Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
The methods of obtaining consumable electrodes from some hard refractory carbides of transition metals of cylindrical shape with a ratio of length to diameter greater than 10 mm on their density and its distribution along the length of the electrode were analyzed. The data obtained during the study...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2026
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/328 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1870287593322577920 |
|---|---|
| author | Степанчук, А.М. |
| author_facet | Степанчук, А.М. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "А.М. Степанчук",
"institution": "Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» (Київ, Україна)"
}
] |
| author_sort | Степанчук, А.М. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-09T11:02:55Z |
| description | The methods of obtaining consumable electrodes from some hard refractory carbides of transition metals of cylindrical shape with a ratio of length to diameter greater than 10 mm on their density and its distribution along the length of the electrode were analyzed.
The data obtained during the study of the processes of obtaining electrodes from carbides of titanium, zirconium, niobium, chromium, molybdenum and tungsten, which are most widely used for the manufacture of powder products from them and the creation of wear-resistant coatings with their participation for multifunctional purposes, were analyzed.
The conditions for obtaining electrodes by hot pressing, mouthpiece pressing, and pressing of blanks in a collapsible mold with subsequent sintering were considered. The influence of the method and modes of obtaining electrodes on their density, its distribution along the length was considered. The nature of these properties and the possibility of obtaining them with predetermined values are revealed.
The influence of the method and modes of obtaining electrodes on their operational properties, in particular heat resistance, which is a defining requirement for electrodes, is also considered. High heat resistance ensures a stable melting process and the production of castings with a uniform distribution of the content of the casting components and structure. A mechanism for the formation of high heat resistance is proposed, which consists in the presence of porosity evenly distributed over the volume in the electrodes.
The optimal conditions for obtaining electrodes that provide the greatest thermal stability have been established. It has been shown that the highest values are obtained for electrodes with a uniform density distribution along the length and a porosity of 10–15 %.
The most suitable methods for manufacturing electrodes are die pressing and pressing in collapsible molds with subsequent sintering. |
| doi_str_mv | 10.15407/steelcast2026.02.022 |
| first_indexed | 2026-07-10T01:00:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
22 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
СПЕЦЕЛЕКТРОМЕТАЛУРГІЯ
SPECIAL ELECTROMETALLURGY
_____________________________________________________________________________________
Стаття опублікована на умовах відкритого доступу за ліцензією CC BY license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026, № 2 (345), 22-36
https://doi.org/10.15407/steelcast2026.02.022
УДК 621.762
А.М. Степанчук, канд. техн. наук, проф., проф. кафедри, e-mail: anstepanchuk6@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0002-0363-5226
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
(Київ, Україна)
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких
сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
Проведено аналіз методів отримання витратних електродів з деяких твердих тугоплавких карбідів перехідних
металів циліндричної форми зі співвідношенням довжини до діаметра більшого 10 мм на їх щільність і її розподіл
по довжині електрода.
Проведено аналіз даних, отриманих під час вивчення процесів отримання електродів з карбідів титану, цирко-
нію, ніобію, хрому, молібдену та вольфраму, які найбільш широко використовуються для виготовлення порошко-
вих виробів з них та створення за їх участю зносостійких покриттів багатофункціонального призначення.
Розглядались умови отримання електродів гарячим пресуванням, мундштучним пресуванням, пресуванням
заготівок в розбірній прес-формі з наступним спіканням. Розглядався вплив методу і режимів отримання елек-
тродів на їх щільність, її розподіл по довжині. Розкривається природа цих властивостей та можливість їх отриман-
ня з наперед заданими значеннями.
Також розглянуто вплив методу та режимів отримання електродів на їх експлуатаційні властивості, зокрема
термостійкість, яка є визначальною вимогою до електродів. Висока термостійкість забезпечує стабільний про-
цес плавлення та отримання виливків з рівномірним розподілом вмісту складових виливків та структурою. За-
пропоновано механізм формування високої термостійкості, який полягає у наявності в електродах рівномірно
розподіленої за об’ємом пористості.
Встановлені оптимальні умови отримання електродів, які забезпечують найбільшу термостійкість. Показано,
що найвищі її значення мають електроди з рівномірним розподілом щільності по довжині і пористістю 10—15 %.
Найбільш придатними методами виготовлення електродів є мундштучне пресування та пресування в розбір-
них прес-формах з наступним спіканням.
Ключові слова: електрод, тугоплавкі сполуки, карбіди, дугова плавка, мундштучне пресування, гаряче пресу-
вання, прес-форма.
Вступ. У теперішній час розробка но-
вих матеріалів методами порошкової
металургії, особливо інструментального,
конструкційного призначення, зносостійких
матеріалів, матеріалів спеціального призначен-
ня, наплавлювальних матеріалів, напилювання
зносостійких покриттів газотермічними методами,
абразивних та багато інших матеріалів [1—13] ши-
роке застосування знаходять порошки твердих туго-
плавких сполук — сполук тугоплавких металів 1Va–
V1a підгрупи таблиці Д.І. Менделеєва з вуглецем,
бором, азотом та кремнієм [2], [4], [13]. Розробка
нових матеріалів за їх участю з наперед заданими
властивостями методами порошкової металургії, а
також традиційними методами лиття вимагає знань
їх властивостей, які у свою чергу залежать від методу
їх отримання [2—4], [8], [9], [13], [14].
Аналіз відомих на даний час літературних даних
показує, що властивості тугоплавких сполук у деяких
випадках суперечливі і значно відрізняються один
від одного за твердістю, характеристиками міцності,
стійкістю до зношування, абразивною здатністю,
електрофізичними характеристиками та іншими вла-
стивостями. Різниця у значеннях властивостей, отри-
маних різними авторами, може бути обумовлено тим,
що їхнє вивчення переважно проводили на зразках,
23ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
отриманих різними методами порошкової металургії,
і, як наслідок, вони відрізнялися за вмістом основних
компонентів, домішок і за щільністю [2], [3], [6], [14],
[16].
Найбільш достовірними слід вважати значення ве-
личин, що отримані на монокристалічних зразках [17].
Матеріал в таких зразках має досконалу структуру,
практично не містить домішок та має стовідсоткову
щільність. У першому наближенні до таких зразків
можна віднести зразки плавлених твердих тугоплав-
ких сполук, у яких відсутня пористість, відносно ма-
лий вміст домішок та інші переваги [13—17].
Для отримання матеріалів за участю твердих туго-
плавких сполук використовують їхні вихідні порошки,
що одержують у процесі синтезу з металів і вуглецю
або відновленням-навуглецюванням вихідних оксидів
[13]. Водночас за необхідності отримання порошків з
необхідним розміром частинок (від ультрадисперсно-
го до грубого) змінюють умови технологічного проце-
су їхнього отримання [13], [17].
У ряді робіт показано, що використання порошків
плавлених тугоплавких сполук або їх отримання як
структурної складової в кінцевому матеріалі виробу,
може значно підвищити експлуатаційні властивості
матеріалів за їхньою участю, як це має місце в
інструментальних матеріалах, матеріалах для
абразивної і магнітно-абразивної обробки деталей
[18—20]. Останнє обумовлене монокристальністю
частинок, високою міцністю, що значно перевищує
міцність частинок, отриманих традиційними метода-
ми порошкової металургії [19], [20].
Враховуючи викладене, актуальним є
відпрацювання процесів (технологій) отриман-
ня плавлених твердих тугоплавких сполук. Огляд
методів їхнього отримання, зокрема карбідів
перехідних металів, наведено в [13].
Аналіз літературних джерел показує, що відомості
з отримання плавлених в низькотемпературній
плазмі карбідів під тиском газу в робочій камері з ме-
тою управління їх фазовим та хімічним складом і, як
наслідок, властивостей кінцевого продукту обмежені.
Тому актуальним також є проведення досліджень
з одержання плавлених твердих тугоплавких сполук,
результати яких можуть бути корисними для встанов-
лення механізмів формування властивостей виробів
з використанням сучасних технологій електророз-
рядного спікання заготівок виробів, 3D друку [21],
електроімпульсного та інших методів з використан-
ням високоенергетичних джерел енергії з локальним
нагріванням матеріалів до надплавильних темпера-
тур, які значно перевищують температуру їхнього
плавлення. За цих умов може відбуватись їхня
дисоціація з наступним інконгруентним випаровуван-
ням складових [13], [22]. У разі карбідів це є переваж-
не випаровування вуглецю [16], [17]. Наслідком цього
є зміна хімічного і фазового складу кінцевого продук-
ту і його властивостей [16], [17]. Одним з варіантів
попередження цих процесів, як показано в [17, [19],
отримання матеріалів бажано проводити в автокла-
вах за високого тиску інертного або активного газу. У
цьому випадку буде відбуватись пригнічення випаро-
вування складових матеріалу і не буде відбуватись
зміна їх хімічного і фазового складу і, як наслідок,
кінцевих властивостей матеріалу і виробу з нього
у цілому. Окрім того, штучно змінюючи умови (тиск
газу, щільність струму дуги), можливо отримувати
матеріали з наперед заданими властивостями.
