.I. Listovskii, N.I. Kuskova // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. - 2016. - Vol. 52. - Iss. 2. - Р. 134-139.
3. Latypov, R.A. Electroerosion micro- and na-nopowders for the production of hard alloys / R.A. Latypov, E.V. Ageeva, O.V. Kruglyakov, G.R. Latypova // Russian Metallurgy (Metally). - 2016. -Vol.48. - Iss. 6. - Р. 547-549.
4. Ageev, E.V. Metallurgical features of the manufacture of hard-alloy powders by electroerosive dispersion of a T15K6 alloy in butanol / E.V. Ageev, R.A. Latypov, A.S. Ugrimov // Russian Metallurgy (Metally). - 2016. - Vol. 50, Iss. 1. - Р. 1155-1157.
5. Ageev, E.V. Fabrication and investigation of carbide billets from powders prepared by electroerosive dispersion of tungsten-containing wastes / E.V. Ageev, R.A. Latypov // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. - 2014.- Vol. 55, Iss. 6. - Р. 577-580.
6. Dresvyannikov, A.F. Synthesis of nanoparticles of iron triade metals in water solutions / A.F. Dresvyannikov, M.E. Kolpakov, E.V. Pronina // Russian Journal of General Chemistry.- 2010. - Vol. 80. - Iss. 10. -Р. 1901-1907.
7. Bairamov, R.K. Mechanism of electric spark dispersion of aluminum in aqueous solutions / R.K. Bairamov, Yu.Yu. Somova // Russian Journal of Inorganic Chemistry. - 2014. - Vol. 59. - Iss. 4. - Р. 368-372.
8. Danilenko, N.B. Composition and formation kinetics of erosion products of the metallic charge in an electric-discharge reactor / N.B. Danilenko et al. //
Russian Journal of Applied Chemistry. - 2005. - Vol. 78. - Iss. 9. - Р. 1438-1443.
9. Ageev, E.V. Size distribution of powdered aluminium sample microparticles produced using electroerosion dispersion / E.V. Ageev, E.P. Novikov, A.Y. Altukhov, V.P. Tikhomirov // Proceedings of 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems. - MEACS. - 2015. -Р. 7414944.
10. Latypov, R.A. Elemental composition of the powder particles produced by electric discharge dispersion of the wastes of a VK8 hard alloy / R.A. Laty-pov et al. // Russian Metallurgy (Metally). - 2017. -Vol. 53. - Iss. 12. - Р. 1083-1085.
11. Kuznetsov, V.A. The study of the characteristics of metallic powders after electroerosion dispersion / V.A. Kuznetsov, A.V. Smirnov, D.A. Buvakin // Solid State Phenomena. - 2018. - Vol. 284. - Р. 696-700.
12. Ageev, E.V. Propertiesandcharacterizationsof powders produced from waste carbides / E.V. Ageev, A.S. Osminina, E.V. Ageeva // Journal of nano- and electronic physics. - 2013. - Vol. 5. - Iss. 4. -Р. 04038-1-04038-2.
13. Новиков, Е.П. Получение гидрооксида алюминия методом электроэрозионного диспергирования / Е.П. Новиков, С.В. Пикалов, Е.В. Агеев // Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов : сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. - 2015. -С. 35-39.
14. Новиков, Е.П. Исследование формы и морфологии титанового порошка, полученного методом ЭЭД в воде дистиллированной / Е.П. Новиков, Е.В. Агеев // Молодежь и системная модернизация страны : сборник научных статей 2-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых. - 2017. - Т. 4. - С. 206-209.
15. Соловьев, В.В. Исследование порошковых материалов цветных металлов, полученных электроэрозионным способом / В.В. Соловьев, С.В. Коновалов, Е.Д. Крюкова // Ползуновский вестник, 2018. - № 2. - С. 146-149.
16. Соловьев, В.В. Морфологические особенности порошка цветных металлов, полученных электроэрозионным способом / В.В. Соловьев // Вестник Амурского государственного университета. Серия : Естественные и экономические науки. -2018. - № 81. - С. 37-39.
Соловьев Владислав Викторович -
к.т.н., доцент кафедры стартовые и технические ракетные комплексы Амурского государственного университета, е-mail: soloviev. [email protected].
Коновалов Сергей Валерьевич - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, е-mail: [email protected].
Крюкова Елизавета Дмитриевна - студент группы 1321-220302D Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, е-mail: [email protected].
