Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Бородин И.П., к.т.н. Гвоздев А.Г., аспирант Соболев Р.А.

ЗАО «Восстановление», 398024, г. Липецк, ул. Доватора,12, Россия,

тел.(4742)-40-16-20, E-mail: director@vosstan.lipetsk.ru и

Липецкий государственный технический университет,

398600, г. Липецк, ул. Московская,30, Россия, тел.(4742)-41-64-53,

E-mail: highnobledoctorsobra26@mail.ru

К вопросу о механизме влияния импульсной магнитной обработки на структуру и свойства металлических материалов

Аннотация

В работе рассмотрен механизм влияния слабых магнитных полей на структурные изменения в инструментальных сталях, приводящие к существенному повышению их механических свойств.

Ключевые слова: импульсное магнитное поле, структура, износостойкость, примесно-дефектные комплексы.

Из множества технологий, которыми располагает промышленность в настоящее время, особый интерес представляют физические методы упрочнения материалов, в частности методы магнитной обработки.

Известно, что метод импульсной магнитной обработки (ИМО) [1,2] позволяет повысить стойкость инструмента в 1,5 – 2,0 раза. Эффект упрочнения ИМО имеет объёмный характер и сохраняется после многократной переточки инструмента.

В ряде исследований [3–7] была показана возможность перестройки реальной структуры конденсированных систем в результате воздействия на них последовательностью импульсов относительно слабого магнитного поля (до 10⁶ А/м).

Общее свойство всех таких систем состоит в том, что все системы при воздействии ИМО находились в неравновесном состоянии. Процессы, которые при этом обеспечивают переход системы в новое неравновесное (метастабильное) состояние, объясняется с позиций синергетики [5].

В настоящее время известен большой класс материалов (полупроводники, жидкости) действие магнитного поля на которые приводит к изменению электрофизических, механических и оптических свойств.

Цель такого воздействия – путём «электромагнитного встряхивания» осуществлять перевод системы в новое структурное состояние (на уровне дефектов и дефектных комплексов) через промежуточное неустойчивое состояние с повышенной свободной энергией. При воздействии импульсным магнитным полем, энергия взаимодействия которого с магнитными моментами в конденсированных средах меньше тепловой, наблюдаются изменения твердости, износостойкости в инструментальных сталях, параметров решётки мартенсита, уровня микронапряжений второго рода, выделение мелкодисперсных фаз-упрочнителей.

Особенность этих явлений состоит в том, что при комнатной температуре энергия магнитного момента Н в поле Н ~ 10⁵ А/м оказывается на три порядка меньше тепловой энергии kT.

Обнаруженные изменения параметров структур, обусловленные примесно-дефектными комплексами, носят колебательный характер и имеют тенденцию к необратимому изменению, в то время как параметры, не определяющиеся примесно-дефектными комплексами и характеризующие бездефектные структуры, подвержены периодическим изменениям, обусловленными процессами в самой матрице кристалла.

При воздействии сильных магнитных полей при Н 10⁷ А/м из-за явления электромагнитной индукции возникающие вихревые токи могут иметь такие значения, что джоулево тепло в местах прохождения этих токов, может вызвать сильный нагрев, вплоть до оплавления. При этом из-за скин-эффекта вся тепловая энергия концентрируется в поверхностных слоях, вызывая структурные изменения, что целесообразно использовать для финишной обработкой, в результате которой повышается твёрдость на поверхности.

При применении ИМО при Н <10⁷ А/м после закалки и отпуска (финишная обработка), когда система насыщена дефектами и дефектными комплексами, металл получает дополнительную энергию в результате «магнитного встряхивания», что приводит к изменению структуры и структурночувствительных свойств.

Возникает вопрос, каким образом примеси, карбиды, находящиеся в связанном состоянии, и комплексные дефекты при низких (комнатных) температурах переходят в несвязанное состояние при воздействии слабых импульсных магнитных полей. Для этого должны быть изменения в структуре атомов (молекул) карбидов и других соединений, приводящие к разрушению химической связи.

