Оборудование для плазменного упрочнения деталей

Для осуществления различных видов плазменной обработки материалов (резки, сварки, напыления, поверхностного упрочнения, легирования) используются установки, которые включают источник питания с аппаратурой управления; механизмы, обеспечивающие равномерное перемещение плазматрона над обрабатываемой поверхностью, и плазматрон.

Установка для микроплазменной обработки МПУ-4 обеспечивает надежную работу в четырех режимах горения дуги:

А- непрерывный режим тока дуги прямой полярности;

В- импульсный режим тока дуги прямой направленности;

С- импульсный режим тока прямой и обратной направленности;

Д- непрерывный режим тока дуги обратной полярности.

Техническая характеристика установки МПУ-4:

Напряжение питающей сети, В	220-380
Количество фаз
Частота питающей сети, Гц
Диапазон токов дуги, А:
прямой полярности	3-30
обратной полярности	1,5-15.
Напряжение холостого хода, В	60-80
Длительность импульса тока Прямой и обратной полярности, а также длительность паузы, С	0,02-0,5.
Ток дежурной дуги, А	3-6.
Напряжение холостого хода дежурной дуги, В	80 10%
Длина дуги, мм	3-6
Расход плазмообразующего газа, л/мин	0,2-0,5
Потребляемая мощность, кВА	3,5
Масса, кг

Для генерирования плазменного источника нагрева широко используются плазматроны с открытой дугой (рис.9.2.а) или прямого действия (положительный заряд подается на упрочняемую деталь) и плазматроны с замкнутой дугой- струей (рис.9.2.б) или косвенногодействия (отрицательный и положительный заряды подаются на детали плазматрона- соответственно катод и анод).

Плазматрон является основным элементом энергетической части установок для плазменного упрочнения деталей и представляет собой устройство, генерирующее стабилизированный в пространстве поток дуговой плазмы с температурой до нескольких тысяч градусов.

Рис 9.2. Схемы плазматронов.

К плазматронам предъявляются следующие требования:

· мощность;

· высокая энергетическая эффективность;

· стабильность параметров плазменного потока;

· большая длительность непрерывной работы;

· надежность конструкции;

· простота обслуживания;

· возможность использования различных плазмообразующих газов.

Мощность плазматрона зависит от вида электроплазменного процесса может меняться от единицы киловатт до нескольких сотен мегаватт. Для напыления и плазменного упрочнения используются дуговые плазматроны мощностью до 100 кВт.

Под высокой энергетической эффективностью плазматронов понимается возможность эффективного преобразования электрической энергии в тепловую и получение максимального КПД технологического процесса.

Эффективность ведения технологического процесса зависит от стабильности параметровплазменного потока. В начале плазматроны могут создаваться значительные пульсации параметров плазменного потока, что приводит к неравномерному вводу тепла в упрочненное изделие и, как следствие, неравномерному распределению твердости по длине и ширине упрочненной зоны.

Дуговые плазматроны, предназначенные для плазменного поверхностного упрочнения могут работать 200 часов и более без смены электродов.

Надежность конструкции плазматрона определяется многими факторами: простотой его конструкции, надежностью сборки и разборки, удобством монтажа и т.д.

Под простой оборудования следует понимать простоту крепления плазматрона в технологической зоне, сборки и разборки, точность возбуждения электрического разряда без ввода дополнительных устройств в область разрядного канала.

Возможность использования разнообразных плазмообразующих средств в дуговых плазмотронах ограничивается процессом эрозии электродов.

Плазматроны классифицируются по ряду признаков.

По назначению плазматроны для поверхностного упрочнения подразделяют на машинные и ручные.

По принципу работы плазматроны могут быть с внешней или вынесенной дугой (плазматроны прямого действия) и с внутренней дугой (плазматроны поверхностного действия). Наиболее широко применяются для упрочнения деталей сложной форма получили плазматроны косвенного действия.

По роду используемого тока различают плазматроны постоянного тока и плазматроны переменного тока. Наибольшее распространение получили плазматроны постоянного тока, так как более простые по своим конструктивным схемам и обладают высокой эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую.

