ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 5, 2004
УДК 621.7/.9.044.7:669.2/.8
© 2004 г. Здор Г.Н., Анисович А.Г., Яскович А.Г.
ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Рассмотрены возможности применения импульсного магнитного поля для повышения комплекса механических свойств меди и сплавов Д16, БрБ2 и Л63. Показано, что воздействие импульсного магнитного поля повышает характеристики пластичности, усталостной прочности и триботехнические показатели. Полученные результаты можно использовать для разработки соответствующих технологий обработки сплавов цветных металлов.
В настоящее время все более широкое применение находит обработка металлических материалов магнитным полем. Это методы упрочняющей обработки сплавов на основе железа, а также преимущественно ферромагнитных материалов [1]. Большое распространение получили технологии, использующие нагрев стальных деталей и полуфабрикатов в магнитных полях с целью изменения структуры и свойств поверхностных слоев.
Имеются работы, рассматривающие теоретические предпосылки возможности изменения структуры металлов, не относящихся к группе ферромагнетиков, в магнитных полях [2]. Исследования, в которых рассматривается обработка цветных металлов и сплавов на их основе в магнитных полях, весьма немногочисленны. Такая ситуация кажется тем более удивительной, что индукционный нагрев таких сплавов осуществляется давно для поверхностной и объемной обработки. Такие методы рассматриваются как методы термической обработки с ускоренным нагревом. Вопросы воздействия магнитного поля на формирование структуры и свойств в таких исследованиях, как правило, не рассматриваются. Методы нетермического воздействия на структуру и свойства цветных металлов и сплавов представляют несомненный интерес как обладающие высокой технологичностью и экономичностью.
В настоящей работе продемонстрирован положительный эффект магнитно-импульсной обработки (МИО) применительно к дюралюминию Д16, меди М1, латуни Л63 и бериллиевой бронзе БрБ2.
Обработку импульсным магнитным полем проводили в рабочей зоне цилиндрического индуктора индуктивностью Ьи = 60 мкГн, включенного в разрядную цепь генератора импульсных токов. В процессе обработки варьировали разрядный ток и напряжение.
Значение напряженности поля в центре индуктора Нт рассчитывали по известной амплитудной величине тока в цепи разряда и геометрических характеристик индуктора (расчет для тонкой катушки)
где I - ток в разрядной цепи индуктора; N = 42 - число витков индуктора; й = 0,03 м -диаметр индуктора; к = 0,23 м - длина индуктора. Рассчитывали энергию, выделившуюся в зоне обработки (кДж).
3 ПМ и НМ, < 5
65
я
Рис. 1
N % 16
12
30
70
110
150 Л мкм
S, мкм
450
Рис. 2. Распределение зерен меди по размерам после МИО: 1 - исходный, 2 - энергия 3 кДж, 3 - 7 кДж; ё -диаметр зерна
350
Рис. 3. Изменение средней площади зерна 5 бронзы БрБ2 после закалки и МИО в зависимости от количества циклов обработки п: 1 - без выдержки при Нтах; 2 - с выдержкой при Нтах = 5 с
п
8
4
2
Схема изменения напряженности магнитного поля Н в зависимости от количества циклов п при МИО приведена на рис. 1. Параметрами обработки являются количество циклов, значение максимальной напряженности, время выдержки при Нтах и частота следования импульсов.
Структурным эффектом МИО меди и ее сплавов является повышение степени дисперсности и однородности микроструктуры [3] (рис. 2, 3). Это достигается ростом мелких зерен исходной структуры по механизмам, аналогичным собирательной рекристаллизации, и дроблением крупных зерен за счет возникновения нового зерна вблизи высокоугловых границ. Размер зерна изменяется периодически в зависимости от количества циклов обработки [3]. Это является специфической особенностью импульсных воздействий [4].
Процесс формирования нового зерна, наблюдаемый на микроуровне, определяется изменениями, происходящими в субструктуре металла. Следует предположить, что силовое воздействие приводит к формированию активированных состояний вблизи высокоугловых границ (аналогично атом-вакансионным состояниям [5]), релаксация которых сопровождается существенным повышением концентрации дефектов кристаллического строения. Результатом релаксации таких состояний является формирование высокоразориентированных фрагментов-микрозерен при участии ротационного механизма пластичности [6]. Наблюдаемый эффект можно использовать для стабилизации структуры, устранения дефектов типа "крупнокристаллического ободка".
Сформировавшаяся структура обеспечивает повышение пластичности. Причиной является низкая концентрация дефектов кристаллической решетки внутри нового зерна, что облегчает формирование новых дислокаций в приграничных участках зерен и их скольжение. Изменение пластических свойств меди и дюралюмина представлено в табл. 1.