Найбільш прийнятним методом отримання литих
тугоплавких сполук є плавка за допомогою витрат-
них електродів в дуговій печі під тиском захисного
або активного газу в робочій камері для пригнічення
випаровування газоподібних продуктів їх дисоціації,
принципова будова якої наведена в роботах [3], [13].
Схему печі показано на рис. 1.
Одним з важливих моментів отримання литих ту-
гоплавких сполук в такій печі є отримання вихідних
витратних електродів (рис. 1, 11), від властивостей
яких, як показано в роботах [23], [24], багато у чому
залежить якість виливків та властивості отриманої
литої тугоплавкої сполуки. Тому однією з актуальних
задач під час отримання литих тугоплавких сполук є
розробка методів та оптимізація отримання витрат-
них електродів з заданими властивостями.
Мета роботи. Метою роботи було аналіз методів
отримання витратних електродів циліндричної фор-
ми з відношенням довжини до діаметра більше 10
на їх щільність і її розподіл по довжині. Також перед-
бачалось аналіз впливу методу і режимів отримання
Камера установки для отримання плавлених тугоплавких
сполук (ТС) під тиском захисного (активного) газу у робочій камері:
1 — штуцер для введення газу; 2 ,15, 20 — струмопідводи; 3 —
нижній фланець; 4, 16 — текстолітові ізоляційні прокладки; 5, 17
— гумові прокладки; 6 — корпус камери; 7 — графітовий екран;
8 — графітовий нагрівник; 9 — графітова підставка; 10 — тигель;
11 — витратний електрод; 12 — графітове притискне кільце; 13
— мідна притискна гайка; 14 — сталевий фланець; 18 — голівка;
19 — нарізний хвостовик; 21 — муфта; 22 — гумове кільце; 23 —
гайка; 24 — утримувач електрода; 25 — шпилька; 26 — оглядове
вікно; 27 — графітовий перехідник
Рис. 1.
24 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
електродів на їх термостійкість (стійкість електродів
проти руйнування під час нагрівання їх із швидкістю
600—800 град/с., що має місце під час утворення
дуги на початку плавки). Передбачалось отримання
електродів з деяких карбідів перехідних металів як
таких, що знаходять найбільш широке застосування.
Результати роботи та їх аналіз. У роботі про-
водився аналіз умов отримання електродів з деяких
карбідів перехідних металів. Розглядались методи
виготовлення електродів за технологіями порошкової
металургії. Такими як пресування в розбірних прес-
формах з подальшим спіканням; мундштучне пресу-
вання заготівок з наступним їх спіканням; радіальне
ізостатичне пресування з подальшим спіканням; га-
ряче пресування. В усіх випадках передбачається як
вихідний матеріал використання порошків карбідів,
отриманих синтезом з елементів [13], склад яких на-
ведений в табл. 1.
Таблиця 1
Умови отримання та склад вихідних порошків карбідів
Карбід Температура, ºС Термін витримки, хв
Вміст, %
Ме Сзаг. Свільн.
TiC 1900 100—120 79,0 20,1 0,21
ZrC 1900 90—100 88,4 11,0 0,16
NbC 1750 90—100 88,3 11,1 0,14
Cr3C2 1600 80—90 86,1 12,64 0,14
Mo2C 1500 80—90 94,3 5,36 0,12
WC 1550 80—90 93,7 6,08 0,08
У більшості випадків для плавки тугоплавких спо-
лук за допомогою витратних електродів до них став-
ляться наступні вимоги:
а) достатня механічна міцність і термічна стійкість;
б) висока електропровідність;
в) у разі отримання чистих плавлених матеріалів
вміст мінімальної кількості домішок;
г) рівномірна щільність по довжині.
Оскільки карбіди перехідних металів мають ви-
соку температуру плавлення, то для їх розплавлен-
ня в дузі потрібні великі струми. Збільшення струму
за постійного режиму генератора можна досягти
збільшенням електропровідності електродів, або
збільшенням їх діаметра.
Електропровідність матеріалу можна збільшити,
зменшуючи його пористість. Звідси випливає, що ме-
тод виготовлення електродів повинен забезпечувати
достатню їх щільність. Геометричні розміри електродів
лімітуються наступними умовами: зі збільшенням
діаметра збільшується електропровідність, а
збільшення довжини сприяє збільшенню загального
опору, що призводить до нерівномірного розподілу
температур по довжині електрода під час виникнення
дуги, внаслідок чого можливе його руйнування.
Нижче розглянемо результати досліджень умов от-
римання витратних електродів методами порошкової
металургії, які можуть застосовуватись для отриман-
ня довгомірних виробів.
Гаряче пресування. Метод гарячого пресуван-
ня дозволяє поєднати процес пресування і спікання
виробів за температур 0,5—0,8 від температури
плавлення матеріалу [25]. Процес спікання методом
гарячого пресування відбувається набагато швидше
[25], [26], ніж під час вільного спікання.
Згідно з сучасними уявленнями [25], [26] під час
спікання порошків у твердій фазі відбувається в’язкий
чи пластичний плин матеріалу під дією капілярного
тиску (Лапласівського тиску), що діє всередині пор і
рівний:
,
σ
=Р
rл
2
(1)
де σ — поверхневий натяг; r — радіус пори.
Ці сили виконують роботу з ущільнення матеріалу,
яка визначається згідно з [25], як:
σ
⋅ .
τ
dS
V d
(2)
Більш високі швидкості ущільнення під час
спікання порошків гарячим пресуванням на відміну
від звичайного (вільного) спікання зумовлені тим, що
до капілярного тиску 2σ/r додається зовнішній тиск:
⋅ ,
τ
P dV
V d
(3)
де σ — поверхневий натяг; Р — тиск прикладений
ззовні; V — об’єм матеріалу, що ущільнюється.
Метод спікання гарячим пресуванням зазвичай
застосовують для виготовлення виробів з матеріалів,
які важко піддаються холодному пресуванню (бо-
рид, силіциди, карбіди). Крім того, як відзначається
в роботі [25], гаряче пресування має важливі пере-
ваги, оскільки за рахунок відсутності однієї операції
(спікання) скорочується кількість необхідного устат-
кування, процес менш чутливий до властивостей
порошків, часто можна отримати вироби з кращими
властивостями, ніж це дає пресування в металевих
прес-формах з наступним спіканням.
У роботі проведено аналіз умов отримання ви-
тратних електродів з карбідів титану, цирконію, ніобію
25ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
і вольфраму для плавки їх в дуговій печі з метою от-
римання їх відносно однакової щільності по довжині.
Так в роботі [24], як вихідні, використовували порош-
ки карбідів, характеристики яких наведено в табл. 1.
Спікання гарячим пресуванням можна проводити
на установці з важільно-механічним навантажен-
ням [27]. Використовувалися графітові прес-форми
зовнішнім діаметром 30 мм, внутрішнім від 10 до
18 мм і завдовжки до 140 мм. Заздалегідь внутрішні
стінки прес-форми футерувались нанесенням водної
суспензії з нітриду бору, щоб уникнути припікання
карбіду до стінок прес-форми і його взаємодії з
графітом прес-форми. Порошок карбіду засипався
в прес-форму і ущільнювали вібрацією. Після цього
прес-форма розміщувалась між струмопідводами
пресу, де і проводилось її нагрівання з одночасним
вантаженням пуансона. Отримання електродів за-
вдовжки 100—120 мм та діаметром 12, 14, 16, 18 мм
проводилось за тиску 3,2, 6,4 та 10,6 МПа. Темпера-
тура пресування складала 2500 °С для карбідів TiC,
ZrC, 2600 °С для карбіду ніобію NbC і 2300 °С для
карбіду вольфраму WC. Час спікання складав 10—
12 хв.
