CN109979707B - 一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，制备与待处理工件的材料性能完全相同的样品，测量静态磁滞回线，确定脉冲磁场的频率和脉冲磁场的处理方向后，将工件放入脉冲磁场处理，同时加载脉冲电流，最后进行退磁处理。本发明在金属工件外形和宏观尺寸没有明显变化情况下，仅将金属工件置于特定脉冲磁场和电场中，通过调整合适的磁场和电场工艺参数，改变材料内部的位错密度分布形态，从而改善工件材料微观组织、改善工件硬度分布情况，从而提升其性能和延长使用寿命。

Description

一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法

技术领域

本发明属于工件硬度调试领域，具体涉及一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法。

背景技术

硬度是金属材料的一项重要物理性能参数，它代表了材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。实际生产中，根据工件的服役情况，有时工件各部位的硬度要求不同，希望工件各部位的硬度能按照需要分布；同时也存在希望工件硬度分布均匀时，但由于工件成分偏析、回火温度不均匀或冷却速度较大差别等多种原因经常造成工件硬度分布不均匀。工件硬度达不到预定要求，将严重影响其性能和服役寿命。传统方法中，通常通过热处理改善金属工件硬度分布，其取得了很好的效果，但存在以下不足：处理时间长、高能耗、高污染、工件变形量大，且基本都是对工件整体处理，很难按需对局部处理而不影响其外围材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，能够在金属工件外形和宏观尺寸没有明显变化情况下，明显改善其硬度分布情况，从而提升工件的性能和寿命。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、制备样品：

包括测量材料静态磁滞回线所需样品和用于确定脉冲磁场频率的样品，2种样品必须保持与待处理的工件的材料性能完全相同；测量材料静态磁滞回线所需样品根据待处理的工件的大小及形状，制成块状或环状；用于确定脉冲磁场频率的样品为环状或者长方体；

S2、测量静态磁滞回线：

根据测量材料静态磁滞回线所需样品的形状，选择对应的测量仪器，测量静态磁滞回线，从而确定磁处理时的磁场强度范围；

S3、确定脉冲磁场的频率：

将用于确定脉冲磁场频率的样品放置在交变磁场中，用电阻测量仪在线实时监测样品的电阻变化；将磁场强度调节到S2所述的磁场强度范围，调节磁场的输出频率，每改变依次频率后停留一定时间，观察用于确定脉冲磁场频率的样品的电阻变化，通过电阻变化情况，确定磁处理的频率；

S4、确定脉冲磁场的处理方向：

如果待处理的工件为各项同性，磁处理的方向沿退磁因子小的方向，从而增大材料的有效磁化强度；若待处理的工件为各项异性，在考虑退磁因子的同时使磁场方向垂直于材料内部位错多的方向，从而提升磁处理效率；

S5、脉冲磁场处理：

将待处理的工件放置在脉冲磁场中，按照S2、S3、S4确定的参数进行磁处理；在磁处理的同时根据最终硬度要求监测不同部位电阻的变化情况，从而确定加载脉冲电流的时机；

S6、加载脉冲电流：

在磁处理的同时，对工件的局部或整体加载脉冲电流；电流加载完成后，将工件保留在脉冲磁场中一段时间；

S7、退磁处理：

给工件施加一个等于或大于工件剩磁强度的磁场，然后不断地改变磁场方向并逐渐减小磁场强度到零值。

按上述方法，S2中，块状的测量材料静态磁滞回线所需样品，对应振动样品磁强计测量静态磁滞回线，块状的测量材料静态磁滞回线所需样品在磁极中间感应线圈正中心的连线处并且被安装在振动杆上，在感应线圈范围内垂直于磁场的方向进行振动；环状的测量材料静态磁滞回线所需样品，对应静态磁滞回线测量仪，环状的测量材料静态磁滞回线所需样品上均匀的绕两组线圈，分别为初级线圈和次级线圈，初级线圈由电路通入电流。

按上述方法，对每个测量材料静态磁滞回线所需样品，选取至少3处取样点进行取样，取样点包括测量材料静态磁滞回线所需样品的内部和外部，且均匀分布；磁处理的磁场强度大于所有取样点的静态磁滞回线所对应的饱和磁场强度。