По роду применяемой рабочей среды можно выделить три типа плазматронов: с нейтральным рабочим газом, с окислительной средой и водой. Из газов, нейтральных по отношению к рабочим электродам, наибольшее применение получили аргон, азот, водород и их смеси. С точки зрения экономичности процесса целесообразно использовать плазматроны, работающие на воздухе, однако стойкость электродов у таких плазматронов относительно невелика из-за значительной их эрозии.

При всем разнообразии конструкций все плазматроны имеют три основных элемента: электрод (катод), сопло (у плазматронов косвенного действия- анод) и изолятор (промежуточная вставка). Изолятор разделяет электрод и сопло, находящиеся под разными электрическими потенциалами.

Электроды плазматрона по типу и по конструкции зависят от состава плазмообразующей среды. В качестве материала для электродов, работающих в окислительных средах используют графит, в нейтральных газах- вольфрам. Конструктивно электроды выполняют двумя способами: в виде прутка, который фиксируется цанговым зажимом, закрепленным в электродном узле плазматрона, и медной державки с запрессованным в нее стрежнем электрода.

Сопло плазматрона предназначено для формирования геометрических и энергетических параметров дуги. Основные параметры сопла- диаметр и высота канала. Для упрочнения деталей желательно уменьшать диаметр сопла и увеличивать высоту канала сопла, что благоприятно сказывается на технологических возможностях плазматрона, так как при этом увеличивается скорость упрочнения и глубина упрочненной зоны. Однако значительное уменьшение диаметра сопла приводит к снижению его стойкости и возникают трудности с зажиганием дуги.

К материалу промежуточных вставок предъявляют следующие требования:

· должны обладать высокой электрической прочностью, так как возбуждение дуги осуществляется чаще всего с помощью высоковольтного высокочастотного разряда;

· иметь высокую механическую прочность, поскольку промежуточные вставки выполняют функции несущих частей конструкции, на которой крепятся остальные узлы плазматрона;

· возможность обработки режущим инструментом;

· термостойкий, так как подвержены воздействию теплового и светового излучения дуги;

· герметичный, поскольку через них проходят коммуникации плазмообразующего газа и охлаждения.

9.3.4 технологические варианты плазменного упрочнения деталей

Имеются следующие варианты плазменного поверхностного упрочнения:

· упрочнение без оплавления поверхности детали;

· упрочнение с оплавлением поверхности детали;

· упрочнение с зазором между упрочненными зернами;

· упрочнение с перекрытием упрочненных зон;

· химико-термическая плазменная обработка;

· плазменное упрочнение в сочетании с другими способами объемной или поверхностной термической обработки.

Плазменное упрочнение без оплавления поверхности является наиболее распространенным для стальных деталей, так как обеспечивает сохранение качества (величины шероховатости) достигнутого предшествующей механической обработкой.

Упрочнение с оплавлением поверхности стальных и чугунных деталей применяется когда необходимо получить особые эксплуатационные свойства. Например, обработка валков черновой группы клетей станов горячей прокатки, к шероховатости рабочей поверхности которых не предъявляются высокие требования. При обработке чугунных деталей на поверхности образуется отдельный слой с высокой износостойкостью.

Плазменное упрочнение поверхностей деталей без перекрытия зона обработки приводит к получению равномерной твердости на поверхности, а с перекрытием зон обработки- к появлению неравномерной твердости из-за появления зон отпуска в местах перекрытия.

Возможность реализации химико-термической обработки при плазменной обработке определяется родом газа используемого в качестве плазмообразующего. Например: азотирование. Здесь в качестве плазмообразующего газа применяется смесь аргона с азотом.

Возможно применение технологии комплексного упрочнения, включающей предварительную или последующую обработку объемную термическую обработку и плазменное упрочнение; закалку в ТВЧ и плазменную обработку.

Контрольные задания

Задание 9.1

Какие существуют группы методов упрочнения деталей концентрированными потоками энергии?

Задание 9.2

Требования, предъявляемые к плазмотронам.

Задание 9.3

Перечислите варианты плазменного упрочнения деталей.