Вимірювалася середня пористість отриманих
електродів і її розподіл по довжині. Електроди з усіх
карбідів мали приблизно однакову пористість, а
розподіл її по довжині залежить від діаметра електро-
да і умов пресування (рис. 2—4), особливо від при-
кладеного тиску. Найбільш нерівномірно розподілена
щільність у електродів діаметром 12 мм, спресованих
за навантаження 10,6 МПа. Це пояснюється впливом
на процес ущільнення внутрішнього і зовнішнього
тертя [28]. Зі зменшенням діаметра електрода згідно
з формулою [28]:
− µξ
,= D
h
hP Pe
4
(4)
де Р — прикладений тиск; µ — коефіцієнт тертя
матеріалу об стінки прес-форми; ξ — коефіцієнт
бічного тиску; h — висота пресовки; D — діаметр
пресовки, збільшується боковий тиск і, тим самим,
сила тертя об стінки прес-форми, на подолання
якої витрачається частина прикладеного тиску. То-
му зі збільшенням висоти (довжини) електрода тиск
зменшується у міру віддалення від місця його при-
кладання. Унаслідок цього частина електрода, про-
тилежного від місця прикладання навантаження,
спікається тільки за рахунок сил поверхневого на-
тягу [25] і, як наслідок, в результаті цього щільність
виявляється меншою.
Крім того, відбувається зменшення діаметра
електрода у міру віддалення від місця прикладання
навантаження, оскільки зовнішнього тиску буде не-
достатньо для подолання сил поверхневого натягу
(Лапласівських сил), протидіючих заповненню прес-
форми карбідом під дією зовнішніх сил. Збільшення
діаметра прес-форми (електрода) за постійного
зовнішньому тиску, сприяє більш рівномірному
розподілу щільності по висоті (довжині) електрода.
Збільшення прикладеного тиску, за постійного
Залежність пористості від довжини електродів різного
діаметра (мм) з карбіду титану за тиску гарячого пресування
Р = 3,2 МПа: 1 — 12; 2 — 14; 3 — 16; 4 — 18
Рис. 2.
Залежність пористості від довжини електродів різного
діаметра (мм) з карбіду титану за тиску гарячого пресування
Р = 6,5 МПа: 1 — 12; 2 — 14; 3 — 16; 4 — 18
Рис. 3.
Залежність пористості від довжини електродів різного
діаметра (мм) з карбіду титану за тиску гарячого пресування
Р = 10,6 МПа: 1 — 12; 2 — 14; 3 — 16; 4 — 18
Рис. 4.
26 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
діаметра, призводить до збільшення бічного ти-
ску і, відповідно, сили тертя об стінки прес-форми.
У зв’язку з цим, ймовірно, відбувається своєрідне
«заклинювання» верхнього шару пресованого елек-
трода і, тим самим, утруднюється передача тиску
на шари, що знаходяться нижче. Результатом цьо-
го також є нерівномірний розподіл щільності по
довжині електрода. Як показують результати плавок
електродів, виготовлених за різних режимів гарячо-
го пресування, найбільш стійкими проти термічного
удару, що виникає під час загоряння дуги, є електро-
ди діаметром 18 мм (H/D = 4), спечені за відповідних
температур і витримках для різних карбідів за тисків
6,4—10,6 МПа. Це може бути зумовлене тим, що такі
електроди мають найбільш рівномірний розподіл
щільності по довжині і у зв’язку з цим найменший
перепад температур по довжині в початковий період
плавки.
Мундштучне пресування. У порівнянні з іншими
методами пресування заготівок метод мундштучного
пресування з наступним спіканням є найбільш пер-
спективним для виготовлення циліндричних виробів
з великим відношенням висоти до діаметра (великої
довжини). Найбільш характерними перевагами цього
методу є велика продуктивність, відносна простота
і забезпечення необхідної якості заготівок відносно
рівномірного розподілу щільності по довжині і об’єму
виробу. Теоретичні і технологічні основи і методи
мундштучного пресування детально розглянуті в ро-
ботах [26], [28—30]. У зв’язку з цим, в роботі не пе-
редбачалось їх розгляд (аналіз), а тільки деяке уточ-
нення відомих вже режимів і, головним чином, отри-
мання методом мундштучного пресування витратних
електродів з деяких тугоплавких карбідів для плавки
в дуговій печі, а також порівняння їх властивостей з
властивостями електродів, отриманих іншими мето-
дами.
Як відомо [25], [26], порошки карбідів перехідних
металів мають низьку пресуємість, у зв’язку з чим для
їх пресування потрібні пластифікатори [26], [29], [30].
Від виду пластифікатору залежить якість та склад
заготівок, виготовлених методом мундштучного пре-
сування. У загальному випадку пластифікатор пови-
нен мати наступні властивості:
а) надавати заготівкам жорсткості, достатньої для
маніпулювання з ними;
б) забезпечувати можливість спікання заготівель
без попереднього відгону пластифікатору;
в) повністю видалятись з заготівок під час
спікання, не впливати на процес спікання і не всту-
пати у взаємодію з основним матеріалом і середо-
вищем печі. Найбільш широке застосування залежно
від виду виробів, що виготовляються, і матеріалу, що
використовується, знайшли пластифікатори, харак-
теристика яких наведена в табл. 2 [28]. Якщо внесен-
ня домішок в карбіди під час їх плавлення є небажа-
ним, то як пластифікатор доцільно використовувати
парафін.
Для виготовлення заготівок витратних електродів
з карбідів та інших виробів зазвичай використову-
ють порошки карбідів (табл. 1) з розміром частинок
меншим за 160 мкм (за необхідності меншим). У
випадку використання як пластифікатору парафіну
для приготування пластифікованої суміші, яку вико-
Таблиця 2
Характеристика пластифікаторів [28]
Пластифікатор
Співвідношення роз-
чинника і речовини
Вміст, %
попіл кокс
Парафін
Розчин парафіну і бензину
Розчин парафіну в бензолі
Розчин каучуку в бензині
Розчин полівінілового спирту у воді
Крохмальний клейстер
Розчин сополіаміду в спирті
Розчин метилцелюлози у воді
—
2:1
2:1
10:1
4:1
4:1
5:1
5:1
0
0
0
0,94
0,58
2,45
0
2,05
0
0
0
1,55
1,15
6,75
0
4,35
ристовують для формування заготівок, такі порош-
ки карбідів змішують з парафіном за температури
80—90 ºС до отримання густої сметаноподібної маси.
Парафін вводиться у кількостях, вказаних в табл. 3.
Для з’ясування оптимального вмісту його в суміші
забезпечують необхідні його властивості відносно
пластичної міцності, пластичної в’язкості, характеру
кривих витікання і тиску витікання [26], [28], які за-
лежать від властивостей вихідних порошків і впли-
вають на процес формування під час мундштучно-
го пресування властивостей заготівок і спечених
виробів. Виготовлену таким чином суміш пресують
одностороннім пресуванням у брикети діаметром,
відповідним до діаметра прес-форми для мундштуч-
ного і заввишки 10—15 мм. Брикетування проводить-
ся для видалення повітря з суміші, яке може призве-
сти до виникнення в спечених виробах «пузирчастої»
пористості, і для більш рівномірного розподілу
щільності в об’ємі заготівки і кінцевого виробу з неї.
Пресування можна проводити в прес-формі для
мундштучного пресування (рис. 119, [26]). У випад-
ку використання як пластифікатору парафіну ма-
триця прес-форми попередньо нагрівається в печі
з ніхромовим нагрівачем до температури 60 ºС.
Основними умовами (характеристиками) пресу-
вання заготівок витратних електродів з карбідів під
час мундштучного пресування є характеристики,
наведені в табл. 3.
Аналіз даних [24] показує, що за вмісту парафіну
в суміші близько 5—7 % (залежно від порошку
27ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
карбіду) тиск витікання не стійкий (стрибкоподібний
рух пуансона [26]). Зі збільшенням вмісту парафіну
тиск витікання досягає цілком визначеного значен-
ня і зменшується за подальшого збільшення вмісту
пластифікатору з одночасним зростанням пористості
заготівок. Виходячи з теорії витікання речовини через
отвір, розробленої Н.С. Курнаковым та іншими [26],
можна вважати, що такі суміші є в’язко-пластичні тіла
Бингама-Шведова, що відповідає вимогам до них.
