Научно-технологические основы получения многофункциональных сплавов и покрытий из диспергированных электроэрозией легковесных отходов цветных металлов и легированных сплавов

В диссертационной работе на основании выполненных исследований изложены новые научно обоснованные технические и технологические решения, связанные с получением новых многофункциональных сплавов и покрытий, полученных на основе шихты, изготовленной электродиспергированием в кислород- и углеродсодержащих рабочих жидкостях легковесных металлоотходов марок Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1, внедрение которых вносит значительный вклад в металловеде-ние сплавов и в металлургию легковесных металлоотходов в целом. 1. Установлены механизмы структурообразования частиц сплавов в процессе электроэрозионной металлургии металлоотходов сплавов (Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1). С использованием электроконтактной теории объяснено наличие двух экстремумов наиболее вероятных размеров частиц в экспериментально определенном фракционном составе: мелкая фракция (0,25 … 25,0 мкм) образуется за счет конденсации парообразной фазы и крупная фракция (25,0 … 100 мкм) образуется за счет конденсации жидкой фазы. Отмечено, что соотношение объемов, образуемых при диспергировании парообразной и жидкой фаз, определяется теплофизическими свойствами диспергируемого материала. Установлена зависимость, показывающая, что средний размер диспергируемых частиц увеличивается с повышением энергии импульса. Получены зависимости, позволяющие выполнить расчетную оценку фракционного состава диспергируемого материала, получаемого в условиях действия электроконтактных тепловых источников. 2. Установлены корреляционные зависимости дисперсного, элементного и фазового составов продуктов электродиспергирования сплавов Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1 от состава и свойств рабочей жидкости, позволяющие управлять их свойствами. В частности, экспериментально установлено, что на элементный и фазовый составы продуктов электродиспергирования легированных сплавов оказывает влияние химический состав рабочей жидкости, а на гранулометрический состав – диэлектрическая проницаемость. При этом показано, что электродиспергирование металлотходов в кислородсодержащей жидкости приводит к наличию кислорода на поверхности частиц и потере углерода вплоть до появления в них чистых металлов Cu, Ni, Cr, W, Fe в результате диссоциации оксидов, а электродиспергирование в углеродсодержащей жидкости приводит к наличию углерода и образованию фаз карбидов, таких как WС, TiС, Ni3С, Fe3С, Мо2С и Cr3С2 в результате взаимодействия углерода с расплавленным металлом при температурах, соответствующих той или иной модификации карбидов. Показано также, что с повышением диэлектрической проницаемости рабочей среды средний размер частиц диспергируемого материала уменьшается. Это связано с потерями энергии электрического разряда на пробой рабочей жидкости ввиду большой разности диэлектрической проницаемости воды и керосина, а также различием в охлаждающей способности этих жидкостей. 3. Найдены закономерности влияния технологии электродиспергирования легированных сплавов на частицы металлотходов сплавов Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1 с установлением взаимосвязи между составляющими системы «состав – структура – технология электродиспергирования – свойства». Разработаны модели процесса электродиспергирования металлоотходов сплавов марок Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1, использование которых позволит управлять процессом получения диспергированных частиц. Установлены корреляционные зависимости дисперсного состава продуктов электродиспергирования сплавов Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1 от энергетических характеристик (напряжения на электродах, емкости разрядных конденсаторов и частоты следования импульсов) самого процесса электродиспергирования, позволяющие обеспечить требуемые для практического применения характеристики. 