 

Лекция 10

 

10. Вакуумное ионно-плазменное упрочнение, ионное магнетронное распыление, ионное легирование

10.1 Вакуумная ионно-плазменное упрочнение деталей машин

Среди методов нанесения защитных покрытий, основанных на воздействии на поверхность детали потоков частиц и квантов с высокой энергией, большое внимание привлекают вакуумные ионно-плазменные методы. Характерной их чертой является прямое преобразование эклектической энергии в энергию технологического воздействия, основанной на структурно-фазовых превращениях в осажденном на поверхности конденсате или в самом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру.

Основным достоинством данных методов является возможность создания весьма высокого уровня физико-механических свойств материалов в тонких поверхностных слоях, нанесение плотных покрытий из тугоплавких химических соединений, а также алмазоподобных, которые невозможно получить традиционными методами. Кроме того, эти методы позволяют:

· обеспечивать высокую адгезию покрытия к подложке;

· равномерность покрытия по толщине на большой площади;

· варьировать состав покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла;

· получить высокую чистоту поверхности покрытия;

· экологическую чистоту производственного цикла.

Методы вакуумной ионно-плазменной технологии:

1) Модифицирование поверхностных слоев:

· ионно-диффузионное насыщение; (ионное азотирование, науглероживание, борироване и др.);

· ионное (плазменное) травление (очистка);

· ионная имплантация (внедрение);

· отжиг в тлеющем разряде;

2) Нанесение покрытий:

· полимеризация в тлеющем разряде;

· ионное осаждение (триодной распылительной системе, диодной распылительной системе, с использованием разряда в полом катоде);

· электродуговое испарение;

· ионно-кластерный метод;

· катодное распыление (на постоянном токе, высокочастотное);

· химическое осаждение в плазме тлеющего разряда.

Современные вакуумные ионно-плазменные методы упрочнения (модифицирование) поверхностей деталей машин включают следующие этапы:

· генерацию (образование) корпускулярного потока вещества;

· его активизацию, ускорение и фокусировку;

· конденсацию и внедрение в поверхность деталей (подложек).

Генерация: корпускулярного потока вещества возможна его испарением (сублимацией) и распылением.

Испарение: переход конденсированной фазы в пар осуществляется в результате подводок тепловой энергии к испаряемому веществу.

Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.

Нагрев испаряемого вещества может осуществляться:

· за счет выделения джоулева тепла при прохождении электрического тока через испаряемый материал или через испаритель;

· в результате бомбардировки поверхности метала ускоренным потоком электронов (электронно-лучевой нагрев) или квантами электромагнитного излучения (лазерный нагрев);

· высокочастотным электрическим магнитным полем (индукционный нагрев);

· электрической дугой.

Выбор способа нагрева и конструкция испарения зависит от природы испаряемого материала, его исходной формы (гранулы, порошок, проволока), требуемой скорости испарения, постоянства во времени и т.д.

Наибольшее распространение получил нагрев при помощи электронной бомбардировки, что позволяет достигать температуры 4000 градусов Цельсия и плотности энергии в луче до 5*10⁸Вт/см².

Электронно-лучевой способ нагрева состоит в, что на образец метала направляют поток электронов от катода и ускоренных электрическим полем до энергии 5-25 кэВ. Поток электронов (электронный луч) получают с помощью электронно-лучевых пушек.

Средняя энергия частиц в потоке, образованном испарением, невысока, поэтому необходимо увеличить энергию частиц, прибывающих на подложку. Простым способом ускорение заряженных частиц является электрическим полем, но так как для создания потоков в основном используются нейтральные частицы, их активацию можно осуществлять действием на атомы потоком электронов, ионов, атомов или фотонов.

В результате образования активированного корпускулярного потока в контакт с подложкой метала детали входят нейтральные частицы (возбужденные и невозбужденные) с высокой энергией и ионы. Процесс взаимодействия такого сложного по составу потока с поверхностью метала сводится к протеканию взаимосвязанных физических явлений: конденсации, внедрение и распыление.

10.2 Ионное распыление

Ионные распылители разделяют на две группы:

· плазмоионные, в которых мишень находится в газоразрядной плазме, создаваемой с помощью тлеющего, дугового и высокочастотного разряда. Распыление происходит в результате бомбардировки мишени ионами, извлекаемыми из плазмы;

· автономные источники без фокусировки и с фокусировкой ионных пучков, бомбардирующих мишень.