Сплав Обработка (энергия импульса, кДж; Количество циклов Ов, МПа 5, %
напряжение заряда, кВ)
Д16 Исходный - 410 8,0
1,6 1 400 10,0
2,8 1 420 8,5
3,3 1 410 10,0
4,0 1 410 9,7
М1 Исходный - 354 8,2
1,6 1 342 8,6
2,8 1 345 9,2
3,3 1 348 8,1
4,0 1 344 9,6
V = 1,5 кВ 1 344 10,7
5 345 13,5
10 351 13,0
15 353 10,2
Таблица 2
Обработка Количество Время Ов, кг/мм2 5, %
циклов старения, ч
Закалка от 800° - 0,5 114 8,1
» - 1 128,4 0,8
Закалка, МИО, 2 кДж 1 0,5 115,5 2,8
» 3 0,5 118,3 5,5
» 5 0,5 116,5 5,8
» 1 1 122,6 3,13
» 3 1 120,1 5,0
» 5 1 114,1 5,1
Закалка, МИО, 5 кДж 1 0,5 113,8 7,1
» 3 0,5 110,5 7,0
» 1 1 119,1 4,5
» 3 1 115,9 6
Пластичность сплава Д16 повышается от 8% в исходном состоянии до 10% после 1 импульса МИО. Прочность практически остается на уровне исходного сплава. Исходное состояние - закалка, естественное старение и нагартовка 7%. Процессы доста-ривания сплава, укрупнения или коагуляции фаз, образовавшихся при естественном старении, в данном случае не реализуются. Более существенное повышение пластичности наблюдается для меди М1.
При обработке по схеме: закалка от 800°, МИО и старение при 300° наблюдается существенное повышение пластичности бронзы БрБ2 (табл. 2).
Изменение структуры при МИО (периодическое образование новых зерен и их рост) позволяет назвать в качестве одного из процессов структурообразования процесс, подобный рекристаллизации. В исследуемом случае деформацию и нагрев образцов не проводили, поэтому формирование структуры при МИО подобно таковому при классической рекристаллизации по признаку аналогии структурных эффектов. Рекристаллизация является процессом релаксационным и альтернативна разрушению [7]. Поэтому следует ожидать повышения долговечности металла при обработке импульсным магнитным полем.
3* 67
Д16 Л63
Количество Количество циклов Количество Количество циклов
импульсов МИО до полного разрушения импульсов МИО до полного разрушения
0 120 0 115
5 195 1 327
10 91 5 321
15 124 10 345
Обработку образцов импульсным магнитным полем для испытаний на усталость проводили при величине напряжения заряда емкостных накопителей системы возбуждения V3 = 2 кВ (амплитуда импульса тока I = 3,5 кА), с варьированием количества импульсов. Напряженность поля Hm = 1,3 ■ 10' А/м, энергия, выделившаяся в зоне обработки 4100 Дж.
Испытания на малоцикловую усталость проводили на машине УМЭ-10ТМ. Усилие прижима составляло для Д16 690 кГ, для Л63 - 740 кГ. При любом режиме обработки полем латуни Л63 количество циклов до полного разрушения больше, нежели для необработанных образцов. Для Д16 увеличение времени до полного разрушения наблюдается для обработки пятью импульсами (табл. 3).
Увеличение долговечности при циклическом нагружении с постоянной амплитудой напряжения связано с уменьшением размера зерна [8]. На первой стадии роста усталостная трещина развивается при напряжениях ниже предела усталости. При переходе через границу зерна уровень напряжений, необходимых для роста трещины на второй стадии роста, существенно возрастает из-за различия в ориентировке соседних зерен и барьерного действия границы. На второй стадии предел усталости связан с размером
зерна соотношением: о = \fcld, где d - размер зерна, c - постоянная.
Напряжение, необходимое для развития трещины, подчиняется соотношению о3, 6ac = const. Если значение о равно пределу усталости, то ac соответствует размеру зерна, т.е. предел усталости соответствует напряжению, необходимому для распространения трещины через границу зерна. Для латуни марки 70/30 при снижении величины зерна от 131 до 1,85 мкм предел усталости увеличивается от 8,45 до 28,1 кгс/мм соответственно; предел текучести также повышается от 1,27 до 47,7 кгс/мм2. Для алюминия при измельчении зерна от 100 до 5 мкм сопротивление малоцикловой усталости повышается в 1,5 раза [8].
Испытания на трение проводили на машине 2168УМТ в рабочем режиме палец-диск при сухом трении. Образцы (палец) устанавливали по три в специально изготовленном приспособлении с радиусом трения 45 мм. Контртело (диск), изготовленное из стали ХНМ, имело твердость рабочей поверхности 56,5 ед. HRC. Усиление прижима составляло 200 H, скорость вращения контр-тела 750 об/мин.
Испытания сплавов Д16 и БрБ2 проводили в течение 4 часов, фиксируя каждые 10 мин момент трения. Образцы из бериллиевой бронзы закаливали от 800° в воде, Д16 - от 500° в воде. Образцы обрабатывали на магнитно-импульсной установке МИУ-20 по 3 разряда с энергией в импульсе 3,3 кДж. Испытание на трение проводили спустя 1 сутки после обработки магнитным полем. В табл. 4 приведены линейный износ и интенсивность изнашивания. Износ образцов БрБ2, обработанных магнитным полем, в ~2 раза меньше, чем исходных закаленных. Для сплава Д16 изменения величины износа не столь существенны. Повышение триботехнических показателей связано с повышением усталостной прочности, так как основной причиной выхода из строя большинства антифрикционных материалов является усталостное разрушение [9].
Влияние структуры на повышение износостойкости сводится к формированию мелкозернистой микроструктуры, препятствующей сдвиговой деформации [10].
Сплав Обработка Линейный износ, мм Интенси
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.