Технические науки / отраслевое машиностроение

Воденніков С.А., Слинько Г.І., Воденнікова О.С., Іванов В.І.

ПРО МІКРОСТРУКТУРНЕ РУЙНУВАННЯ ГРАФІТОВАНИХ МАТЕРІАЛІВ

З МІДНИМ ПОКРИТТЯМ

Запорізька державна інженерна академія

Запорізький національний технічний університет

Аналіз стану проблеми зниження енергоємності металургійного виробництва за сучасних умов свідчить, що основні втрати електроенергії пов’язані з низькою якістю графітованих електродів і ніпелів через високу пористість і низькі показники електропровідності. Одним з напрямів вирішення даної проблеми є формування беспористого електропровідного шару на основі композитного покриття «мідь-вуглець» на місця ніпельного з’єднання, а також на місця електроконтактів «електрод-електродотримач» шляхом осадження міді з іонних розплавів солей [1].

Дослідження механічних властивостей та мікроструктурного руйнування графітованих матеріалів із композитним покриттям на основі «мідь-вуглець» дозволить оптимізувати технологічні параметри електричного осадження, що забезпечують експлуатаційні характеристики графітованих матеріалів із низькими показниками енерговитрат.

Мікроструктурне руйнування графітованих матеріалів досліджували методом фрактографічного аналізу на растровому електронному мікроскопі фірми YEOL «YSMT 300» за прискорюючого потенціалу 15 кВ. Механічну міцність графітованих зразків із покриттям визначали випробуванням на стиснення та вигин за стандартною методикою, твердість зразків вивчали на приладі Брінелля.

Відомо, що в ніпельному з’єднанні окремих секцій графітованих електродів через поганий поверхневий контакт виникають мікродуги струму, що спричинюють місцеве вигорання електроду або його пропалення. За подальшої експлуатації такого електроду в місцях з’єднання його секцій зростають втрати електроенергії, що призводить до підвищення їх витратних показників. Зниження поверхневого контакту може бути спричиненим як високою пористістю графіту (до 30 %), так і стиранням поверхні різьби ніпельного з’єднання, що призводять до формування пилоподібного прошарку з графітованого матеріалу. Наявність такого прошарку супроводжується виникненням додаткового електричного опору в електроді.

Експериментальні дослідження механічної міцності графітованих зразків марки ЕГСП з мідним покриттям показали, що межа міцності під час стиснення збільшилася на 40 % за одночасного ущільнення їх поверхневого шару, пов’язаного із структурними змінюваннями, зниженням пористості (до 2,5 %) та розміру пор (до 1,2 мкм).

Формування щільнішої структури поверхневого шару сприяє підвищенню твердості графітованих зразків від 18,4 HB (початковий стан) до 24,0 HB (стан максимального ущільнення). На наступному етапі дослідження даних зразків вивчали їх межу міцності під час вигину (s_в^виг). Встановлено, що величина зазначеного показника зростає з 7,2 МПа (графіт у початковому стані) до 14,8 МПа (графіт із дифузійним шаром міді до 700 мкм). Такі змінювання межі міцності пов’язані, в першу чергу, із структурним змінюванням у поверхневих шарах і формуванням зміцнюючого каркаса на основі електролітичної міді між зернами графіту. Зовнішнє мідне покриття (до 200 мкм) підвищує характеристики міцності та знижує питомий електричний опір графітованого матеріалу.

Фрактографічні дослідження зразків графітованих матеріалів із покриттям дозволили встановити мікроструктурне руйнування та пояснити характер підвищення їх механічних властивостей.

Аналіз структурного стану зломів показав, що для початкового зразка характерним є внутрішньозеренне та міжзеренне руйнування. За дифузійним насиченням графітованого зразка міддю на глибину до 300 мкм спостерігали як зменшення кількості пор (до 14 %) і зниження їх середнього розміру (до 3,3 мкм), так і появу ділянок в’язкого зламу за включеннями міді в графіті, розташованими переважно в порах. Глибше насичення міддю (до 500 мкм) сприяє не тільки зниженню пористості зразків і зменшенню розміру їх пор, але, перш за все, армуванню графітованого матеріалу в’язкими включеннями міді. Таке формування структури призводить до переведення зломів із крихкого, переважно, на в’язкий стан. Поверхневий шар електролітичної міді товщиною до 200 мкм, що міцно пов’язаний з дифузійним шаром, руйнувався за в’язким механізмом із переходом на в’язкокрихке руйнування у міру поглиблення дифузійного шару [2].

Література:

1. Тарасов В.К., Жук А.Я. Повышение стойкости графитированных электродов руднотермических печей // Состояние, проблемы и направления развития производства цветных металлов в Украине: сб. научн. трудов. – Запорожье: ЗГИА, 1997. – С. 387-390.

2. Воденніков С.А., Слинько Г.І. Мікромеханізм руйнування пористих матеріалів з композиційним покриттям // 9-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків (20-22 травня 2009 р., Львів): праці. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД, 2009. – С. 13-14.