Відомо [26], [28—30], що ущільнення у процесі
мундштучного пресування карбідів, а також інших
тугоплавких сполук відбувається не за рахунок
пластичної деформації частинок, яка не властива
для них, а внаслідок особливого виду деформацій
(структурна деформація), під час якої відбувається
переміщення частинок одна відносно одної з на-
ступною більш щільною їх укладкою та заповнен-
ня порожнин між ними. За малого вмісту парафіну
(5—8 % залежно від властивостей порошку карбіду),
стрибкоподібне витікання пластифікованої суміші з
порушенням суцільності заготівель можна пояснити
тим, що у цьому випадку пластифікатору недостат-
ньо для забезпечення переміщення частинок без за-
чеплення їх одна з одною. Внаслідок тертя частинок
одна об одну і об стінки прес-форми відбувається
утворення конгломератів, в яких між частками по-
рошку відсутній пластифікатор. Для течії суміші
потрібне руйнування утворених конгломератів,
що пов’язано з необхідністю докладання додатко-
вих зусиль, внаслідок чого зрештою відбувається
стрибкоподібна зміна тиску витікання і порушення
суцільності заготівок. Зі збільшенням вмісту парафіну
прошарок його між частинками також збільшується,
що сприяє рівномірному ущільненню (укладанню)
частинок у процесі переміщення їх у процесі обти-
скання під час пресування. Однак у цьому випад-
ку відбувається збільшення пористості заготівок у
зв’язку зі збільшенням в них долі пластифікатору
(рис. 5).
Оптимальними умовами виготовлення заготівок
витратних електродів методом мундштучного пресу-
вання слід вважати наведені в табл. 4.
Виготовлені за оптимальних умов заготівки
спікають. Зазвичай спікання пластифікованих
заготівок за участю парафіну проводять у дві стадії:
1 — видалення пластифікатору (парафіну); 2 —
кінцеве спікання. У разі суміщення процесу вида-
лення парафіну і спікання використовують двозонні
Таблиця 3
Режими отримання витратних електродів з порошків карбідів методом мундштучного пресування
Карбід Кількість парафіну, % Тиск витікання, МПа Пористість заготівок, %
TiC
5
6
6,8
8,5
9,2
215
200
190
140
60
42—61
40—60
44—53
46
66
ZrC
7,0
7,5
8,0
9,0
185
150
90
65
40—52
44
51
60
NbC
6
7
8
9
198
173
150
86
46—53
46—49
51
62
WC
6
6,8
7,5
8,5
9,0
180
144
114
86
63
45—49
43
52
60
66
Мо2С
7,0
8,0
9,0
10,0
190
140
91
56
42—51
49
54
62
Cr3C2
6,0
7,0
8,0
10,0
194
140
91
54
40—44
46
54
66
28 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
печі [31]. Перша, низькотемпературна зона печі, при-
значена для відгону пластифікатору, є піччю опору з
ніхромовим нагрівником і кварцевим муфелем, яка
поєднана з піччю Таммана, призначеною для оста-
точного спікання електродів. У випадку двостадійного
спікання процес видалення парафіну проводять у
муфельній печі за режимом, наведеним на рис. 6 [28].
Такий режим видалення парафіну зумовле-
ний наступним. Відомо [28], що під час нагрівання
пластифікованих заготівок парафін з них
видаляється спочатку в рідкому стані, а потім вигорає
або випаровується. Видалення у рідкому стані
відбувається за рахунок капілярного ефекту, який
створює засипка з дрібнозернистого алюмінію (ко-
рекс). Видалення парафіну за рахунок випаровуван-
ня пов’язано з дифузійними процесами у газовій фазі
по поровим каналам. У цьому випадку необхідно за-
безпечувати молекулярний режим дифузії. У випадку
виникнення Кнудсенівського режиму [13] можливе ут-
ворення тиску газу (пару парафіну) в об’ємі заготівки,
що може бути причиною виникнення несуцільностей,
розтріскування та їх здуття. Для попередження цих
процесів швидкість нагрівання до температур 350—
450 ºС має бути досить повільною (рис. 5). Вона за-
Залежність пористості «сирих» заготівок від вмісту
парафіну у суміші: 1 — WC; 2 — Cr3C2; 3 — Mo2C; 4 — NbC; 5 —
ZrC; 6 — TiC
Рис. 5.
Таблиця 4
Оптимальні режими мундштучного пресування карбідів
Карбід TiC ZrC NbC Cr3C2 Mo2C WC
Тиск витікання, МПа 140 150 150 140 130 140
Вміст парафіну, % 8,5 7,5 8 7 8 6,8
Пористість, % 46 44 51 46 49 43
лежить від конфігурації виробу, гранулометричного
складу початкових порошків і ряду інших чинників.
Для випадку спікання витратних заготівок
електродів, виготовлених з порошків карбідів та
розміром частинок меншим за 160 мкм, діаметром
до 20 мм, процес видалення парафіну без порушен-
ня суцільності заготівок для усіх карбідів, які розгля-
даються в роботі, приблизно однаковий і полягає
у підйомі температури зі швидкістю 20 град/хв до
250—300 ºС, витримці за цієї температури впродовж
1,5—2-х год, з подальшим підйомом температури до
450 ºС зі швидкістю 1,5—2 град/хв і витримці за цієї
температури впродовж 1-ої години. Після видалення
парафіну піддони із заготівками проштовхують у дру-
гу зону печі (Таммана), де і відбувалося їх остаточне
спікання за режимами, наведеними в табл. 5.
У випадку двостадійного спікання після видален-
ня парафіну за температури 450 ºС температуру
збільшують до 800—900 ºС з витримкою 1 год для
попереднього спікання заготівок з метою надання їм
необхідної міцності для подальшого маніпулювання
з ними. Спікання на другій стадії проводять окремо в
печі Таммана за тих же режимів (табл. 5).
Пресування заготівок електродів з
пластифікованої суміші з наступним їх спіканням.
Окрім описаних вище методів отримання виробів
з великим відношенням висоти до діаметра з туго-
плавких з’єднань, можна застосовувати метод пресу-
вання в спеціальних розбірних прес-формах (рис. 7),
під час пресування в яких зусилля спрямоване пер-
пендикулярно довгій стороні (виконується умова для
одновісного пресування Н(D)/d(L) [28]), з подальшим
спіканням заготівок. В цьому випадку нерівномірність
Оптимальний режим видалення зв’язки із заготівок
(виробів) тугоплавких сполук з товщиною стінок 10 мм
Рис. 6.
29ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
розподілу щільності по довжині виробів залежить пе-
реважно від розподілу вихідної шихти у прес-формі
перед пресуванням і її якості.
У зв’язку з низькою пресуємістю порошків туго-
плавких сполук для їх ущільнення необхідно засто-
совувати пластифікатор. Виходячи з технологічності і
характеристик, наведених в табл. 2, як пластифікатор
доцільно використовувати 5%-ний розчин
полівінілового спирту у воді. Приготування шихти для
пресування проводять шляхом змішування порош-
ку карбіду з 20 об. % розчину полівінілового спирту
до утворення густої тістоподібної маси рівномірної
вологості. Отриману таким чином суміш сушать у
вакуумній сушильній шафі за температури 90 ºС
впродовж 45 хв до вологості 5—6 %, а потім гранулю-
ють протиранням через сито з сіткою № 08. Зазвичай
заготівки витратних електродів діаметром 16—18 мм
і довжиною 120—160 мм пресують в розбірній прес-
формі (рис. 7).
Аналіз процесів ущільнення показує (рис. 8) [24],
що щільність заготівок зі збільшенням тиску пресу-
вання від 100—200 МПа до 400—500 МПа інтенсивно
збільшується і за подальшого збільшення тиску до
700—800 МПа змінюється незначно. Мало того,
збільшення тиску у цих межах призводить до виник-
Таблиця 5
Режими спікання витратних електродів, виготовлених методом мундштучного пресування
Карбід Час нагрівання до
температури спікання, хв Час спікання, хв Температура
спікання, ºС Щільність електродів, %
ТiC
90
85
80
75
60
60
60
60
2200
2100
2000
1900
90—88
86—84
82—80
79—77
ZrC
90
85
80
75
60
60
60
60
2200
2100
2000
1900
86—84
82—81
78—76
75—77
NbC
90
85
80
75
60
60
60
60
2200
2100
2000
1900
88—86
84—82
81—80
76—75
Cr3C2
70
67
65
60
45
45
45
45
1800
1750
1700
1600
90—89
89—88
85—83
79—78
Mo2C
70
67
65
62
45
45
45
45
1850
1750
1700
1650
89—87
80—78
75—73
70—69
WC
78
75
72
70
30
30
30
30
1950
1900
1850
1800
89—87
88—86
80—77
74—73
Розбірна прес-форма:1 — пресовка; 2 — нижній пуансон;
3 — верхній пуансон; 4 — щоки; 5 — струбцина
Рис. 7.