Суть в том, что магнитный момент молекул не равен сумме магнитных моментов атомов, входящих в соединение, поскольку осуществление химической связи между атомами соединения требует определенной перестройки внешних электронных оболочек. При образовании соединений общее число электронов может быть нечетное и, следовательно, спин одного из электронов оказывается нескомпенсированным.

Под действием магнитного поля изменяется ориентация этого спина электрона, участвующего в химической связи и в последующем распаде связи атомов в соединении. Наиболее быстро эта релаксация идет за счет взаимной переориентации ядерного спина и спина электрона, локализованного на примеси. Однако для такой переориентации необходимо поглощение фононов, поэтому релаксация идет с поглощением энергии. После разрыва связи одиночные примесные атомы диффундируют по кристаллу и захватываются на напряженных связях границы раздела (аналогично гетерированной примеси при высоких температурах).

Если учесть, что магнитное поле меняется и по величине и по направлению, то происходит переориентация спина с определенной цикличностью и интенсивностью изменения его направления, что и отражается на разрушении химической связи в соединениях (в карбидах) [6]. Видимо поэтому действие на материал постоянного магнитного поля менее эффективно в плане изменения свойств материала, чем ИМО.

Возможность образования нескомпенсированного спина в соединениях, в которые входят переходные металлы (Fe, Cr, Ni) наиболее вероятная, так как атомы этих элементов имеют недостроенные внутренние электронные оболочки, благодаря чему они многовалентны и их ионы обладают постоянным магнитным моментом.

Таким образом, изменение ориентации спина электрона, участвующего в химической связи, может привести к заполнению антисвязывающих орбиталей и последующему распаду связи. После разрыва связи одиночные примесные атомы диффундируют по кристаллу и захватываются на искаженных границах раздела.

Особенность всех этих явлений состоит в том, что указанные процессы, вызывающие изменение свойств, происходят при комнатной температуре. Наибольший интерес вызывают диффузионная подвижность атомов, разрушение примесных комплексов (карбидов), образование мелкодисперсных карбидов, протекание генерационных процессов.

Естественно предположить, что, во-первых, в результате воздействия ИМО на материалы, возникает микропластическая деформация, имеющая магнитострикционное происхождение [1]. Магнитострикционный наклеп в отличие от механического представляет собой объемное, а не поверхностное упрочнение материала. Механизм этого процесса имеет следующую природу.

В ненамагниченном состоянии ферромагнитная матрица стали разделена на множество доменов. При смещении междоменных границ и вращении векторов спонтанной намагниченности под действием внешнего магнитного поля изменяются направления спиновых моментов электронов, что сопровождается магнитострикционной деформацией и связанных с ней упругих напряжений. Взаимодействие упругих полей, обусловленных магнитострикцией стали, с упругими полями её реальной дислокационной структуры приводит к перераспределению локальных напряжений. В этих местах наиболее интенсивно идут процессы размножения и перемещения дислокаций и, таким образом, формируются очаги пластической деформации, вызывающие упрочнение инструмента. Однако если обрабатывать сталь импульсами со слишком высокими значениями мощности, то из-за большого скопления дислокаций вблизи границ возникают микротрещины, приводящие в итоге к хрупкому разрушению.

Авторами работы [4] установлено: при ИМО (напряжённость магнитного поля Н ~ 10⁶ А/м) в результате микродеформации кристаллической решётки, происходит распад остаточного аустенита и на 10-15% повышается микротвёрдость.

Эффекты, обнаруженные при воздействии относительно слабых магнитных полей на твёрдые тела различной природы, могут быть обусловлены пространственно-временной организацией системы дефектов. Известно, что возникновение таких процессов вызвано переходом системы через состояния нестабильности. Пространственно-временная организация, обусловленная возникающими в системе нестабильностями, рассматривается как основной признак существования нового типа динамического состояния материала, названного «диссипативной структурой» [5].