В наиболее простом случае система распыления состоит из двух электродов, помещенных в вакуумную камеру (рис. 10.1)

Распыляемую мишень из наносимого материала располагают на катоде. На другом электроде на расстоянии в несколько сантиметров от катода, устанавливают детали (подложки).

Камеру вакуумируют, а затем наполняют рабочим газом (чаще всего аргоном) до давления 1,33Па. На электрод с подложки подают отрицательный потенциал, зажигают газоразрядную плазму и бомбардировкой ионами производят очистку их от поверхностных загрязнений. Далее отрицательный потенциал прикладывают к мишени и распыляют ее. Распыляемые частицы движутся через плазму разряда, осаждаются на деталях и образуют покрытие. Большая часть энергии ионов, бомбардирующих мишень (до 25%) переходит в тепло, которое отводится водой, охлаждающей катод.

1- камера; 2- подложкодержатель; 3- детали (подложки); 4- мишень; 5- катод; 6- экран; 7- подвод рабочего газа; 8- источник питания; 9- откачка.

Рис. 10.1 Принципиальная система распыления.

Достоинства:

· возможность получения покрытий из тугоплавких металлов, сплавов и химических соединений.

10.3 Магнетронное распыление

Нанесение покрытий в вакууме с помощью магнетронных систем заключается в распылении твердой мишени напыляемого материала ионами инертного газа, образующимися в плазме аномального тлеющего разряда при наложении на него магнитного поля, силовые линии которого ортогонально пересекают силовые линии магнитного поля.

1- катод (мишень); 2- магнитная система; 3- источник питания; 4- анод; 5- траектория движения электрона; 6- зона распыления; 7- силовая линия магнитного поля.

Рис 10.2 Схема магнетронной распылительной системы с плоской мишенью.

Основными элементами магнетрона является катод- мишень, анод и магнитная система (рис.10.2). силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между системами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля к распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, и им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхностей мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим их на катод, а с другой стороны- поверхностью мишени, их отталкивающей. Электрон циркулирует в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых он потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это, в свою очередь, приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости осаждения покрытия.

10.4 Ионное осаждение покрытий

К методам ионного осаждения покрытий относят методы, в которых осаждаемая пленка подвергается интенсивному воздействию ионного компонента корпускулярного потока, обеспечивающего изменения в структуре и свойствах как переходной зоны, так и самого покрытия. Такой результат возможен либо при высокой степени ионизации корпускулярного потока (газообразного или металлического) осаждаемого вещества, либо при высокой энергии ионного компонента корпускулярного потока.

По типу источника генерации металлического компонента потока различают ионно-термические системы распыления и холодные системы. В первых системах перевод переносимого материала из твердого в парообразное состояние осуществляется в результате термического нагрева, во- втором- распылением с поверхности интегрально холодной мишени (катода).

Эти методы позволяют получать покрытия ч высокими служебными характеристиками кристаллизации пленок и их свойствами. В машиностроении они нашли применение для получения износостойких и коррозионностойких покрытий как из чистых металлов, так и из соединений.

Недостаток: низкий процент ионизированных частиц в общем потоке испаряемого материала, что влияет на адгезионные свойства характеристики покрытия и условия протекания реакции с реактивным газом.

10.5 Ионно-диффузионное насыщение

Система ионного насыщения представляет собой вакуумную камеру, в электрическом плане реализующую двухэлектродную схему: катод-электрод с деталями; второй электрод (анод)- заземленный корпус вакуумной камеры. Для проведения процесса ионам насыщения в вакуумную камеру подается легирующий материал (элемент или химическое соединение) в газообразном (парообразном) состоянии, а к деталям прикладывается отрицательный потенциал- 300 1000 В. поверхность детали бомбардируется положительными ионами легирующего элемента из газоразрядной плазмы, что позволяет значительно сократить длительность процесса насыщения поверхности.

Этот метод наиболее широко применяется при азотировании сталей и металлов.