нення розшарувань в заготівках і, як наслідок, виник-
нення в них несуцільностей під час спікання. Однією
з причин розшарування пресовок за збільшення ти-
ску пресування може бути за рахунок порушення ша-
ру пластифікатору, який оточує частинки, і тим самим
зменшується їх зчіплюваність в пресовці.
Оптимальним тиском пресування карбідів, що
30 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
розглядаються в роботі, слід вважати тиск у межах
400—500 МПа, що може бути пов’язано переважно
з приблизно однаковим розміром частинок порошків
різних карбідів, що свідчить про їх основний вплив, за
рівних інших умов, на процес ущільнення. Пористість
«сирих» заготівок може коливатись для різних
карбідів в межах 35—40 %.
Зазвичай пресування проводять на гідравлічних
пресах з зусиллям 500 кН. Наважку гранульованої
пластифікованої суміші засипають в прес-форму і
вирівнюють її по висоті. Отримані заготівки сушать
у вакуумній сушильній шафі за температури 80—
120 ºС протягом 4-х годин для видалення вологи.
Спікання пластифікованих заготівок можна
здійснювати двома методами. За першим — спікання
здійснюється за режимами, наведеними в табл. 6, в
печі Таммана із застосуванням як захисного середо-
вища осушеного аргону. Крім того, для попереджен-
ня взаємодії матеріалу заготівок з середовищем печі
їх розміщують у графітовому човнику (піддоні) з вико-
ристанням як засипки гранульованого порошку того ж
складу або графітової крупки.
За другим — можливе спікання заготівок карбідів
Таблиця 6
Режими спікання пластифікованих заготівок, спресованих у розбірній прес-формі
Карбід Час нагрівання до
температури спікання, хв
Температура
спікання, ºС
Витримка за температури
спікання, хв Пористість, %
1 2 3 4 5
TiC 90—120 2400 90 8
ZrC 90—120 2400 90 14
NbC 90—120 2500 90 14
Cr3C2 60 1800 60 10
WC 60—90 1900 60 16
Залежність пористості зразків Cr3C2, спечених за темпе-
ратури 1600 ºС протягом 15 хв, від тиску газу у печі за різної вихідної
пористості за тиску пресування: 1 — 200 МПа; 2 — 300 МПа;
3 — 400 МПа
Рис. 9.
Залежність пористості пресовок карбідів від тиску пресу-
вання: 1 — NbC; 2 — TiC; 3 — ZrC; 4 — Cr3C2; 5 — WC
Рис. 8.
в автоклаві під тиском аргону, виходячи з припущен-
ня, що на процес спікання впливатимуть окрім сил
капілярного тиску, які є, як відомо [26], основними
рушійними силами спікання, також сили, обумовлені
тиском газу. Можна припустити, що останні, так са-
мо як і у разі гарячого ізостатичного пресування [26],
прискорюватимуть процес деформації (пластичної
течії) матеріалу і тим самим прискорюватимуть про-
цес ущільнення виробів під час спікання у цілому
[26]. Спікання за таким варіантом можна проводити
в установці для плавлення тугоплавких сполук під ти-
ском газу (рис. 1).
Вплив початкової пористості, часу витримки за
температури спікання на процес ущільнення за
різного тиску газу розглянемо на прикладі карбіду
хрому (Сr3C2). Як видно з рис. 9, 10, щільність виробів
збільшується за підвищення тиску до 2,0 МПа як
для витримок за температури спікання впродовж
15 хв, так і впродовж 30-ти хв. Збільшення тиску
до 4,0 МПа під час спікання впродовж 15 хв при-
зводить до уповільнення процесу ущільнення. Це
можна пояснити тим, що тиск усередині закритих
пор, що утворюються в процесі спікання, протидіє
як капілярним силам, так і силам, зумовленим ти-
ском газу в печі спікання. Крім того, можна припусти-
ти, що сили тиску газу в закритих порах на певному
проміжку часу спікання сприяють розриву контактів
між частками, і тим самим, зменшенню тиску газу в
31ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
Залежність пористості зразків Cr3C2, спечених за тем-
ператури 1600 ºС протягом 30 хв, від тиску газу у печі за різної
вихідної пористості, отриманих за тиску пресування: 1 — 200 МПа;
2 — 400 МПа
Рис. 10.
порах і вирівнюванню його з тиском в печі. Подальша
інтенсифікація процесу спікання за збільшення тиску
до 5,0 МПа за витримки 30 хв відбувається за тих же
причин, що і за спікання під час гарячого пресування.
Аналізуючи дані про спікання витратних електродів
з карбідів під тиском газу в печі, можна стверджува-
ти, що у цьому випадку скорочується час спікання, і
отримується висока їх якість (табл. 7).
Скорочення загального часу спікання пояснюється
наведеними вище міркуваннями відносно спікання
карбіду хрому, а також можливістю прискорено-
го нагрівання заготівок до температури спікання
(10—15 хв) без порушення їх форми і суцільності.
Останнє можна пояснити тим, що за наявності ви-
сокого тиску газу видалення газоподібних продуктів
розкладання пластифікатору відбувається не бурх-
ливо, а рівномірно у ламінарному режимі у процесі
нагрівання заготівок до температур спікання за ра-
хунок утруднення дифузії їх в газове середовище
печі. Застосування подібних режимів під час спікання
Таблиця 7
Хімічний склад електродів з NbC
Метод отримання
Склад, %
Ме Сзаг. Свільн. Ме + С
Вихідний порошок 88,30 11,4 0,34 99,7
Гаряче пресування 87,1 11,6 0,40 98,7
Мундштучне пресування з наступним спіканням в
двозонній печі 88,00 11,70 0,51 99,7
Пресування в розбірних прес-формах з наступним
спіканням в печі Таммана 87,85 11,70 0,40 99,55
Те ж саме з наступним спіканням під тиском газу 88,5 11,4 0,30 99,9
у печі Таммана за атмосферного тиску газового се-
редовища призводить до негативних результатів.
Відбувалося викривлення заготівок з виникненням в
них шпарин.
Термостійкість витратних електродів під час
їх плавлення. Під час отриманням литих карбідів за
допомогою плавлення витратних електродів важли-
ве значення має їх термостійкість, яка визначалась
автором в роботі [28] шляхом обробки статистичних
даних як відношення кількості електродів, що збере-
глися, до кількості зруйнованих на початку плавки за
рахунок різкого підйому температури у момент виник-
нення дуги.
Плавка витратних електродів, виготовлених
різними методами, дає можливість зробити висно-
вок, що електроди мають різну стійкість проти різкого
підвищення температури у момент виникнення дуги
(рис. 11).
З іншого боку, методи і режими виготовлення
електродів також впливають на режими плавки і
стійкість дуги. Останнє, ймовірно, частково можна
пояснити, виходячи з термостійкості карбідів, яка є
здатністю матеріалу протистояти без руйнування
різким тепловим змінам. Природа цієї властивості за-
лежить від теплопровідності, величини коефіцієнта
лінійного розширення, міцності, анізотропії
Залежність стійкості проти термічного удару електродів з
карбідів від температури їх спікання: 1 — NbC; 2 — WC; 3 — TiC;
4 — ZrC; 5 — Mo2C; 6 — Cr3C2
Рис. 11.
кристалічної ґратки, щільності, дисперсності струк-
тури, пластичності, геометрії виробу. Як прави-
ло, термостійкість підвищується зі збільшенням
теплопровідності, міцності і пластичності, зі змен-
шенням величини коефіцієнта лінійного розширення
і щільності. Зменшення дисперсності структури також
сприяє підвищенню термостійкості.
Руйнування від теплових ударів пов’язане з по-
явою в матеріалі локальної напруги і утворенням
32 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
тріщин під впливом цієї напруги. Металоподібні
тугоплавкі сполуки у більшості випадків мають погану
термостійкість через високу крихкість і відносно малу
теплопровідність. У зв’язку з вищевикладеним, пога-
ну стійкість проти термічного удару електродів з ве-
ликим відношенням висоти до діаметра, виготовле-
них методом спікання гарячим пресуванням (рис. 5),
можна пояснити нерівномірним розподілом щільності
по довжині електрода. Останнє призводить до ло-
кального перегрівання під час проходження струму
через електрод і, відповідно, до виникнення термічної
напруги, що призводить до руйнування електрода в
перший момент плавки.