按上述方法，所述的S7具体为：将工件放置于电磁铁的两磁极之间，磁场强度为工件的剩磁强度；然后以一定的分档逐级降低磁场，每降一档切换一次磁场方向，直到电流降到零为止；每档磁场为前一档的50%。

本发明的有益效果为：在金属工件外形和宏观尺寸没有明显变化情况下，仅将金属工件置于特定脉冲磁场和电场中，通过调整合适的磁场和电场工艺参数，改变材料内部的位错密度分布形态，从而改善工件材料微观组织、改善工件硬度分布情况，从而提升其性能和延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例的工艺流程图。

图2为电磁复合能量场设备结构示意图。

图3为试样在磁场中状态图。

图4为GCr15钢静态磁滞回线。

图中：1-可移动铁芯，2-线圈，3-可移动电极头，4-调节扶手，5-电源，6-工件，7-电磁场的指向。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明为了弥补传统热处理调试金属工件硬度的不足，采用电磁场处理技术实现金属工件的硬度调控。其内容包括提升工件硬度的均匀性和改变工件局部硬度。具体来说，这种技术就是将金属工件置于特定脉冲磁场和电场中，通过调整合适的磁场和电场工艺参数，改变材料内部的位错密度分布形态，从而达到改善工件材料微观组织、改善工件硬度分布情况，以达到提升其性能和延长使用寿命的目的。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

1、样品制备

包括测量材料静态磁滞回线所需样品和用于确定脉冲磁场频率的样品；2种样品必须保持与待处理工件的材料性能（包括材料成分和热处理状态等）完全相同，最好能从同批次的工件上切去样品。测量材料静态磁滞回线所需样品可根据试样或工件的大小及形状，制成块状或环状；另取一环状或者长方体试样用于确定脉冲磁场处理频率。

2、静态磁滞回线测量

测量材料静态磁滞回线所需样品中，对于块状样品，使用振动样品磁强计（VSM）测量静态磁滞回线，样品在磁极中间感应线圈正中心的连线处并且被安装在振动杆上，其在感应线圈范围内垂直于磁场的方向进行振动。对于环状样品，使用仪器为静态磁滞回线测量仪，样品上面均匀的绕两组线圈，分别为初级和次级线圈，初级线圈由电路通入电流。最终获得块状或环状样品的静态磁滞回线。

静态磁滞回线的测量目的用于确定磁处理时的磁场强度。考虑到实际试样或工件组织成分不均匀性，对每个试样或工件选取5处进行取样，取样点包括试样或工件内部和外部，且分布均匀。设5个试样的静态磁滞回线所对应的饱和磁场强度分别为：H₁、H₂、H₃、H₄和H₅，那么，磁处理的磁场强度应不小于它们的最大值，即磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}。

3、确定脉冲磁场的频率

用于确定脉冲磁场频率的样品中，我们选择环状样品，放置在特定交变磁场中，同时用自制的电阻测量仪在线实时监测样品的电阻变化。将磁场强度调节到步骤2确定的磁场强度范围，调节磁场的输出频率，每改变一次频率后停留30s，磁场频率变化范围在1-300Hz，观察样品的电阻变化，通过电阻变化情况，确定磁处理的频率。

若为长方体样品，原理是一样的，只是停留的秒数、磁场频率变化范围有差异。

4、确定脉冲磁场的处理方向

如果待处理工件为各项同性（或可近似认为是各项同性），磁处理的方向应尽可能沿退磁因子小的方向，这样可以增大材料的有效磁化强度。若工件有明显的方向取向，即各向异性，此时在考虑退磁因子的同时还应使磁场方向尽可能垂直于材料内部位错多的方向，沿此方向可以提升磁处理效率。

