ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ

С.В.Давыдов
Брянский государственный технический университет

Источник:

Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 3(15)

Показано, что при магнитно-импульсном упрочнении в сталях наблюдаются структурные признаки протекания двух процессов: высокоскоростной сдвиговой микропластической деформации по механизму двойникования и динамической рекристаллизации, - которые в зависимости от их интенсивности могут приводить к разупрочнению сплава.

Метод магнитно-импульсного упрочнения, или деформационное импульсное упрочнение энергией электромагнитного поля, заключается в том, что металлическая деталь помещается в сильное импульсное магнитное поле, создаваемое с помощью мгновенного разряда накопленной в конденсаторной батарее энергии на катушку индуктивности (рабочий индуктор). При этом в металлической детали индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с током индуктора приводит к возникновению усилий на поверхности металла. В результате взаимодействия тока, наведенного в детали, с электромагнитным полем индуктора возникают динамические воздействия на заготовку. Таким образом, электрическая энергия непосредственно преобразуется в механическую работу упрочнения поверхности металла.

Результаты исследований [1,2] показали, что импульсная обработка позволяет дополнительно повысить твердость и прочность материалов, не упрочняемых термической обработкой. Так, после импульсной обработки стали 08 ее твердость по Бринеллю (НВ) повысилась с 1142 до 1550 МПа. У конструкционной стали 40Х твердость по Роквеллу (НRC) возросла с 32 до 36 единиц, а у инструментальной стали Х10СФЮТ - с 60 до 65 единиц.

Металл упрочняется в результате действия основной и отраженной ударных волн, причем эффект упрочнения нельзя объяснить только пластической деформацией металла, так как степень остаточной деформации при импульсном упрочнении значительно меньше, чем при упрочнении статическим деформированием. В ряде случаев упрочнение при импульсной обработке наблюдается даже при остаточной деформации, близкой к нулю. Если при статическом сжатии деформация сопровождается сильным формооизменением зерна (текстура деформации) и осуществляется преимущественно скольжением, то при импульсном упрочнении она происходит по механизму интенсивного двойникования и сопровождается возникновением большого количества равномерно расположенных дислокаций. Причем дислокации зарождаются и перемещаются в объемах, ранее свободных от них.

Импульсное воздействие приводит к существенному измельчению зерна (в 2…3 раза), т.е. к повышению степени фрагментации структуры. Для новых зерен характерна зубчатость границ. Движущей силой процессов образования выступов (зубчатости) служит разница в локальной плотности дефектов по обе стороны границы зерен. Наличие зубчатости границ является признаком динамической рекристаллизации. Таким образом, после импульсного воздействия в сталях наблюдаются структурные признаки двух процессов: высокоскоростной сдвиговой микропластической деформации по механизму двойникования и динамической рекристаллизации.

Для инструментальных сталей установлено: после импульсной обработки площадь, занимаемая карбидной фазой, увеличилась в 1,5 раза при одновременном измельчении карбидных включений в среднем с 1,44 до 1,15 мкм. Установлено [3] также, что пластическая деформация способствует распаду цементита и переходу углерода в твердый раствор. Следовательно, процессы микропластической деформации, протекающие при импульсном упрочнении, способствуют более интенсивному растворению карбидной фазы и перераспределению углерода в матрице. Уменьшение размера зерен карбидной фазы, увеличение ее площади и степени дисперсности в матрице стали приводят к возрастанию вязкости.

Эффект увеличения пластичности обусловлен также:
- более равномерным и однородным протеканием деформации по всему объему обрабатываемой детали;
- высокоскоростным разогревом деформируемых объемов детали вихревыми токами до температур порядка 250…3500С, что ускоряет деформационные и диффузионные процессы;
- значительным снижением вероятности возникновения в металле скрытых дефектов типа внутренних нарушений сплошности.

Вместе с тем установлено [1,2], что стабильность эффекта упрочнения зависит от частоты магнитных импульсов.

При малых частотах, которые могут оказаться близкими к резонансным для данного типа кристаллической решетки материала, крупные комплексы атомов, лежащие в одной и той же кристаллографической плоскости, способны переходить на достаточно уда-ленные от равновесного состояния энергетические уровни, вызывая микропластическую деформацию. В результате в металле начинают протекать процессы динамической рекристаллизации, фрагментации зерен аустенита, значительно ускоряются диффузионные процессы вызывающие измельчение карбидной фазы, увеличение и перераспределение плотности дефектов и как следствие возникновение неравновесного состояния металла, которое проявляется в повышении прочности и твердости при одновременном сохранении вязких и пластических свойств.

С увеличением частоты импульсов интенсивность резонансных явлений заметно снижается, происходит фрагментация и несогласованное взаимодействие атомных комплексов, что ведет в конечном итоге к их переходу на более низкие энергетические уровни. При этом все ранее рассмотренные эффекты проявляются в значительно ослабленном виде. В ряде случаев не только не проявляется эффект упрочнения, но и наблюдается разупрочнение сплава.

Дополнительным недостатком импульсного упрочнения, кроме необходимости тщательного подбора частоты импульсов, является необходимость предварительной обработки металла (например, предварительной закалки или пластической деформации исходного материала) с целью достижения в сталях, не упрочняемых термической обработкой, повышенной концентрации дефектов и напряжений, что способствует проявлению и усилению эффекта упрочнения.

Кроме того, для легированных сталей требуется нагрев - перед импульсным упрочнением или непосредственно в ходе этого процесса - для интенсификации диффузионных процессов и процесса микропластической деформации.

Воробьева, Г.А. О структурных превращениях в металлах и сплавах под воздействием импульсной обработки / Г.А. Воробьева, А.Н. Иводитов, А.М. Сизов // Изв. АН СССР. Металлы.- 1991.- № 6.- С.131-137.

Дураченко, А.М. Влияние импульсной обработки на релаксационные спектры аморфных сплавов на основе железа и никеля / А.М.Дураченко, Е.Я. Малиночка // Изв. АН СССР. Металлы.- 1985.- № 6.- С. 167-170.

Бахарев, О.Г. Частичный распад цементита при пластической деформации и деформационное старение перлитной стали // Металлофизика. -1989. -Т.11.- № 6.- С. 78-83.