Електроди, отримані методом мундштучно-
го пресування, а також методом пресування
пластифікованої суміші в розбірній прес-формі з по-
дальшим спіканням, мають більш високу стійкість
проти термічного удару, ніж електроди, отримані ме-
тодом спікання гарячим пресуванням. Проте, стійкість
проти термічного удару в цьому випадку залежить від
режимів спікання (щільності) заготівок. У електродів
з високою щільністю під час виникнення дуги, за ра-
хунок швидкого підвищення температури до 4500—
5500 ºС з’являються тріщини внаслідок причин, вка-
заних вище, що призводить до нестійкого горіння
дуги, її розриву за рахунок зміни електропровідності
електрода і навіть його руйнування.
Процес плавки електродів, спечених за більш
низької температури, які мають меншу щільність
(рис. 10), більш стійкий. У цьому випадку в умо-
вах плавки виникає нерівномірне розподілення
температур по перетину електрода. Температу-
ра поверхні виявляється нижче, ніж серцевини за
рахунок втрати тепла в навколишнє середовище,
особливо за наявності тиску газу в печі. Окрім того,
під час проходженні струму через електрод, через
малу контактну поверхню між частинками за малої
пористості відбувається їх локальне плавлення (осо-
бливо в центрі електрода), що, загалом, призводить
до підвищення пластичності електрода і, відповідно,
стійкості проти термічного удару.
Якщо розглядати вплив розглянутих методів виго-
товлення витратних електродів з точки зору чистоти
отриманого продукту, то, як видно з табл. 7, перевага
залишається за методами мундштучного пресування
і пресування в розбірних прес-формах з подальшим
спіканням в печі під тиском захисного газу. У цьому
випадку хімічний склад спечених електродів не знач-
но відрізняється від складу вихідних порошків.
Висновки
Проведено аналіз досліджень впливу методів і
умов отримання витратних електродів з тугоплавких
карбідів перехідних металів (TiC, ZrC, NbC, Cr3C2,
WC) для плавки в дуговій печі на їх щільність і її
розподіл по довжині. Надано інтерпретацію приро-
ди властивостей електродів з точки зору сучасних
уявлень про формування властивостей порошкових
виробів, зокрема термостійкості.
Встановлено, що на нерівномірний розподіл
щільності в електродах, отриманих статичним та
гарячим пресуванням, впливає зовнішнє тертя та
нерівномірний розподіл тиску пресування по довжині
електрода. Відсутність впливу цих факторів на ви-
користання для виготовлення електродів методу
мундштучного пресування та пресування в розбірних
прес-формах у напрямку довжини електрода з на-
ступним спіканням сприяє отримання їх з рівномірним
розподілом щільності по їх довжині.
Показано, що на термостійкість електродів впливає
пористість електродів. Вона зменшується зі змен-
шенням пористості. Найбільш високу термостійкість
мають електроди з рівномірним розподілом щільності
по довжині і пористістю 10–15 %.
Найбільш прийнятними методами виготовлен-
ня електродів є методи мундштучного пресування і
пресування в розбірних прес-формах з подальшим
спіканням.
ЛІТЕРАТУРА
1. Скороход В.В. Порошковые материалы на основе тугоплавких металлов и соединений. Киев: Техника, 1982. 167 с.
2. Samsonov G.V., Vinitski I.M. Handbook of Refractory Compounds. IFI. Plenum, New York, Washington, London, 1980. 568 p.
3. Степанчук А.Н. Прочностные и абразивные свойства плавленых тугоплавких соединений и инструментальных ма-
териалов на их основе. Современные спеченные твердые сплавы. Киев: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008.
С. 269—280.
4. Степанчук А.Н., Билык И.И., Бойко П.А. Технология порошковой металлургии. Киев: Выща школа, 1989. 415 с.
5. Shin S.G. Experimental and Simulation Studies on Grain Growth in TiC and WC-based Cermets during Liquid Phase Sintering.
Metals and Materials. 2000. Vol. 6. Iss. 3. P. 195—201. https://doi.org/10.1007/BF03028212
6. Степанчук А.Н. Плавленые тугоплавкие соединения для инструментальных материалов. Оборудование и инстру-
мент для профессионалов. 2008. № 6. С. 52—56.
33ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
7. Степанчук А.М., Білик І.І. Матеріали для напилювання покриттів: Навч. посібн. Київ: Центр учбової літератури, 2016.
226 с.
8. Белый А.И. Износостойкость и прочность карбидов вольфрама WC–W2C, полученных различными способами. Авто-
матическая сварка. 2010. № 12. С. 20—23.
9. Дзыкович В.И., Жудра А.П., Белый А.И. Свойства порошков карбидов вольфрама, полученных по различным техноло-
гиям. Автоматическая сварка. 2010. № 4 (684). С. 28—31.
10. Garcia-Ayala E.M., Tarancon S., Ferrari B., Pastor J.Y., Sanchez-Herencia A.J. Thermomechanical behaviour of WC–W2C
composites at first wall in fusion conditions. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2021. Vol. 98, art.
105565. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105565
11. Витрянюк В.К., Степанчук А.Н. Спеченные безвольфрамовые твердые сплавы. Монография. Киев: ЗАО «Випол»,
2001. 248 с.
12. Bretzler P., Huber M., Rane A.A., Jentoft R.E., Köhler K., Jentoft F.C. Selective synthesis of tungsten carbide phases W2C
and WC as hydrogenation catalysts. Journal of Catalysis. 2022. Vol. 405. P. 60—73. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2021.11.025
13. Степанчук А.М. Теоретичні та технологічні основи отримання порошків металів, сплавів і тугоплавких сполук. Підручник.
Київ: Видавництво «Політехніка», 2006. 353 с.
14. Степанчкук А.М., Бірюкович Л.О. Електрофізичні властивості плавлених карбідів TiC, ZrC, NbC в області їх гомогенності.
Наукові вісті НТУУ «КПІ». 2015. № 1. С. 66—73.
15. Самсонов Г.В., Упадхая Г.Ш., Нешпор В.С. Физическое материаловедение карбидов. Киев: Наукова думка, 1974. 456 с.
16. Степанчук А.Н., Притуляк А.С., Шлюко В.Я. Получение плавленых карбидов титана, циркония и ниобия в области их
гомогенности. Вестник КПИ. Серия «Машиностроение». Киев: «Выща школа», 1975. С. 153—156.
17. Самсонов Г.В., Степанчук А.Н., Притуляк А.С., Машонкина Т.В. Концентрационная зависимость абразивных свойств
порошков плавленых карбидов титана и циркония. Порошковая металлургия. 1974. № 9. С. 56—61.
18. Адамовский А.А., Степанчук А.Н. Особенности шлифования титановых изделий кругами из карбида ниобия. Техноло-
гия и организация производства. 1978. № 4. С. 24—26.
19. Оликер В.Е. Порошки для магнитно-абразивной обработки и износостойких покрытий. Москва: Металлургия, 1990.
176 с.
20. Степанчук А.М., Шевчук М.Б., Мазаєв С.В. Отримання та властивості гранул з тугоплавких сполук для створення
композиційних матеріалів. Наукові вісті НТУУ «КПІ». 2010. № 6. С. 111—119.
21. Zgalat-Lozynskyy O.O., Matviichuk O.O., Tolochyn O.I., Ievdokymova O.V., Zgalat-Lozynska N.O., Zakiev V.I. Polymer
Materials Reinforced with Silicon Nitride Particles for 3D Printing. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2021. Vol. 59.
P. 515—527. https://doi.org/10.1007/s11106-021-00189-2
22. Болгар А.С., Турчанин А.Г., Фесенко В.В. Термодинамические свойства карбидов. Киев: Наук. думка, 1973. 271 с.
23. Степанчук А.Н., Шлюко В.Я. Получение и некоторые свойства плавленых карбидов. Вестник КПИ, серия «Машино-
строение». 1970. Вып. № 7. С. 116—120.
24. Степанчук А.Н., Бирюкович Л.О., Шум Л.А. Получение расходуемых электродов для плавки тугоплавких соедине-
ний в дуговой печи. Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра: матеріали ХІІІ Всеукраїнської науково-практичної
конференції, Київ, 21 квітня 2015 р. Київ: НТУУ «КПІ». 2015. С. 843—864.
25. Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материалов давлением. Киев: Наук. думка,
1980. 240 с.