4. Установлена зависимость состава, структуры и свойств новых легированных сплавов от состава, структуры и свойств шихты из диспергированных электроэрозией частиц металлотходов сплавов Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1, позволяющая оказывать влияние на их физико-механические свойства. Разработаны модели процессов получения новых легированных сплавов искровым плазменным сплавлением из полученных металлопорошковых композиций, использование которых позволит управлять процессом сплавления с целью повышения физико-механических и эксплуатационных свойств новых легированных сплавов. Отмечено, что состав, структура и свойства диспергированных электроэрозией частиц легированных сплавов (Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1), зависящие от состава и свойств рабочей среды влияют в том числе и на пористость и размер зерна легированных сплавов, а они в свою очередь на их физико-механические свойства, такие как микротвердость, изностойкость, предел прочности при сжатии и изгибе и др. 5. Показано влияние технологии производства легированных сплавов из диспергированных электроэрозией частиц металлотходов сплавов Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1 на их свойства, позволяющая управлять качеством изделий. Научно обоснована и апробирована новая технология синтеза легированных электроэрозионных частиц сплавов Т30К4, ВНЖ95, Р6М5, Х15Н60, АД0Е, М1, с установлением взаимосвязи между составляющими системы «состав – структура – технология искрового плазменного сплавления – свойства». 6. Установлена зависимость состава, структуры и свойств функциональных покрытий на основе от состава, структуры и свойств диспергированных частиц из легированных сплавов Т30К4, Р6М5, М1, позволяющая оказывать влияние на их физико-механические свойства. Разработаны модели процессов получения функциональных покрытий, использование которых позволит управлять их физико-механическими и эксплуатационными свойствами. 7. Разработаны и запатентованы новые технические и технологические реше-ния, включающие способы получения: титано-вольфрамо-кобальтовых частиц элек-тродиспергированием отходов сплава Т30К4; вольфрамо-никелевых частиц электро-диспергированием отходов псевдосплава ВНЖ95; металлических наночастиц из ме-таллоотходов быстрорежущей стали Р6М5; нихромовых частиц электроэрозионным диспергированием отходов сплава Х15Н60; металлических наночастиц меди из отхо-дов меди марки М1; медных частиц из металлоотходов электротехнической медной проволоки; алюминиевых частиц электродиспергированием отходов сплава АД0Е; заготовок вольфрамо-титанового твердого сплава, на основе частиц, изготовленных электродиспергированием отходов твердых сплавов; шихты для производства воль-фрамо-титановых твердых сплавов на основе электроэрозионных частиц карбида вольфрама и карбида титана; быстрорежущей стали на основе частиц, изготовленных электродиспергированием быстрорежущей стали Р6М5; медных гальванических по-крытий, модифицированных наночастицами электроэрозионной меди; шихты для использования в композициях для плазменно-порошковой наплавки износостойких покрытий на детали машин на основе электроэрозионных частиц карбида вольфрама и карбид титана; шихты электродного материала для электроискрового легирования деталей машин на основе электроэрозионных частиц карбида вольфрама и карбид титана; мелкокристаллического корунда на основе частиц, изготовленных электро-диспергированием отходов электротехнической алюминиевой проволоки; вольфрамсодержащих сплавов на основе частиц, изготовленных электродиспергированием отходов стали Р6М5 и твердого сплава; алюмосодержащих частиц для газодинамиче-ского напыления дефектных головок блоков цилиндров, изготовленных электродис-пергированием отходов сплава АД0Е. 8. Разработанные технологии и новые легированные функциональные сплавы апробированы и внедрены в: ООО «Инжиниринговый центр двигателестроения «ТрансМашХолдинг» г. Коломна Московская обл.; ООО НПП «ТЕЛАР» г. Тула; ООО ПП «МехМаш» г. Тула; ООО «Репаир Ко Механикс» г. Тула; ООО «РосУтилизация 46» г. Курск, ООО «Краснополянская сельхозтехника» г. Курск. Материалы диссертационных исследований используются в образовательном процессе ЮЗГУ, СПбПУ имени Петра Великого, ВУЦ ТулГУ и ОГУ им. И.С. Тургенева. 9. Перспективами дальнейшего использования полученных результатов явля-ется широкое применение в промышленности новых многофункциональных сплавов и покрытий, полученных на основе частиц, изготовленных электродиспергированием легковесных металлоотходов, а также применение электроэрозионной шихты в адди-тивных технологиях, плазменно-порошковой наплавке, газодинамическом напылении, электроискровом легировании и др.