Магнитная структуроскопия порошковых сталей и сплавов Ульянов, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность темы

Технология порошковой металлургии позволяет изготовлять материалы с уникальными физико-механическими характеристиками, которые невозможно получить другими способами, например, вольфрамокобальтовые твердые сплавы, пористые самосмазывающиеся подшипники скольжения и др. Наиболее массовым материалом, изготовляемым по технологии порошковой металлургии, остаются конструкционные углеродистые стали на основе железных порошков. Этому способствует два обстоятельства. Во-первых, очень высокий коэффициент использования металла, который даже при изготовлении изделий сложной формы достигает 95-97%, во-вторых, малое количество достаточно простых технологических операций (обычно не более 4-6), что позволяет в значительной степени автоматизировать технологический процесс и, следовательно, сократить трудозатраты на готовую продукцию. Однако технология порошковой металлургии требует тщательного соблюдения технологических режимов на всех этапах производства - приготовления порошков, прессования, спекания, дополнительной термической обработки. Даже незначительные отклонения от номинальных параметров на любом этапе технологической цепочки могут приводить к браку готовой продукции.

Традиционно оценку механических свойств проводят по результатам испытаний изделий или специально изготавливаемых для этой цели образцов. Особенностью спеченных изделий является нестабильность их физико-механических свойств даже в пределах одной партии, следовательно, условие идентичности свойств образцов и реальных изделий, отличающихся и формой, и размерами, не всегда выполняется. Кроме того, традиционные методы контроля структурного состояния спеченных изделии трудоемки и процесс их длителен. Так, плотность спеченных изделий определяют методом гидростатического взвешивания, для чего пористые детали приходится покрывать специальным покрытием, а для определения содержания углерода методом химического анализа образцы приходится превращать в стружку. Трудоёмок и метод исследования микроструктуры спеченных изделий на шлифах. Особо остро вопросы контроля структурного состояния стоят при производстве массовых изделий из конструкционных углеродистых сталей, спекаемых из смеси порошков железа, графита и легирующих элементов, так как прочностные характеристики порошковых углеродистых сталей, особенно после термической обработки, могут изменяться в широких пределах [1л, 2л].

Отсюда вытекает актуальность разработки метоов контроля, позволяющих экспрессно оценивать качество порошковых изделий на различных этапах технологического процесса. Этим требованиям удовлетворяют физические методы неразрушающего контроля.

Методы неразрушающего контроля становятся возможными, если существует однозначная взаимосвязь между физическими, например, электрически-

ми, акустическими, магнитными свойствами и контролируемыми параметрами сталей и сплавов. В результате, по данным измерений тех или иных физических характеристик удается косвенно, на основе корреляционных связей, определять структурное состояние, прочностные характеристики контролируемых изделий. Если электрические и акустические свойства порошковых материалов в целях неразрушающего контроля изучены достаточно полно и имеются монографии, например [Зл], то изучению магнитных свойств в этих целях посвящены лишь отдельные работы [4л]. Поэтому вопрос поиска взаимосвязей между магнитными характеристиками и структурным состоянием порошковых материалов, содержащих в своем составе ферромагнитную фазу, является актуальным.

Магнитные методы получили широкое распространение в практике структуроскопии изделий из традиционных (литых) сталей, где накоплен богатый экспериментальный материал [5л, 6л]. Однако перенос методик магнитной структуроскопии, разработанных для компактных сталей, на порошковые стали, вследствие особенностей структурного состояния последних, в частности, наличия остаточной пористости, невозможен и требует дополнительных исследований.

Актуальным является так же вопрос разработки таких приборов и средств магнитной структуроскопии, которые в максимальной степени учитывали бы специфику порошковых изделий, а именно: нестабильность их геометрических размеров и формы, шероховатость и неровности поверхности.

Мель диссертации состояла в решении народнохозяйственной задачи, важной для повышения качества продукции, выпускаемой по технологии порошковой металлургии, - разработке комплекса магнитных методов и средств неразрушающего определения структурного состояния и прочностных характеристик изделий из порошковых материалов. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

изучение влияния особенностей структурного состояния на процессы намагничивания и лерсмагничивания с целью установления закономерных связей магнитных характеристик со структурными параметрами порошковых материалов широкой номенклатуры (порошковые углеродистые стали, порошковые вольфрамокобальтовые твердые сплавы, порошки редкоземельных сплавов для постоянных магнитов SniCos);

исследование возможности использования методов магнитного структурно-фазового анализа для неразрушающего определения остаточной пористости, структурного состояния и прочностных характеристик изделий из порошковых материалов на различных этапах процесса их изготовления;

создание новых и совершенствование существующих средств магнитного неразрушающего контроля структурного состояния и прочностных характеристик изделий из порошковых материалов.