26. Степанчук А.М. Основи теорії і технології процесів консолідації порошкових матеріалів: Підручник. Київ: Вид-во
"SBA Print", 2025. 365 с. URL: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/73292 (дата звернення: 20.03.2026).
27. Самсонов Г.В., Ковальченко М.С. Горячее прессование. Киев: Государственное издательство технической литературы
УССР, 1969. 212 с.
28. Степанчук А.М. Теорія і технологія пресування порошкових матеріалів. Навч. посібник. Київ: Центр учбової літератури,
2016. 336 с.
29. Кислый П.С., Самсонов Г.В. Основы процессов мундштучного прессования труб и стержней из порошков тугоплавких
соединений. Порошковая металлургия. 1962. № 3. С. 31—48.
30. Самсонов Г.В., Кислый П.С. Высокотемпературные неметаллические термопары и наконечники. Киев: Наук. думка,
1969. 181 с.
31. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. Москва: Металлургия, 1988.
448 с.
34 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
1. Skorokhod, V. V. (1982). Poroshkovyie materialyi na osnove tugoplavkih metallov i soedineniy [Powder materials based on
refractory metals and compounds]. Tekhnika [in Russian].
2. Samsonov, G. V., & Vinitski, I. M. (1980). Handbook of Refractory Compounds. IFI. Plenum, New York, Washington, London.
3. Stepanchuk, A. N. (2008). Prochnostnyie i abrazivnyie svoystva plavlenyih tugoplavkih soedineniy i instrumentalnyih materialov
na ih osnove [Strength and abrasive properties of molten refractory compounds and instrumental materials based on them].
Modern sintered solids. Kyiv. ISM named after V. N. Bakulya, National Academy of Sciences, pp. 269-280 [in Russian].
4. Stepanchuk, A. N., Bylyk, I. I., & Boyko, P. A. (1989). Tehnologiya poroshkovoy metallurgii [Technology of powder metallurgy].
Vyischa shkola [in Russian].
5. Shin, S.G. (2000). Experimental and Simulation Studies on Grain Growth in TiC and WC-based Cermets during Liquid Phase
Sintering. Metals and Materials, 6(3), 195-201. https://doi.org/10.1007/BF03028212
6. Stepanchuk, A. N. (2008). Plavlenyie tugoplavkie soedineniya dlya instrumentalnyih materialov [Fused refractory compounds
for instrumental materials]. Equipment and instruments for professionals, (6), 52-56 [in Russian].
7. Stepanchuk, A. M., & Bilyk, I. I. (2016). Materialy dlia napyliuvannia pokryttiv: Navch. posibn. [Materials for spraying coatings:
Education. Manual]. Center for Educational Literature [in Ukrainian].
8. Bely, A. I. (2010). Iznosostoykost i prochnost karbidov volframa WC–W2C, poluchennyih razlichnyimi sposobami [Wear
resistance and strength of WC–W2C tungsten carbides obtained by various methods]. Automatic Welding, (12), 20-23 [in
Russian].
9. Dzykovich, V. I., Zhudra, A. P., & Belyi, A. I. (2010). Svoystva poroshkov karbidov volframa, poluchennyih po razlichnyim
tehnologiyam [Properties of tungsten carbide powders obtained by various technologies]. Automatic Welding, 4(684), 28-31
[in Russian].
10. Garcia-Ayala, E. M., Tarancon, S., Ferrari, B., Pastor, J. Y., & Sanchez-Herencia, A. J. (2021). Thermomechanical behaviour
of WC–W2C composites at first wall in fusion conditions. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 98, art.
105565. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2021.105565
11. Vytryaniuk, V. K., & Stepanchuk, A .N. (2001). Spechennyie bezvolframovyie tverdyie splavyi. Monografiya [Sintered tungsten-
free hard alloys. Monograph]. ZAO "Vypol" [in Russian].
12. Bretzler, P., Huber, M., Rane, A. A., Jentoft, R. E., Köhler, K., & Jentoft, F. C. (2022). Selective synthesis of tungsten carbide
phases W2C and WC as hydrogenation catalysts. Journal of Catalysis, 405, 60-73. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2021.11.025
13. Stepanchuk, A. M. (2006). Teoretychni ta tekhnolohichni osnovy otrymannia poroshkiv metaliv, splaviv i tuhoplavkykh spoluk.
Pidruchnyk [Theoretical and technological foundations of obtaining powders of metals, alloys and refractory compounds.
Textbook]. Politekhnika [in Ukrainian].
14. Stepanchuk, A. M., & Biryukovich, L. O. (2015). Elektrofizychni vlastyvosti plavlenykh karbidiv TiC, ZrC, NbC v oblasti yikh
homohennosti [Electrophysical properties of fused carbides TiC, ZrC, NbC in the area of their homogeneity]. Scientific news
of NTUU "KPI", (1), 66-73 [in Ukrainian].
15. Samsonov, G. V., Upadkhaya, G. Sh, & Neshpor, V. S. (1974). Fizicheskoe materialovedenie karbidov [Physical materials
science of carbides]. Naukova dumka [in Russian].
16. Stepanchuk, A. N., Prytulyak, A. S., & Shlyuko, V. Ya. (1975). Poluchenie plavlenyih karbidov titana, tsirkoniya i niobiya v
oblasti ih gomogennosti [Obtaining fused carbides of titanium, zirconium and niobium in the area of their homogeneity].
Vestnik KPI. Seriya “Mashinostroenie”. Vyischa shkola, 153-156 [in Russian].
17. Samsonov, G. V., Stepanchuk, A. N., Prytulyak, A. S., & Mashonkina, T. V. (1974). Kontsentratsionnaya zavisimost abrazivnyih
svoystv poroshkov plavlenyih karbidov titana i tsirkoniya [Concentration dependence of abrasive properties of powders of
molten carbides of titanium and zirconium]. Powder metallurgy, (9), 56-61 [in Russian].
18. Adamovsky, A. A, & Stepanchuk, A. N. (1978). Osobennosti shlifovaniya titanovyih izdeliy krugami iz karbida niobiya
[Peculiarities of grinding of titanium products with niobium carbide wheels]. Technology and production organization, (4), 24-
26 [in Russian].
19. Olyker, V. E. (1990). Poroshki dlya magnitno-abrazivnoy obrabotki i iznosostoykih pokryitiy [Powders for magnetic abrasive
processing and wear-resistant coatings]. Metallurgiya [in Russian].
20. Stepanchuk, A. M., Shevchuk, M. B., & Mazaev, S. V. (2010). Otrymannia ta vlastyvosti hranul z tuhoplavkykh spoluk dlia
stvorennia kompozytsiinykh materialiv [Obtaining and properties of granules from refractory compounds for the creation of
composite materials]. Scientific Bulletin of NTUU "KPI", (6), 111-119 [in Ukrainian].
21. Zgalat-Lozynskyy, O. O., Matviichuk, O. O., Tolochyn, O. I., Ievdokymova, O. V., Zgalat-Lozynska, N. O., & Zakiev, V. I. (2021).
Polymer Materials Reinforced with Silicon Nitride Particles for 3D Printing. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 59, 515-
527. https://doi.org/10.1007/s11106-021-00189-2
REFERENCES
35ISSN 2077-1304. Метал та лиття України, vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд)
22. Bolgar, A. S., Turchanin, A. G, & Fesenko, V. V. (1973). Termodinamicheskie svoystva karbidov [Thermodynamic properties of
carbides]. Nauk. dumka [in Russian].
23. Stepanchuk, A. N., & Shlyuko, V. Ya. (1970). Poluchenie i nekotoryie svoystva plavlenyih karbidov [Production and some
properties of molten carbides]. Bulletin of KPI, series “Machine Engineering”, (7), 116-120 [in Russian].
24. Stepanchuk, A. N., Biryukovich, L. O., & Shum, L. A. (2015). Poluchenie rashoduemyih elektrodov dlya plavki tugoplavkih
soedineniy v dugovoy pechi [Production of consumable electrodes for melting refractory compounds in an arc furnace].
Special metallurgy: yesterday, today, tomorrow: materials of the XIII All-Ukrainian scientific and practical conference, Kyiv,
April 21. Kyiv: NTUU “KPI”, pp. 843-864 [in Russian].
25. Kovalchenko, M. S. (1980). Teoreticheskie osnovyi goryachey obrabotki poristyih materialov davleniem [Theoretical
foundations of hot processing of porous materials by pressure]. Nauk. dumka [in Russian].