Как показывают эксперименты, для атомов различных элементов, участвующих в образовании концентрационных волн, характерны значения диффузионной подвижности, аномально высокой по сравнению с обычной перескоковой диффузией (до воздействия магнитного поля).

Одной из причин увеличения диффузионной подвижности примесных атомов, интенсивного движения дислокаций, является энергия магнитострикционной деформации, вызывающая упругие напряжения. Взаимодействие упругих полей, обусловленных магнитострикцией с упругими полями реальной дислокационной структуры, приводит к появлению локальных напряжений и, поэтому при оценке общего энергетического состояния стали необходимо учитывать вклад энергии магнитострикционной деформации. В местах локальных напряжений стремление системы к минимуму энергии приводит к изменению параметра решетки (для мартенсита), ускоряет распад мартенсита, стимулирует выделение мелкодисперсных фаз, вызывает перемещение и зарождение дислокаций [6, 7].

Согласно [3] под действием локальных напряжений может происходить сегрегация примесных атомов и прежде всего атомов углерода на границах зерен и дислокациях. При этом резко возрастает вероятность флуктуации концентрации углерода вдоль дислокаций, это приводит к образованию карбидной фазы.

Исследования структуры стали после ИМО показали, что мелкодисперсные карбиды, наблюдаемые в структуре, имеют округлую форму и как следствие, снижается концентрация напряжений около таких карбидов.

Высокую подвижность примесных атомов, близкую к подвижности атомов водорода, обеспечивает спиновый запрет на восстановление химических связей – следствие динамической поляризации ядер. Таким образом, воздействие слабым магнитным полем вызывает диффузионную неустойчивость системы из-за длительной релаксации при динамической поляризации ядер после наложения поля на многокомпонентную конденсированную систему, что в конечном итоге приводит к структурной перестройке [4].

В настоящее время существуют достаточно эффективные и надёжные экспериментальные методы исследования эффекта магнитной обработки.

Например, изменения параметра решётки мартенсита в сталях после ИМО подтверждены данными рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии [6].

Метод исследования термо-э.д.с. (ТЭДС) является одним из наиболее эффективных в виду высокой зависимости от структурного состояния в сплавах и поэтому наиболее информативной характеристикой для понимания процессов, протекающих в металле после импульсной магнитной обработки (ИМО). Колебания значений ТЭДС, по-видимому, связаны с переходом системы из одного метастабильного состояния в другое при изменении параметра решетки мартенсита, выделения мелкодисперсных фаз-упрочнителей и др.

Рис. 1. Изменение термо-э.д.с. стали 4Х5МФС после ИМО и без ИМО

Для исключения влияния случайных факторов на показания ТЭДС одновременно с намагниченными образцами, в работе [8] определяли ТЭДС на образцах, не подвергавшихся ИМО. В последнем случае колебания значений термо-э.д.с. находились в пределах точности измерений и отклонения в колебаниях были незначительными по сравнению с амплитудой колебаний значений термо-э.д.с. после ИМО.

Результаты, приведённые на рис. 1, позволяют сделать выводы о сложных процессах, идущих в закалённой инструментальной стали, подвергнутой ИМО, при магнитном старении. Изменения термо-э.д.с. являются результатом перестройки тонкой структуры, снижением остаточного аустенита и внутренних напряжений [6, 7].

Проведённые исследования на стали 60Х2СМФ показали, что после применения ИМО приводит к увеличению твердости на 1 – 2 единицы.

После закалки микроструктура стали 60Х2СМФШ представляет собой мартенсит, остаточный аустенит и карбиды. Мартенсит имеет реечную структуру, и при повышении температуры закалки пластины мартенсита укрупняются (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура образцов стали 60Х2СМФШ без импульсной магнитной обработки при увеличении ×400. Температура закалки 900° С.

