Физическая сущность магнитно-электрического упрочнения

П РЕДИСЛОВИЕ Магнетизм интересует человечество уже более 200 лет . Э л ектр омагнитное поле успешно применяют в современной технике и технологии для управления свойствами твердого тела . Магнитную обработку используют для улучшения свойств конструк ци онных материалов , воды , растворов , дисперсных систем и т.п . Магнитную и термомагнитную обработку широко применяют в машиностроении . С 70-х годов значительно расширилось применение магнитно-импульсной обработки (МИО ) ле з вийного режущего инструмента и динамически нагруженных деталей машин для увеличения их стойкости и надежности работы. Незначительная стоимость и высокая производительность устройств и современных установок , применяемых в промышленности , а также простота технологии МИО позволяют рекомен довать ее для различных областей народного хозяйства страны . Внедрение МИО позволит уменьшить остаточные и усталостные напряжения в деталях и конструкциях , повысить стойкость режу щ его инструмента из слабомагнитных материалов , например инструмента , оснащенного пластинами из твердых сплавов типа ВК, ТК и ТКК. 1. СУЩНОСТЬ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ При магнитн ом воздействии вещество изменяет свои физические и механические свойства . Улучшение свойств у ферромагнитных деталей , прошедших МИО, достигается за счет направленной ориентации свободных электронов вещества внешним полем , всле дствие чего увеличивается тепло - и электропроводимость материала . Взаимодействие импульсного магнитного поля с заготовкой (деталью ) из токопроводящего материала происходит тем интенсивнее , чем выш е структурная и энергетическая неоднородность вещества . Поэтому чем выше концентрации поверхностных и внутренних напряжений в металлических заготовках , тем больше вероятность локальной концентрации в них микровихрей внешнего поля и тем длительнее течение р елаксационных процессов в веществе . При изготовлении реальных деталей в материале неравномерно концентрируетс я некоторое количество избыточной энергии F , с увеличением которой возрастает вероятность разрушения детали Р . Если F > 0, то P →'3e P max =1 Для повышения надежности работы механизма необходимо вели чину Р max снизить примерно в 4 раза . Это возможно за счет уменьшения избыточной энергии материала внешними физико-техническими методами. Применяя МИО , можно значительно уменьшить избыточную энерги ю материала , связанную с концентрацией внутренних и поверхностных напряжений в конкретной детали , и снизить до минимума вероятность ее поломки . Изменения избыточной энергии поля при МИО стальных деталей (или заготовок ) показаны на рис. 1, а , точки 1 — 4. Для каждого материала (и детали ) существует оптимальное значение внешнего импульсного магнитного поля H опт . при котором концентрация напряжений в материале , а следовательно , и избыточная энергия F предельно уменьшаются (F →'3e Fmin ), вследствие чего повышается надежность детали . Вероятность разрушения детали (рис. 1, б, точка 5) не превышает 0,25, что гарантирует нормальную работу механизма. Рис. 1. Изме н е н ие избыточной энергии F в образце из ферромагнитного сплава в зависимости от напряженности поля Н при МИО (а ) и влияние F на вероятность разруше н ия детали P (б ) Для уменьшения значения F в материале конкретной заготовки (инструмента или детали ) необходимо затратить некоторое количество электромагнитной энергии w o , з начение которой зависит от массы т, объема V m и состояния материала ш детали . При намагничивании (или повторном намагничивании ) в структуре ферромагнитных деталей за счет энергии прои сходят два процесса : процесс смещения границ доменов , состоящий в росте их объемов , у которых намагниченность ориентирована близко к направлению поля за счет изменения объема соседних доменов , что повышает теплопроводность образцов ; процесс изменения напр а вления самопроизвольной намагниченности отдельных доменов и кристаллитов путем поворота вектора намагниченности , вследствие чего повышаются вязкость и износостойкость материала. Оба процесса связаны с магнитной восприимчивость ю материала детали. Для каждой стали существует определенная величина напряженности импульсного магнитного поля , а следовательно , и величина магнитной энергии W i, которая поглощается материалом в течение времени обработ ки t и максимально улучшает его механические и технологические свойства . Причем между повышением стойкости детали и магнитной проницаемостью существует корреля ционная зависимость . Импульсное магнитное поле , взаимодействуя с материалом детали , изменяет ее тепловые и электромагнитные свойства , улучшает - структуру и эксплуатационные характеристики , что положено в основу технологии маг нитного упрочнения . Технология магнитного упрочнения сводится в основном к следующему . Деталь перед обработкой (или инструмент ) помещают в полость со л еноида со стороны , например , северной полярности таким образом , чтобы центр тяжести детали бь ет удален от положения равновесия . При включении установки деталь силой F 1 "втягивается " магнитным полем в полость соленоида с некоторым ускорением и совершает внутри полости колебательные движения . При МИО за счет инерции деталь (и ее центр тяжести ) сместится в противоположную сторону и она испытает втягивание в соленоид со стороны южного полюса . Со стороны другого полюса соленоида на деталь действует сила F 2 , которая и втягивает ее обратно внутрь соленоида . Таким образом , деталь (инструмент ), многократно пересекая магнитный поток , совершает в полости соленоида свобод н ые перемещения , которые с течением времени уменьшаются за счет сил трения детали о стенки индуктора и которые будут затухать . Когда колебания прекратятся , деталь займет положение равновесия , а сила F 2 будет равна нулю . При этом деталь расположится по центру соленоида . Количество к олебаний и амплитуда их зависят от мощности поля W 0 , массы детали m и электромагнитных свойств материала ш м . При таких перемещениях детали вследствие неоднородной кристаллической структуры в ней в озникают вихревые токи . Вихревые токи обусловливают магнитное поле и локальные микровихри , которые , в свою очередь , нагревают участки вокруг кристаллитов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла . Градиент теплов ого потока при МИО тем выше , чем менее однородна микроструктура металла. В местах концентраций остаточных или усталостных напряжений , связанных с технологией производ ства , обработки или эксплуатации детали теплота , наведенная при МИО вихревыми токами , частично уменьшает избыточную энергию составляющих кристаллитов и зерен структуры образца особенно в зоне контакта напряженных участков . Микроструктура сплава улучшается в течение 0,01 ... 1,0 с. Кроме того , вихревое магнитное поле обусловливает более равномерное ее охлаждение . Одновременно с тепловыми процессами за счет импульсного магнитного поля в металле происходит полярная ориентация спин ов электронов атомов , расположенных в области контакта кристаллитов и зерен сплавов , вследствие чего улучшаются механические свойства материала . Лабораторные опыты с образцами из сталей 40, У 12, ЗОХГСА, 65Г , 70 и других показали , что для улучшения их механических и технологических характеристик достаточно создать импульсное магнитное поле напряженностью не выше 2000 кА /м . Однако для завершения внутренних процессов , свя занных с рассеянием электромагнитной энергии , в материале деталей необходимо время т, которое меняется от 5 до 24 ч. Для инструмента из бы с трорежущих сталей , а также для деталей из конструкционных и легированных сталей продолжительность одного цикла магнитной обработки не превышает 1,0 ... 5,0 с . При этом в магнитном поле средней напряженн ости за период импульса 0,5 ... 1,0с цилиндрический инструмент (или деталь ) подвергается "винтовому сжатию ". Возникающие электродинамические силы частично уплотняют кристаллиты сплава , вследствие чего снижаются концентрации напряжений . Схема электродинамич еских сил , действующих в полости индуктора на тело концевого инструмента (например , сверла ) , показана на рис . 2 . В полости солено и да происходит неодновременное намагн ичивание массы инструмента . Поэтому для завершения структурных превращений II рода , направленных на уменьшение в ней свободной энергии , необходимо время до Ючи более . Рис. 2. Схема электродинамических сил , действующих на тело инструмента в импульсном магнитном поле : F - сила инерции инструмента ; F - сила воздействия магнитного поля на образец ; F - сила , сжимающая тело инструмента ; N - силовые линии магнитного поля : 1 -соленоид ; 2 - инструмент из стали Р 6М 5 Тепловая энергия W 2 после МИО расходуется в образцах на процессы , связанные с фазовыми превращениями 1-го и 2-го рода. В основном эти процессы способствуют устранению дефектов термообработки деталей. Опыты показал и , что при намагничивании необязательно материал детали доводить до насыщения . Для технологических целей достаточно намагнитить до 10 ... 50% магнитного насыщения конкретной стали . Изучение влияния магнитного поля на кривые фазовых переходов при охлаждени и стали показало , что при наложении поля переориентация кристаллитов термообработанных образцов ускоряется почти в 2 раза . Испытания проводились на образцах из быстрорежущей стали диаметром 10 мм по методике Уральского научного центра АН СССР . Образцы режущего инструмента намагничивались на установке УМОИ -50. Обработку образцов проводили со стороны северного полюса соленоида установки . Длительность импульса при МИО составляла 1 с при напряженности поля 1600 кА /м . После МИО обра з ец инструмента выдерживался 20 ч на изолированных стеллажах в спокойном состоянии . Относительное удлинение ∆ l / l образца и площадь петли гистерезиса S, связанной с фазовыми превращениями в твердом состоянии и изменениями в образцах избыточной энергии , опред елялись после МИО и выдержки . Изменение относительного удлинения образцов сверл диаметром 10 мм из стали Р 6М 5, не обработанных и обработанных магнитным полем напряженностью 1000 кА /м , в зависимости от температуры термодинамических превращений показано на р ис . 3. Рис .3. Изменение относительного удлинения ∆ l / l образцов сверл из стали Р 6М 5, не обработанных ( 1 ) и обработанных (2) магнитным полем напряженностью 1000 кА /м , в зависимости от температуры фазовых превращений в твердом состоя н ии ( S 1 > S 2 - площадь поля избыточной энергии в образцах ) Рис . 4. Изменение относительной скорости изотермических фазовых превращений v п в образцах из стали 45ХН ( 1 ) и быстрорежущей стали Р 6М 5 (2) в зависимости от продолжительности импульса при наложении магнитного поля напряженностью 1000 кА /м (а ) и без него (б ) ; v I , v II , v III , v IV - относительная скорость превращений в образцах при ф = 0,5 с Опыты показали , что при прочих равных усл овиях относительное удлинение магнитоупрочненных (намагниченных ) образцов из быстрорежущей стали снижалось в 2 ... 2,5 раза . Фазовые превращения в стали за счет МИО ускорялись на 15...22%, что подтверждалось уменьшением в образцах избыточной энергии (площ а дь S 1 энергетической петли без МИО больше примерно на 20 % площади S 2 аналогичной петли , полученной на этих же образцах стали , но при МИО ). При МИО в стали уменьшается избыточная энергия , снижается концентрация напряжений , вследствие чего улучшаются механи ческие свойства . Намагниченные образцы имеют меньшее удлинение также при термодинамических релаксациях . Поэтому и скорость превращений в стальных образцах при комнатной температуре наиболее заметно изменялась только при малой длительности импульса (0,1... 1 ,0 с ). Исследования показали , что при импульсном намагничивании лезвийного инструмента из быстрорежущих сталей Р 18, Р 12, Р 6М 5 при сверлении , точении и фрезеровании конструкционных сталей коэффициент трения инструмента уменьшается в 1,5...2 раза . Для вращаю щихся деталей машин из сталей 40Х, ЗОХГСА , 3Х 13, ХВГ и других при МИО коэффициент трения в рабочих узлах механизмов снижался в 1,2...2,5 раза , при этом в 3...5 раз ускорялась приработка рабочих по верхностей со смазочными пленками в диапазоне температуры 50...300 є С . Например , температурная стойкость пленки эмульсола при сверлении стали 40Х сверлом из сплава Р 6М 5 при МИО инструмента полем напряженностью 350 кА /м возрастала в 2 раза . При магнитной об работке , например инструмента из быстрорежущей стали , повышается микротвердость инструмента и снижается поверхностное натяжение смазочного материала . При взаимодействии трущихся поверхностей в поверхностном слое снижаются растягивающие напряжения , увеличиваются удерживающие смазочный материал напряжения , возрастает дисперсность блоков мозаики поверхностного слоя металла , повышается закрепление в пограничном слое легирующих элементов , таких , например , как вольфрам , уг л ерод , молибден , ванадий и др . При этом повышается теплопроводность материала , увеличивается скорость отвода тепловых потоков при жидкостном охлаждении , возрастает поляризация органических компонентов смазочного материала , увеличивается адгезия смазочного материала на металлической поверхности и ускоряется отвод теплоты из узлов трения. Изучалось состояние микротрещин на поверхности коленчатого вала двигателя автомобиля ЗИЛ -130. Схема поверхности трения детали при МИО , а также расположени е на ней смазочного материала и продуктов износа материала показаны на рис . 5. Рис. 5. Схема поверхности тре н ия детали (вал автомобиля ЗИЛ -1 30) без МИО (а ) и п осле МИО полем напряженностью 600 кА /м в течение 0,5 ... 1,0с (б ) : . 1 - микротрещины , заполненные намагниче н ными частичками и скоагулированными продуктами износа дета л и ; 2 - "тепловые трубки ", определяющие скорость охлаждения детали (поле скорости охлаждения ) ; 3 — область активного смазывания детали в узле трения скольжения ; L — толщина слоя смазывания ; 4 - тонкодисперсные скоагулированные магнитным п олем продукты износа деталей Изучение состояния и скорости роста микропор и микротрещин поверхности намагниченного режущего инструмента , а также деталей ма н и и после МИО показало , что улучшение смазывания и работы узлов трения связано с закреплением микрочастиц износа металлов размером 0,05... 20 мкм. О птимальное число и ра з мер этих частиц , а также заполнение микротрещины поверхности зоны трения зависят от свойств материалов , скорости перемещения деталей , шероховатости поверхности , характера смазки и технологии охлаждения уз ла . При прочих равных условиях при МИО инструмента из быстрорежущей стали , обрабатывающего заготовки из конструкционных сталей , максимальное умень ш ение скорости роста микротрещин наблюдалось при наличии намагниченных частиц ра змером 0,05...0,20 мкм . Для чугунных деталей , работающих в узлах трения , оптимальный размер скоагулированных магнитных частиц составлял 0,2 ... 1,0 мкм , а для высоколегированных деталей 0,05 ... 0,10 мкм . Однако решающее значе ние при этом имела частота вращения деталей . Оптимальной для вращающихся симметричных деталей являлась обработка импульсным магнитным полем по схеме : намагничивание (в полости соленоида вдоль его оси ) — выдержка — локальное намагничивание рабочей поверхнос ти торцом соленоида — выдержка — размагничивание. Опыты показали , что для целого ряда узлов и деталей машин размагничивание проводить необязательно . Таким образом , МИО представляет собой комплексное воздействие на материал магнитострикционных процессов и механических деформаций , тепловых и электромагнитных вихревых потоков , локализованных в местах концентраций магнитного потока , а также систему процессов , направленно ориентирующих "спин-характерист ики " внешних электронов атомов металлов пограничной зоны контакта зерен (перегруженного участка кристаллита ). В целом МИО предусматривает сочетание электромагнитного и термодинамического способов управления (в соотношении примерно 1 : 1) неравновесной структурой вещества . Причем чем больше физических "несовершенств " и технологических "неоднородностей ", связанных с процессом изготовления детали (инструмента ) , тем выше эффективность МИО . Для подтвержде ния этого изучали изменение теплопроводности и магнитных характеристик быстрорежущих (Р 1 2, Р 9, Р 6М 5 и др .) и конструкционных (40, 40ХН , ЗОХГС, 65, 70 и т.п .) сталей при МИС с напряженностью поля д о 4000 кА /м. Основные опыты проводились с образцами из стали Р 6М 5 аналоговым ” и электронными методами . Применялась усовершенствованная универсаль ная установка УЭМ .2Б -82 - ТЭИМ-0 01 с блоками ЭПП-0 93М для изме рения комплексных характеристик стальных образдов. функциональна я схема установки , предназначенной для измерения теплопроводности электросопротивления и магнитной проводимости металлических обра з цов, и устройство ячейки показаны на рис. 6. Особенностью установки является возможность одновременного измерения физического параметра по семи каналам (семь датчиков на один образец ) , что в 5...7 раз повышает точность опытов и п озволяет изучать изменение теплопроводности электропроводимости и магнитного насыщения при МИО самых различных материалов. Рис .6 . Схема установки для измер ения теплопровод н ости , электросопротивле н ия и магнит н ой проводимости материалов электронными методами (а ) : 1 - усилитель ; 2 - электронны й преобразователь ; 3 — датчик импульсов ; 4 - устрой ство для измерения теплопроводности ; 5 - устройство для контроля электропровод ности ; 6 - блок измерения магнитопроводности ; 7 - рабочая ячейка (образец ) из стали Р 6М 5 ; 8 - блок информации (устройство , выдающее значения э л ектропроводности , магнитных характеристик , а также теплопров одности образцов ) ; устройство ячейки для одновременного измерения параметров (б ) : 1 - стальной образец ; 2 - цилиндр из изолирующего материала (стекла или керамики ) ; 3 - датчики (7 шт .) для измерения параметров Для улучшения механических свойств конструкционных сталей напряженность поля МИО не должна превышать 1000...1500 кА /м . В это м случае ударная вязкость , сопротивление усталости , вр еменное сопротивление на растяжение , предел прочности на изгиб и другие свойства стали возрастают не менее чем на 10...20%. Обработка статистического материала лабораторных исследований н ЭВМ по влиянию МИО на механические и технологические свойства кон струкционных, углеродистых и быстрорежущих сталей показала , что МИС повышает также динамическую пр очность стали в диапазоне температу р 100... 600 °С на 10...40 %. Испытывалось влияние МИО на некоторые физические и механические свойства образцов из твердых сплавов. Результаты некоторых опытов приведены в табл. 2. За счет МИО теплопроводность твердых сплавов повышается не менее чем на 10 .%, а временное сопротивление на изгиб на 15... 20%, что обусловливает снижение выкраши вания зерен из режущей кромки инструмента при резании металлов и сплавов. Литература Малыгин Б.В . Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин . – М .:Машиностроение , 1989. – 112 с .: ил.