Научная новизна работы заключается в разработке научно-метоЯйческих основ магнитного неразрушающего контроля структурного состояния и прочно-

стных характеристик изделий из порошковых материалов различной магнитной жесткости и включает в себя:

1. Обнаружение неизвестных ранее взаимосвязей между магнитными, магннтоакустоэмиссионными характеристиками и структурным состоянием в условиях вариации пористости и содержания связанного углерода порошковых углеродистых сталей, что позволило разработать физические основы магнитной структуроскопии изделий из порошковых углеродистых сталей на различных этапах технологического процесса их изготовления: прессования, спекания, упрочняющей термической обработки.

2. Физическое обоснование условий оптимального выявления структурных неоднородностей по измерению локальных магнитных полей рассеяния спеченных изделий простой формы.

3. Модельные представления о механизме перемагничивания порошковых вольфрамокобальтовых твердых сплавов, согласно которым магнитная фаза представляется в виде тонкой магнитной пленки, что позволило получить выражение, адекватно связывающее коэрцитивную силу со средним размером карбидных зерен и содержанием кобальта.

4. Закономерности влияния дефектов кристаллического строения на магнитные гистерезисные свойства порошков магнитожесткого сплава SmCo₅, позволившие обосновать магнитный метод контроля структурного состояния этих порошков на этапе механического измельчения.

5. Методы расчета и экспериментального определения внутреннего коэффициента размагничивания пористых магнетиков в широком интервале намагничивающих полей и метод определения магнитных полей, необходимых для магнитного насыщения тел, изготовленных из пористых магнитных материалов.

6. Закономерности распределения магнитных полей рассеяния в системе
"приставной магнитопровод - зазор - изделие", на основе которых созданы пер
вичные преобразователи для измерения коэрцитивной силы и намагниченности
насыщения с отстройкой от влияния зазора между полюсами приставного пре
образователя и контролируемым изделием.

Практическая значимость. Результаты теоретических и экспериментальных исследований магнитных свойств порошковых материалов во взаимосвязи с их структурным состоянием позволили разработать:

-магнитные методы неразрушающего определения остаточной пористости, структурного состояния и прочностных характеристик изделий из порошковых материалов на различных этапах процесса их изготовления;

-комплекс приборов для оценки качества спекания и упрочняющей термической обработки изделий различных типоразмеров из порошковых углеродистых сталей;

-специализированный прибор для контроля качества спекания малогабаритных изделий из порошковых вольфрамокобальтовых твердых сплавов;

-первичные преобразователи, позволяющие уменьшить или исключить влияние на информативные параметры контроля мешающих факторов, харак-

терных для порошковых изделий, таких как нестабильность их геометрических размеров и формы, шероховатость и неровности поверхности.

Разработанные приборы неразрушающего контроля переданы в эксплуатацию на ряде промышленных предприятий.

Достоверность экспериментальных результатов исследований подтвер-ждается: экспериментальными исследованиями на эталонных образцах; измерениями на аттестованных стандартных установках с известной погрешностью; статистической обработкой результатов измерений; большим экспериментальным материалом, многократно повторяемом на значительном количестве образцов; совпадением результатов измерений с теоретическими и экспериментальными данными других авторов, полученными в аналогичных условиях, в тех случаях, когда таковые имеются.

Апробация работы и публикации.

Материалы диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании по редкоземельным металлам, сплавам и соединениям (г. Москва,

1972. г.); на Международной научной конференции по магнетизму (г. Москва,

1973. г.); на Всесоюзной научно-техн. конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (г. Минск, 1981 г., г. Свердловск, 1990 г.); на 14-той Российской научно-техн. конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (г. Москва, 1996 г.); на Всесоюзной научно-техн. конференции "Порошковая металлургия" (г. Свердловск, 1989 г.); на 9-ти Уральских региональных научно-техн. конференциях по неразрушающему контролю (гг. Свердловск, Ижевск, Челябинск, 1981, 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1988, 1997 гг.); на Республиканских научно-техн. конференциях "Неразрушающие методы контроля в народном хозяйстве" (г. Рига, 1986, 1990 гг.); на семинаре "Новое оборудование в порошковой металлургии" (г. Москва, 1987 г.). Основные результаты диссертации опубликованы в монографии и в 52 научных публикациях (включая патент и 4 авторских свидетельства на изобретения), опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 239 наименований. Полный объем диссертации составляет287 страниц, втом числе 180 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 130 рисунков.

Материалы диссертации отражают личный вклад автора в решение проблемы. Постановка задачи, методы ее реализация, большинство опубликованных работ выполнены по инициативе и под руководством диссертанта.