Преимущества перед печами обычного газового азотирования:

· сокращение длительности цикла в3-5 раз;

· уменьшение деформации деталей в3-5 раз;

· возможность проведения регулируемых процессов азотирования с получением слоев с заданным составом и структурой;

· возможность уменьшения температуры процесса азотирования до 350-400 ⁰С, что позволяет избежать разупрочнения материалы сердцевины изделий;

· уменьшение хрупкости слоя и повышение его служебных характеристик;

· простота защиты отдельных участков деталей от азотирования;

· устранение опасности взрыва печи;

· снижение удельных расходов электрической энергии в 1,5-2 раза и рабочего газа в 30-50 раз;

· улучшения условий труда термистов.

Недостаток:

· невозможность ускорения процесса путем увеличения плотности ионного потока, т.к. в результате перегрева деталей снижается поверхностная твердость;

· интенсификация процесса ионного азотирования;

· наложение магнитного поля с целью увеличения плотности тока и снижения давления газа;

· за счет создания поверхности детали заданной дефектности (предварительное пластическое деформирование, термическая обработка).

10.6 Ионное легирование (имплантация)

При имплантации тонкий поверхностный слой насыщается элементом, потоком ионов которого поверхность обрабатывается (бомбардируется). Имплантированный элемент может входить в кристаллическую решетку основы в виде твердого тела, или образовывать весьма мелкокристаллические выделения химических соединений с компонентами материала основы. Кроме того, при внедрении иона в кристаллической решетке инициируется смещение атомов, приводящих к образованию большого количества дефектов кристаллической решетки. Толщина этого насыщенного дефектами и вследствие этого упрочненного слоя во много раз превышает глубину проникновения ионов. Толщина модифицированного слоя несколько микрон.

Имплантация существенно снижает износ и трение, увеличивает антикоррозионные свойства металла.

Контрольные задания

Задание 10.1

Перечислите этапы вакуумного ионно-плазменного упрочнения.

Задание 10.2

Что такое сублимация?

 

Лекция 11

 

11. Магнитное упрочнение деталей машин

Магнетизм интересует человечество уже более 200 лет. Электромагнитное поле успешно применяют в современной технике и технологии для управление свойствами тела и жидкости. В России и передовых странах мира магнитную обработку используют для улучшение свойств конструкционных материалов, воды, растворов, дисперсных систем, резины, режущего и мерительного инструмента, зубчатых колес, тросов, заклепок, станин, буров и т.п.

Внедрение магнитной обработки позволят уменьшить остаточные и усталостные напряжения в деталях и конструкциях, повысить износостойкость и долговечность различных деталей.

11.1 Методы магнитной обработки

Применяемые на практике методы магнитной обработки материалов различны как по своим физическим и технологическим принципам, так и по конструктивным использованием установок.

Методы магнитной обработки:

· обработка одним импульсом постоянного магнитного поля напряженностью 100 1000кА/М при различной длительности воздействия: 10 300с. и более;

· обработка импульсным магнитным полем напряженностью 50 2000 кА/М при длительности импульса 0,1 10с. и с различном количеством импульсов.

Методы обработки постоянным магнитным полем:

· обработка одним импульсом с последующим размагничиванием через 8 24 часа;

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

· обработка без последующего размагничивания;

· динамическая обработка, когда деталь в поле постоянной напряженности вращается с некоторым ускорением часты вращения (1 50с.) в течение 1 5 секунд;

· обработка при свободном перемещении заготовки в полости индуктора;

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

Методы импульсной магнитной обработки:

· обработка без последующего размагничивания;

· многоцикловая обработка (2 10 циклов) с выдерживанием между циклами 1 20 минут;

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

· обработка в металлических контейнерах или камерах с применением ферромагнитной жидкости или ферромагнитного порошка;

· комбинированные методы.

Перспективные методы импульсной магнитной обработки:

· обработка с нарастающей амплитудой импульса. Применяют для снятия напряжений в изделиях, работающих при ударных нагрузках. Режим: Н=100 800кА/М, время цикла обработки 0,1 1,0с., число циклов 2 10, время выдерживания между циклами 1 20 минут.