5、脉冲磁场处理

将待处理的工件放置在脉冲磁场中，磁处理参数和方向按照该技术方案中的S2、S3、S4确定。在处理的同时根据最终硬度要求监测不同部位工件电阻的变化情况。根据此变化可以确定加载脉冲电流的时机。如图2所示，通过调整调节扶手4可以调整左右可移动铁芯1之间的距离，从而调整磁场强弱。图2中的电源5可以调整脉冲磁场频率和通过调节线圈2中电流的大小调整磁场强度。调节可移动电极头3可以调整对工件6的处理部位。图3所示工件6在电磁场处理时电磁场的指向7。

6、加载脉冲电流

在工件脉冲磁场处理的同时，对工件的局部或整体加载脉冲电流，脉冲电流的参数设定与材料的性能和工件最终的硬度要求有关。电流加载完成后，不应立即取出工件，应根据材料性能将工件保留在磁场中一段时间，此时长一般为10-500s。

7、退磁处理

经过磁场处理的工件都不同程度地存在着剩余磁场，必须进行退磁处理。退磁的方法一般是给工件施加一个等于或大于工件剩磁强度的磁场，然后不断地改变磁场方向并逐渐减小磁场强度到零值。可将工件置放于电磁铁的两磁极之间，其磁场很强，足以使工件达到剩磁强度；然后以小的分档逐级降低磁场，每降一档切换一次磁场方向，直到电流降到零为止；每档应为前一档的 50%，分档应尽可能小。

实施例1 电磁处理对GCr15耐磨套硬度分布调试

首先根据GCr15耐磨套的服役工况分析，其主要失效为磨损失效，磨损的形式为黏着磨损，而且初始磨损区多在表面硬度较小处，所以提高其表面硬度和使其硬度分布更加均匀，对提升GCr15耐磨套的使用寿命具有重大意义。按以下方式对GCr15耐磨套进行电磁处理：

1）按照S1，将测量静态磁滞回线的样品制成块状，另取一外径为71mm、内径为53mm、高度为20mm的环试样。

2）按照S2中测量块状样品静态磁滞回线方法测量GCr15钢的静态磁滞回线，磁滞回线示例如图4所示。分析得出5个样品磁致饱和状态时的磁场强度，根据磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}的原则确定此材料磁处理时的磁场强度为40000~60000A/m；

3）根据S3中的方法，判定此耐磨套应采用的磁处理频率为50~80Hz为最佳频率；

4）根据S4中的判定方法，最终确定耐磨套的轴向平行于磁场方向；

5）根据以上参数，将耐磨套放入磁场处理，并同时监测其电阻变化。在磁处理120s后对耐磨套通脉冲电流，且用自制专用电极尽可能保持电流在耐磨套的外表面。电流强度为150A，脉冲数为50。在脉冲电处理后保持耐磨套在磁场中60s再将其取出磁场。

6）按照S7对GCr15耐磨套作退磁处理。

将经电磁复合处理的GCr15耐磨套退磁后与同一批次生产的未经磁处理的GCr15耐磨套在相同的硬度计下进行对比试验，结果发现，未经磁处理的GCr15耐磨套表面平均硬度为510HV，硬度分布均方差为15.4HV，经过电磁处理的GCr15耐磨套表面平均硬度为560HV且其硬度分布均方差为5.2HV。

这说明经电磁处理的GCr15耐磨套试样其表面硬度比未经电磁处理的硬度更高且分布更均匀。

实施例2 电磁处理对冲孔模具的冲头（合金工具钢Cr12MoV）硬度调试

首先根据冲孔模具的冲头服役工况分析，其主要失效模式为刃口磨损，提升冲头刃口处硬度对提升冲头的使用寿命具有重大意义。按以下方式对Cr12MoV冲头进行电磁处理：

1）按照S1，将测量静态磁滞回线的样品制成块状，另取一外径为45mm、内径为32.4mm、高度为20mm的环试样。

2）按照S2中测量块状样品静态磁滞回线方法测量合金工具钢Cr12MoV的静态磁滞回线。分析得出5个样品磁致饱和状态时的磁场强度，根据磁场强度H≥max{H₁，H₂，H₃，H₄，H₅}的原则确定此材料磁处理时的磁场强度为12000~16000A/m；

3）根据S3中的方法，判定此冲头应采用的磁处理频率为30~40Hz为最佳频率；

4）根据S4中的判定方法，最终确定冲头的长度方向平行于磁场方向；

5）根据以上参数，将冲头放入磁场处理，并同时监测其电阻变化。在磁处理80s后对冲头通脉冲电流，此时电流主要分布在冲头的刃口及其附近。电流强度为120A，脉冲数为20。在脉冲电处理后保持冲头在磁场中80s再将其取出磁场。

6）按照S7对冲头作退磁处理。

将经电磁复合处理的Cr12MoV冲头退磁后与同一批次生产的未经电磁处理的Cr12MoV冲头在相同的硬度计下进行对比试验，结果发现，未经磁处理的Cr12MoV冲头刃口平均硬度为640HV，经过电磁处理Cr12MoV冲头刃口平均硬度为680HV，冲头其他部位的硬度无明显变化。

这说明经电磁处理的Cr12MoV冲头刃口硬度比未经电磁处理的硬度有明显提高。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、制备样品：

包括测量材料静态磁滞回线所需样品和用于确定脉冲磁场频率的样品，2种样品必须保持与待处理的工件的材料性能完全相同；测量材料静态磁滞回线所需样品根据待处理工件的大小及形状，制成块状或环状；用于确定脉冲磁场频率的为环状或者长方体；

S2、测量静态磁滞回线：

根据测量材料静态磁滞回线所需样品的形状，选择对应的测量仪器，测量静态磁滞回线，从而确定磁处理时的磁场强度范围；

S3、确定脉冲磁场的频率：

将用于确定脉冲磁场频率的样品，放置在交变磁场中，用电阻测量仪在线实时监测样品的电阻变化；将磁场强度调节到S2所述的磁场强度范围，调节磁场的输出频率，每改变依次频率后停留一定时间，观察用于确定脉冲磁场频率的样品的电阻变化，通过电阻变化情况，确定磁处理的频率；

S4、确定脉冲磁场的处理方向：

如果待处理的工件为各项同性，磁处理的方向沿退磁因子小的方向，从而增大材料的有效磁化强度；若待处理的工件为各项异性，在考虑退磁因子的同时使磁场方向垂直于材料内部位错多的方向，从而提升磁处理效率；

S5、脉冲磁场处理：

将待处理工件放置在脉冲磁场中，按照S2、S3、S4确定的参数进行磁处理；在磁处理的同时根据最终硬度要求监测不同部位电阻的变化情况，从而确定加载脉冲电流的时机；

S6、加载脉冲电流：

在磁处理的同时，对工件的局部或整体加载脉冲电流；电流加载完成后，将工件保留在脉冲磁场中一段时间；

S7、退磁处理：

给工件施加一个等于或大于工件剩磁强度的磁场，然后不断地改变磁场方向并逐渐减小磁场强度到零值。

2.根据权利要求1所述的电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，其特征在于：S2中，块状的测量材料静态磁滞回线所需样品，对应振动样品磁强计测量静态磁滞回线，块状的测量材料静态磁滞回线所需样品在磁极中间感应线圈正中心的连线处并且被安装在振动杆上，在感应线圈范围内垂直于磁场的方向进行振动；环状的测量材料静态磁滞回线所需样品，对应静态磁滞回线测量仪，环状的测量材料静态磁滞回线所需样品上均匀的绕两组线圈，分别为初级线圈和次级线圈，初级线圈由电路通入电流。

3.根据权利要求1或2所述的电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，其特征在于：对每个测量材料静态磁滞回线所需样品，选取至少3处取样点进行取样，取样点包括测量材料静态磁滞回线所需样品的内部和外部，且均匀分布；磁处理的磁场强度大于所有取样点的静态磁滞回线所对应的饱和磁场强度。

4.根据权利要求1所述的电磁处理调试金属工件硬度分布的方法，其特征在于：所述的S7具体为：将工件放置于电磁铁的两磁极之间，使工件达到剩磁强度；然后以一定的分档逐级降低磁场，每降一档切换一次磁场方向，直到电流降到零为止；每档磁场为前一档的50%。

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