26. Stepanchuk, A. M. (2025). Osnovy teorii i tekhnolohii protsesiv konsolidatsii poroshkovykh materialiv. Pidruchnyk [Fundamentals
of the theory and technology of processes of consolidation of powder materials. Textbook]. SBA Print. https://ela.kpi.ua/
handle/123456789/73292 [in Ukrainian].
27. Samsonov, G. V., & Kovalchenko, M. S. (1969). Goryachee pressovanie [Hot pressing]. Gosudarstvennoe izdatelstvo
tehnicheskoy literaturyi USSR [in Russian].
28. Stepanchuk, A. M. (2016). Teoriia i tekhnolohiia presuvannia poroshkovykh materialiv. Navch. posibnyk [Theory and technology
of pressing powder materials. Manual]. Tsentr uchbovoi literatury [in Ukrainian].
29. Kisly, P. S., & Samsonov, G. V. (1962). Osnovyi protsessov mundshtuchnogo pressovaniya trub i sterzhney iz poroshkov
tugoplavkih soedineniy [Basics of the process of nozzle pressing of pipes and rods from powders of refractory compounds].
Powder metallurgy, (3), 31-48 [in Russian].
30. Samsonov, G. V., & Kisly, P. S. (1969). Vyisokotemperaturnyie nemetallicheskie termoparyi i nakonechniki [High-temperature
non-metallic thermocouples and tips]. Nauk. dumka [in Russian].
31. Kyparisov, S. S., & Padalko O. V. (1988). Oborudovanie predpriyatiy poroshkovoy metallurgii [Equipment of powder metallurgy
enterprises]. Metallurgiya [in Russian].
Надійшла/Received 25.03.2026
Прийнята/Accepted 11.05.2026
Опублікована/Published 29.05.2026
36 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 34, 2026. № 2 (345), 22-36
А.М. Степанчук
Summary
A.M. Stеpanchuk, PhD (Engin.), Professor, Professor of the Department,
e-mail: anstepanchuk6@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-0363-5226
National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic
Institute” (Kyiv, Ukraine)
Production of Consumable Electrodes from Refractory Compounds for Melting in an Arc
Furnace (Review)
The methods of obtaining consumable electrodes from some hard refractory carbides of transition metals of cylindrical
shape with a ratio of length to diameter greater than 10 mm on their density and its distribution along the length of the elec-
trode were analyzed.
The data obtained during the study of the processes of obtaining electrodes from carbides of titanium, zirconium, nio-
bium, chromium, molybdenum and tungsten, which are most widely used for the manufacture of powder products from them
and the creation of wear-resistant coatings with their participation for multifunctional purposes, were analyzed.
The conditions for obtaining electrodes by hot pressing, mouthpiece pressing, and pressing of blanks in a collapsible
mold with subsequent sintering were considered. The influence of the method and modes of obtaining electrodes on their
density, its distribution along the length was considered. The nature of these properties and the possibility of obtaining them
with predetermined values are revealed.
The influence of the method and modes of obtaining electrodes on their operational properties, in particular heat re-
sistance, which is a defining requirement for electrodes, is also considered. High heat resistance ensures a stable melting
process and the production of castings with a uniform distribution of the content of the casting components and structure. A
mechanism for the formation of high heat resistance is proposed, which consists in the presence of porosity evenly distributed
over the volume in the electrodes.
The optimal conditions for obtaining electrodes that provide the greatest thermal stability have been established. It
has been shown that the highest values are obtained for electrodes with a uniform density distribution along the length and a
porosity of 10–15 %.
The most suitable methods for manufacturing electrodes are die pressing and pressing in collapsible molds with sub-
sequent sintering.
Keywords
Electrode, refractory compounds, carbides, arc melting, die pressing, hot pressing, mold.
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-328 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-10T01:00:42Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/8c/c3306df3b761b2ccf0d5b21c9374bb8c.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-3282026-07-09T11:02:55Z Production of Consumable Electrodes from Refractory Compounds for Melting in an Arc Furnace (Review) Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) Степанчук, А.М. Electrode refractory compounds carbides arc melting die pressing hot pressing mold електрод тугоплавкі сполуки карбіди дугова плавка мундштучне пресування гаряче пресування прес-форма The methods of obtaining consumable electrodes from some hard refractory carbides of transition metals of cylindrical shape with a ratio of length to diameter greater than 10 mm on their density and its distribution along the length of the electrode were analyzed. The data obtained during the study of the processes of obtaining electrodes from carbides of titanium, zirconium, niobium, chromium, molybdenum and tungsten, which are most widely used for the manufacture of powder products from them and the creation of wear-resistant coatings with their participation for multifunctional purposes, were analyzed. The conditions for obtaining electrodes by hot pressing, mouthpiece pressing, and pressing of blanks in a collapsible mold with subsequent sintering were considered. The influence of the method and modes of obtaining electrodes on their density, its distribution along the length was considered. The nature of these properties and the possibility of obtaining them with predetermined values are revealed. The influence of the method and modes of obtaining electrodes on their operational properties, in particular heat resistance, which is a defining requirement for electrodes, is also considered. High heat resistance ensures a stable melting process and the production of castings with a uniform distribution of the content of the casting components and structure. A mechanism for the formation of high heat resistance is proposed, which consists in the presence of porosity evenly distributed over the volume in the electrodes. The optimal conditions for obtaining electrodes that provide the greatest thermal stability have been established. It has been shown that the highest values are obtained for electrodes with a uniform density distribution along the length and a porosity of 10–15 %. The most suitable methods for manufacturing electrodes are die pressing and pressing in collapsible molds with subsequent sintering. Проведено аналіз методів отримання витратних електродів з деяких твердих тугоплавких карбідів перехідних металів циліндричної форми зі співвідношенням довжини до діаметра більшого 10 мм на їх щільність і її розподіл по довжині електрода. Проведено аналіз даних, отриманих під час вивчення процесів отримання електродів з карбідів титану, цирконію, ніобію, хрому, молібдену та вольфраму, які найбільш широко використовуються для виготовлення порошкових виробів з них та створення за їх участю зносостійких покриттів багатофункціонального призначення. Розглядались умови отримання електродів гарячим пресуванням, мундштучним пресуванням, пресуванням заготівок в розбірній прес-формі з наступним спіканням. Розглядався вплив методу і режимів отримання електродів на їх щільність, її розподіл по довжині. Розкривається природа цих властивостей та можливість їх отримання з наперед заданими значеннями. Також розглянуто вплив методу та режимів отримання електродів на їх експлуатаційні властивості, зокрема термостійкість, яка є визначальною вимогою до електродів. Висока термостійкість забезпечує стабільний процес плавлення та отримання виливків з рівномірним розподілом вмісту складових виливків та структурою. Запропоновано механізм формування високої термостійкості, який полягає у наявності в електродах рівномірно розподіленої за об’ємом пористості. Встановлені оптимальні умови отримання електродів, які забезпечують найбільшу термостійкість. Показано, що найвищі її значення мають електроди з рівномірним розподілом щільності по довжині і пористістю 10—15 %. Найбільш придатними методами виготовлення електродів є мундштучне пресування та пресування в розбірних прес-формах з наступним спіканням. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2026-05-29 Article Article application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/328 10.15407/steelcast2026.02.022 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 34 No. 2 (2026): Metal and Casting of Ukraine; 22-36 Метал та лиття України ; Том 34 № 2 (2026): Метал та лиття України; 22-36 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/328/321 Авторське право (c) 2026 А.М. Степанчук https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | електрод тугоплавкі сполуки карбіди дугова плавка мундштучне пресування гаряче пресування прес-форма Степанчук, А.М. Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| title | Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| title_alt | Production of Consumable Electrodes from Refractory Compounds for Melting in an Arc Furnace (Review) |
| title_full | Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| title_fullStr | Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| title_full_unstemmed | Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| title_short | Виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| title_sort | виготовлення витратних електродів з тугоплавких сполук для плавки у дуговій печі (огляд) |
| topic | електрод тугоплавкі сполуки карбіди дугова плавка мундштучне пресування гаряче пресування прес-форма |
| topic_facet | Electrode refractory compounds carbides arc melting die pressing hot pressing mold електрод тугоплавкі сполуки карбіди дугова плавка мундштучне пресування гаряче пресування прес-форма |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/328 |
| work_keys_str_mv | AT stepančukam productionofconsumableelectrodesfromrefractorycompoundsformeltinginanarcfurnacereview AT stepančukam vigotovlennâvitratnihelektrodívztugoplavkihspolukdlâplavkiudugovíjpečíoglâd |