· с вращением детали в соленоидах. Применяют для снятия напряжений в местах сварки разнородных материалов. Режим: Н=100 800кА/М, число циклов 2 10, время выдерживания 1 20 минут, частота вращения детали в соленоиде 1000 10000 мин.^-1 в течение 1-5 мин.;

· вращающимся магнитным полем. Применяют для повышения долговечности готовых изделий. Режимы: Н=100 800 кА/М, время цикла 0,1 1,0с., число циклов 2 10;

· обработка холодом и импульсной магнитной обработкой. Применяют для упрочнения ответственных деталей, работающих при низких температурах. Режим: обработка в контейнерах при -100 200⁰С, Н= 400 2000 кА/М, время цикла 0,3 2с., число циклов 1 10, время между импульсами 30 3000с.. Размагничивать.

· импульсом магнитным обработка в вакууме с применением защитных покрытий. Применяют для упрочнения деталей, работающих в вакууме: Н= 400 2000 кА/М, время цикла 0,3 2,0с., число циклов 1 10, время между импульсами 30 3000 сек.

· термическая обработка металлов в магнитном поле.

11.2 Сущность магнитной обработки

Рис.11.1 Обработка импульсным магнитным полем.

При обработке магнитным полем заготовка 2 помещается внутрь соленоида 1, к которому подключается генератор импульсов. Напряженность магнитного поля, длительность импульсов и количество импульсов зависят от конкретной обрабатываемой детали:

· материал детали;

· конфигурация;

· габариты;

· термообработка.

Рис.11.2 Обработка постоянным магнитным полем.

При обработке постоянным магнитным полем соленоид 1 подключают к источнику постоянного тока, вследствие чего возникает магнитное поле с полюсами N и S. Заготовку размещают внутри соленоида или рядом с полюсом N. Обязательно размагничивание. Известно, что кристалл (зерно) размерами 10^-2- 10^-3см. состоит их субкристаллов (субзерен), средний размер которых 1 10^-3 1 10^-4см. Субзерна состоят из блоков с размерами 10^-4 10^-5см. Согласно теории магнетизма кристаллы разделяются на замкнутые области- домены, каждая из которых имеет определенный магнитный момент. В целом кристалл не намагничен, так как магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве равновероятно. Средний размер доменов находится в пределах 10^-2 10^-7см.

Рассмотрим ход кривой намагничивания В=f(H) ферромагнетика, состоящего из совокупности отдельных кристаллов (рис.11.3). в прямоугольниках показаны направления намагничивания доменов при различных значениях намагничивающего поля. Исходное состояние соответствует размагниченному образцу (Н=0, В=0), т.е. равно вероятному расположению доменов, намагничивающих в легком направлении (по ребрам куба ферромагнетики с кубической кристаллической структурой).

Рис.11.3 Кривая намагничивания ферромагнетика.

Слабым полям соответствует участок обратимого смещения границ. На этом участке происходит увеличение объемов доменов, векторы намагниченности (магнитных моментов) которые образуют наименьший угол с направлением внешнего поля за счет «антипараллельных» доменов. Процесс практически является обратимым, т.к. после удаления внешнего поля образец возвращается в исходное состояние.

На участке необратимого процесса под действием энергии кристаллографической магнитной анизотропии происходит увеличение объема тех доменов, вектор намагниченности которых образует наименьший угол с направление магнитного поля. Это увеличение происходит за счет уменьшения объема неблагоприятно расположенных доменов (явление анизотропии). Одновременно с ростом доменов под действием энергии магнитострипционной деформации происходит процесс вращения (поворота) доменов вокруг оси легкого намагничивания. Магнитосрипция, возникающая под действием магнитного поля, деформирует кристаллическую решетку.

Поворот доменов происходит в направлении внешнего поля. При устранении намагничивающего поля не происходит возврата в исходное состояние. Согласно магнитной теории домены растут в процесс магнитной обработки. Но как известно, чем меньше зерен, тем выше твердость металла. Поэтому для упрочнения металла важен начальный момент образования доменной структуры до момента роста доменов.