После обработки импульсным магнитным полем структура изменяется – повышается ее дисперсность, уменьшается количество остаточного аустенита (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура образцов стали 60Х2СМФШ после импульсной магнитной обработки при увеличении ×400. Температура закалки 900° С

Релаксационные процессы, протекающие в стали под воздействием энергии магнитного поля, обеспечивают более равномерное распределение дефектных комплексов и понижение внутренних напряжений в результате перестройки и доменной структуры [2, 3].

Структурные изменения, проходящие при отпуске и ИМО, находят свое отражение в изменении не только твердости, но и пластичности (рис. 4).

Рис.4. Зависимость ударной вязкости стали 60 Х2СМФШ после ИМО от режима термической обработки (образцы без надреза)

Анализ экспериментальных результатов показывает, что ИМО повышает твердость при одновременном увеличении ударной вязкости. Особенно заметен эффект роста пластичности при температуре отпуска 400 – 450° С. Ударная вязкость возрастает после ИМО с 120 Дж/см² до 290 Дж/см².

На рис. 5 и 6 показано влияние магнитной обработки на износостойкость при различных температурах отпуска.

Рис. 5. Зависимость износостойкости стали 60Х2СМФШ, закаленной с температуры 900° С до и после ИМО от температуры отпуска

Рис. 6. Зависимость износостойкости стали 60Х2СМФШ, закаленной с температуры 950° С до и после ИМО от температуры отпуска

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности применения магнитной обработки для стали 60Х2СМФШ. Из полученных результатов следует, что после закалки c температуры на 950° С получаются более высокие значения износостойкости по сравнению с износостойкостью после закалки на 900° С. Указанный эффект имеет место и без магнитной обработки после ИМО, однако ИМО позволяет повысить износостойкость (рис. 5, 6).

Проведенное исследование показало, что применение ИМО позволяет заметно улучшить механические свойства стали 60Х2СМФШ.

Повышение температуры закалки с 850 до 950° С приводит к увеличению твердости с 58 HRC_Э до 62 HRC_Э при одновременном возрастании ударной вязкости и износостойкости (рис. 4, 5, 6).

Дисковые ножи, изготовленные из стали 60Х2СМФШ, после обработки в импульсном магнитном поле имеют высокую эксплуатационную стойкость, не уступающую стойкости известных марок сталей 6ХВ2С и 4Х5МФС

Литература:

1. Малыгин В.Б. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин – М.: Машиностроение, 1989 – 112 с.

2. Полетаев В.А., Помельникова А.С., Шипко М.Н. Влияние обработки в импульсном магнитном поле и коротком разряде на прочность сталей // МиТОМ, 2000 – №4. – С. 34-37.

3. Постников С.Н. Электрические явления при трении и резании.– Горький: Волго-Вят. Кн. издательство, 1975 – 280 с.

4. Постников С.Н. Некоторые физические аспекты магнитной обработки инструмента // Вопросы электрофизики трения и обработки резанием: тез. докл. Горьковского политехнического института, 1974. – Вып. 4. – С. 27-35.

5. Пригожин И.С. Время, структура и флуктуации // УФН. – 1980. –Т.131. – Вып. 2. – С. 185-193.

6. Масловский В.М. О механизме влияния слабого магнитного поля на структуру конденсированных сред. / В.М. Масловский, С.Н. Постников // Обработка импульсным магнитным полем: Материалы IV научно-технического семинара. – Ботевград. 1989. с 5.

7. Постников С.Н. Перестройка дефектных комплексов в кристаллических твёрдых телах под действием магнитных полей допороговых энергий. Прикладные проблемы прочности и пластичности. Статика и динамика деформируемых систем // Всесоюзный межвузовский сборник. – Горький, – 1980. – 138 с.

8. Гвоздев А.Г. Влияние обработки в импульсном магнитном поле на свойства стали 4Х5МФС / А.Г. Гвоздев, Л.И. Гвоздева, И.П. Бородин, Т.В. Сушкова // V Международная конференция «Прочность и разрушение материалов и конструкций», Оренбург, 2008, т.2, С. 370-373