Материаловед

Одним из прогрессивных методов упрочнения деталей и инструментов является магнитная обработка. Электромагнитное поле успешно применяют в современной технике и технологии для управления свойствами твердого тела. Магнитную обработку широко применяют в машиностроении для обработки лезвийного режущего инструмента и динамически нагруженных деталей машин для увеличения их стойкости и надежности работы.

Методы магнитной обработки деталей машин классифицируют следующим образом [57]: обработка одним импульсом постоянного магнитного поля напряженностью 100 — 1000 кА /м при различной длительности воздействия (10 — 300 с); обработка магнитно-импульсным полем напряженностью 50-2000 кА/м при длительности импульса 0,1 — 10 с и различным количеством импульсов.

Режущий инструмент [5, 6, 8, 18, 26, 56 - 62, 73,] обрабатывают как постоянным магнитным полем, так и магнитно-импульсным полем напряженностью 100 -2000 кА/м, при длительности импульса 0,1 — 1,5 с. Время и величина напряженности магнитного поля зависит от материала инструмента и его размеров. При этом стойкость инструмента, обработанного в магнитном поле, повышается в 2 — 4 раза.

Методы обработки постоянным магнитным полем следующие:

— обработка одним импульсом с последующим размагничиванием через 8 — 24ч.;

— обработка направленной (локальной) концентрацией магнитного потока на заготовку;

— обработка без последующего размагничивания;

— динамическая обработка, когда деталь в поле постоянной напряженности вращается с некоторым ускорением частоты вращения (1-50 с) в течение 1 — 5 мин.;

— обработка при свободном перемещении заготовки в полости индуктора;

— обработка детали при свободном перемещении в непосредственной близости от полости индуктора.

Методы импульсной магнитной обработки следующие:

— обработка без последующего размагничивания;

—    многоцикловая обработка (2 — 10 циклов) с выдержкой между циклами 1 — 20 мин.;

— обработка с применением ферромагнитных сердечников и локальных концентраторов магнитного поля;

— обработка в металлических контейнерах или камерах с применением феррожидкости;

— комбинированные методы.

Магнитную и магнитно-импульсную обработку применяют для упрочнения различных деталей, конструкций и сборочных единиц, например: заклепочных, сварных, резьбовых соединений, зубчатых и червячных передач, опорных устройств и муфт, рессор и пружин, стальных канатов и тросов грузоподъемных машин, режущего инструмента и т.д.

Согласно [57] импульсная магнитная обработка (ИМО) 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-характеристики» внешних электронов атомов металлов пограничной зоны контакта зерен (перегруженного участка кристаллита). Суть этой теории заключается в следующем: при перемещении детали в полости соленоида вследствие неоднородной кристаллической структуры в ней возникают вихревые токи, которые обуславливают магнитное поле и локальные микровихри. Они, в свою очередь, нагревают участки вокруг кристаллитов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла. Градиент теплового потока при магнитно-импульсной обработке тем выше, чем менее однородна микроструктура металла. В местах концентрации остаточных или усталостных напряжений, связанных с технологией производства обработки или эксплуатации детали, теплота, наведенная при магнитно-импульсной обработке вихревыми токами, частично уменьшает избыточную энергию составляющих кристаллитов и зерен структуры образца особенно в зоне контакта напряженных участков. Кроме того, вихревое магнитное поле обуславливает более равномерное ее охлаждение. Одновременно с тепловыми процессами за счет импульсного магнитного поля в металле происходит полярная ориентация спинов электронов атомов, расположенных в области контакта кристаллитов и зерен сплавов, вследствие чего улучшаются механические свойства материала. При этом деталь в магнитном поле подвергается «винтовому сжатию». Возникающие электродинамические силы частично уплотняют кристаллиты металла, вследствие чего снижаются концентрации напряжений. В стали уменьшается избыточная энергия, снижается концентрация напряжений, вследствие чего улучшаются механические свойства. Например, 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. 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.

Автор [96, 97] главной особенностью ферромагнитного состояния считает наличие доменной структуры. Устойчивость доменной структуры при прочих равных условиях определяется взаимодействием междоменных структур с дислокациями, которое обусловлено интерференцией упругих полей дислокации и магнитострикционных деформаций. От плотности дислокации зависят размеры и число доменов. Увеличение плотности дефектов приводит к зарождению новых доменов меньших размеров. Наличие включений, например, карбидов, также способствует уменьшению размеров доменов. При высокой концентрации доменов малых размеров образуется развитая сетка междоменных границ, где сосредоточивается упругая энергия магнитострикции. Такая структура характерна для быстрорежущих сталей после термической обработки. После магнитной обработки происходит смещение междоменных границ, изменяются магнитострикционные напряжения за счет разориентации намагниченности (спиновых магнитных моментов) внутри междоменной границы. В результате не исключено движение дислокации в поле магнитоупругих напряжений, возникающих у доменной границы. Возможность этих процессов определяется рядом факторов, прежде всего уровнем действующих напряжений, степенью и характером закрепления подвижных участков дислокации, взаимной ориентации доменной границы и дислокации. При этом границы доменов увеличиваются за счет объединения более мелких доменов и дислокации, количество которых существенно меньше после снятия магнитного поля.