Необходимым условием обработки импульсным магнитным полем является, чтобы напряженность внешнего магнитного поля Н₀ была больше Н_мах обрабатываемого материала. Исследованиями установлено, что при образовании доменной структуры возникают доменные границы, толщина которых зависит от энергии магнитной анизотропии и магнитоупругой энергией. Размеры самих доменов зависят от наличия и распределения в образце неоднородностей: неметаллических включений, размеров зерен, скоплений дислокаций и т.д.

Исследованиями установлено, что в результате предшествующей термообработки металла и последующей импульсной магнитной обработки происходит перестройка дислокационной структуры: часть дислокаций равномерно распределяются внутри зерен, а часть перестраивается с образованием субграниц. При этом, чем крупнее зерно, тем больше отток дислокаций на субграницы, ограничивающие зерно.

При увеличении времени обработки магнитным полем происходит рост доменов. Этот рост начинается у доменов, векторные намагниченности которых наиболее близки к направлению внешнего поля Н₀. При этом наиболее сильные домены, у которых векторы Н совпадают с Н₀ «поедают» наиболее слабые, у которых векторы Н противоположны с Н₀.

В результате импульсной магнитной обработки в течение первых нескольких секунд происходит увеличение дисперсности структуры (измельчение) поверхностного слоя и плотности дислокаций. При увеличении времени обработки МИО дисперсность структуры уменьшается в результате роста доменов внутри зерен исходной структуры и несколько снижается плотность дислокаций.

Контрольные задания

Задание 11.1

Перечислите методы обработки деталей постоянным магнитным полем.

Задание 11.2

Перечислите методы импульсной магнитной обработки.

 

 

Лекция 12

 

12. Конструктивные и эксплуатационные методы повышения износостойкости деталей машин

12.1 Конструктивные методы повешения износостойкости

Развитие конструкции машин происходит при постоянном стремлении к увеличению их производительности, что почти всегда сопровождается повышением механической и тепловой нагрузок подвижных сопряжений деталей. В связи с этим перед конструктором стоит задача создания новых, более современных узлов трения. В конструктивную разработку узлов трения входят:

· оценка и выбор принципиальной схемы работы узлов трения с точки зрения их влияния на износостойкость и надежность машин в целом;

· выбор материалов и сочетание их в парах трениях;

· назначение размеров и конфигураций деталей с учетом местной и общей прочности;

· разработка мер по уменьшению общих и местных перегрузок;

· обеспечение нормального функционирования узлов трения в заданных условиях с помощью смазочной системы, защиты от загрязняющего действия среды, блуждающих токов и перегрева от посторонних источников тепла, воздействующих на узел в процессе работы;

· обеспечение эксплуатационной технологичности конструкции;

· защита трущихся поверхностей деталей и узлов от возможных аварийных повреждений при эксплуатации;

· разработка средств диагностирования узлов трения.

12.1.1 Выбор материалов для трущихся деталей

Трущиеся детали в зависимости от назначения изготавливают из конструкционных, фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов обширной номенклатуры. Во многий случаях на конструкционный материал наносят износостойкие покрытия, пленки и др. Из конструкционных сталей делают детали, которые должны отвечать требованиям высокой прочности, жесткости или податливости, а также иметь поверхности трения: детали типа валов, пальцев, болтов, зубчатых колес, силовых цилиндров, поршней и т.д.

Фрикционные материалы- это материалы, которые в контакте с металлической поверхностью имеют высокий, более или менее стабильный коэффициент трения. Материалы разделяются на органические (дерево, пробка, войлок), металлические (чугун, тали У6,У7, марганцевая сталь и др.), асбестокаучуковые, пластмассовые (текстолит, асбестотекстолит, фибра), спеченные из медной и железных основах.

Износостойкие- материалы, которые при трении даже в тяжелых условиях нагружения сравнительно мало изнашиваются. Конструкции: плунжерные пары, зубья ковшей экскаваторов, лемеха плугов и др.

Материалы: конструкционные стали, упрочненные по всему объему или по рабочим поверхностям, специальные стали, чугуны, спеченные металлы, резина, пластмасса и др.

Антифрикционные- подшипниковый материал, как металлический, так и неметаллический, твердость которого меньше твердости сопряженной детали. Свойства материала: достаточная статическая и динамическая прочность при повышенных температурах; способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала