CN1243110C - 提高铁磁性金属耐磨性的磁改性方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高铁磁性金属耐磨性的方法，将待处理的铁磁性金属零件在一段特定时间中置于场强及频率均有特定要求的周期性变化的磁场中。该磁场由电源输出具有可控频率、峰值电流和工作时间的交变励磁电流通过磁改性装置而产生。其中，磁场频率通过测量材料的内耗峰得到；处理时间通过测量同一试样内耗值随积累处理时间的变化曲线得到；所要加磁场的强度通过测量材料的饱和磁场强度得到。本发明通过合理磁改性工艺的实施，可以使材料硬度和韧性同时得到提高，从而进一步发挥了材料的潜能，耐磨性显著增加，服役时间得到延长。
Description
技术领域 本发明涉及提高铁磁性金属耐磨性的磁改性方法。
背景技术 (公开号)1270234公布的发明申请是将待处理的钢铁工件置于一磁场强度为周期性变化的磁场中，磁场由电源输出的具有低频脉冲波形的励磁电流通过磁化器而产生，低频脉冲波形为具有较陡峭的前后沿的间歇梯形波。其装置包括输出具有低频脉冲波形的励磁电流的电源及该电源的输出端相连的磁化器。该发明能降低内应力。
该发明的原理是利用钢铁材料在弱磁场磁化时的磁致伸缩系数为正值，而在强磁场磁化时的磁致伸缩系数为负值这一基本原理，设计相应的磁化电流波形，并使由电源输出的具有所设计波形的励磁电流通过磁化器使工件依一定规律磁化，从而在工件内高内应力区产生“磁致振动”，促使大量微观区域发生位错运动，造成弥散性微区塑性变形，使内应力发生松弛，以取得降低工件内应力的效果。存在不足：可以看出，该发明通过“磁致振动”引起位错变化，进而导致应力降低的。但因“位错变化”是难以定量精确观察，同一材料的不同部位可以通过电子显微镜观察到截然不同的位错分布，所以，磁致振动引起的位错变化，也仅仅提供一种降低应力的解释。至于什么样的“磁致振动”参数会导致应力水平的最大降低，则只能通过经验和实验确定，缺乏直接定量的理论指导。该发明针对对象仅为对钢结构件降低应力，与本发明提出的针对多种材料提高耐磨性侧重点和范围不同。应力水平的降低为提高使用效果提供了一种可能，对实际中使用的结构材料而言并不是充分条件，所以，即使降低了应力，使用性能不一定得到所期望的改善。而本发明的实施，主要针对提高材料的耐磨性能，至于应力水平是否有变化，并不作为直接判据。换句话说，只要耐磨性能得到提高，即使提高应力水平，在本发明中仍然是可以通过的；该发明的专利针对钢结构，而本发明针对钢材、铸铁和硬质合金等铁磁性材料制成的多种零件，面向的范围也不同。工艺设定方法：如前所述，工艺参数的确定是基于“磁致振动”及位错运动而提出的经验值，并没有针对不同材料、不同形状的结构提出确定“磁致振动”参数的方法，需要通过实验确定。而本发明则可以通过实验定量确定出不同材料磁改性工艺的范围，较好发挥磁改性的潜能，避免经验确定的不足。
综上所述，该专利所提出的磁处理工艺参数是依靠经验进行的；从应用角度上看，并不直接涉及耐磨性的提高方面。
(公开号)2221031的实用新型专利提供的刀具磁处理装置涉及对成品刀具进行磁处理，以降低残余应力，提高其使用寿命的装置。该装置主要由磁化电源、单片微机控制系统和磁化线圈等部分组成。能产生直流、交变和脉冲磁场，其波形、频率、场强和工作周期能在一定范围内调节，可对高速钢、硬质合金及涂层的新刀具或重磨后的刀具进行磁处理。(公开号)2527571的实用新型涉及一种刀具磁处理装置，上述的实用新型专利依据含磁性元素的刀具材料在适当的磁场激励和磁致伸缩作用下，有利于材料内部残余应力释放而提出刀具磁处理装置，以降低残余应力，提高其使用寿命。
存在问题为：在磁场作用下，应力是如何降低的这一重要规律没有进行见诸报道的研究；残余应力是否构成影响刀具寿命的主要问题没有进行相关论证；影响刀具使用寿命的主要因素缺乏相关分析。所以，通过磁处理提高刀具使用寿命，即使通过实际使用显示出较好效果，因缺乏相应的理论支持，必然导致所提出的磁处理工艺是经验性的，处理效果是不稳定的。还有，上述的实用新型专利针对刀具材料，主要是高速钢和硬质合金，对于其他类型的钢及铸铁，没有相应说明。上述的实用新型专利的工艺参数的确定是根据经验和设备可输出的情况进行设定，缺乏相应的理论分析，确定出某种材料的合理工艺范围需花费较多的时间。
发明内容 为了克服现有的磁改性方法通过“磁致振动”引起位错变化，进而导致应力降低而没有提高影响材料耐磨性的关键力学性能的不足，针对现有的磁处理工艺是经验性的，处理效果是不稳定的，本发明提供一种提高铁磁性金属耐磨性的磁改性方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是通过定量确定磁改性工艺，使材料内部产生位错胞，从而硬度和韧性同时提高改善耐磨性的。详细描述如下：
磁改性工艺的确定方法：磁改性工艺的根本目的是要形成位错胞，而位错胞形成所需要具备的条件包括合理的改性频率、一定强度的磁场及合理的改性时间三个主要条件。所以，频率、场强和改性时间为所需确定的对象。
步骤1：确定频率：本发明通过中国科学院固体物理所研制的多功能内耗仪进行内耗峰的测量。根据规定的尺寸和形状，制成样品，放入内耗仪中进行内耗峰的测量，通过改变频率，即可测量出发生内耗最大情况下的频率，此频率即确定为磁改性的工作频率。
对于磁改性而言，本质上是通过输入的能量改变微观结构，所以，只有将输入的能量有效利用才可以有效的改变微观结构。而内耗值正是材料吸收外来能量的度量，内耗值越大，单位体积吸收输入能量越多。所以，通过研究内耗值与磁改性频率的关系，就可以得到改性频率在那个范围内引起的内耗值较大，从而利于位错开动形成位错胞。
由内耗理论，已知内耗和频率之间满足如图1的关系：图中Q-1为内耗值，ω为振动频率。从图1可以看出，在常温下，不同频率下对应的内耗值是不同的，产生最大内耗值所对应的频率ωm，即为磁改性工艺所确定的频率。
步骤2：确定场强：根据规定的尺寸和形状，制成样品，外加磁场使样品材料超过饱和磁化强度即可，或通过振动样品磁强计进行测量为使其达到饱和磁化强度所需场强。
如果将铁磁性金属等铁磁体置于周期性磁场中，因磁致伸缩其晶粒将发生周期性的应变。而这种周期性强制磁致伸缩的发生，正是位错增殖的一个非常重要的条件；又由于强磁场作用有助于位错的运动，所以场强应达到产生强烈磁致伸缩与开动位错运动的强度。通常情况下，进入饱和阶段即可满足所描述的条件。
步骤3：确定改性时间：通过对同一试样改性前和不同累计改性时间情况下内耗值的变化情况，知：当内耗值进入下降段的平缓阶段时，即可认为产生大量位错胞，达到提高耐磨性的目的。此积累的改性时间即为实际情况下的改性时间。例如对某一试样，首先固定温度和频率进行内耗值的测量，此值作为原始值，然后磁处理一段固定时间之后，再进行该固定温度和频率下内耗值的测量，作为第二个测量点，以此类推，不断进行处理和测量，即可得到如图2的一条曲线，但横坐标为累计改性时间。对应于下降段平缓阶段内耗值的累计改性时间，即作为该场强和频率下的磁改性时间。
内耗值与位错分布之间有如图2所示的关系：图2中Q-1为材料的位错内耗值，Λ为位错密度。磁场作用的初期，随着位错的不断滑移，内耗在增加，当内耗达到最大值时(此时的位错密度定为Λm)，见图2，随着磁致伸缩的继续进行位错密度Λ进一步的增加，位错组态将发生变化，堆积及相互缠结，对位错起钉扎作用，开始形成位错胞。所以内耗值Q-1将迅速衰减到一个相对平缓的范围时，可以认为此时形成大量的位错胞，达到细化晶粒的效果。
按照上述确定磁改性工艺的方法，已得出一些具体的工艺参数。总体而言，频率范围为：30赫兹——40赫兹，场强范围为：1000奥斯特——4000奥斯特，改性时间为：300秒——600秒。
本发明的优点是同时提高硬度和韧性这两项影响耐磨性的关键力学性能。对金属材料的耐磨性而言，硬度和韧性是影响耐磨性的关键参数。通常情况下，硬度的提高与韧性的改善往往有矛盾，硬度提高一般韧性会下降，而韧性提高通常要降低硬度。而本发明则是在热处理完成的基础上，利用磁作用使位错增殖和缠结形成位错胞，从而同时提高硬度和韧性实现增磨的。
与前面所述的已有磁处理技术相比，主要有三方面的不同：一是对位错形态改变的要求不同，二是所关心的力学性能改善对象不同，三是处理工艺的范围不同。已有技术是要实现位错的均匀化，并降低位错密度；而本发明则是要使位错尽可能的增殖和缠结，提高位错密度；已有技术主要关心残余应力的下降情况，而本发明主要是提高硬度和韧性，在此过程中，残余应力往往有一定的升高；从工艺范围上看，也有很大的不同：频率方面，本发明是在30赫兹——40赫兹，已有技术是在1赫兹——30赫兹；从场强方面，本发明是在1000奥斯特——4000奥斯特，已有技术是在250奥斯特以上；从改性时间方面，本发明是在300秒——600秒，已有技术没有做出明确规定。所以本发明与已有相关技术在原理、对象与工艺方面有根本的区别。
除此以外，本发明在确定磁改性工艺方面是依据内耗仪的测量完成的，与前面所述的相关技术相比在理论上根据更为可靠。
本发明的有益效果是，通过合理磁改性工艺的实施，可以使材料硬度和韧性同时得到提高，从而进一步发挥了材料的潜能，耐磨性显著增加，服役时间得到延长。
附图说明
图1常温下内耗值与振动频率关系图
图2内耗值与位错密度关系图
图3内耗值与改性时间对应曲线图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
本实施例是通过对高铬铸钢材料进行磁改性体现的。
步骤1确定频率：将高铬铸钢材料加工成直径4毫米，长100毫米的细棒，通过中国科学院固体物理所研制的多功能内耗仪进行内耗峰的测量。在室温20摄氏度条件下，通过改变激振频率，确定发生内耗最大情况下的频率为30赫兹，此频率即确定为磁改性的工作频率。
步骤2确定场强：将高铬铸钢材料加工成直径2.85毫米，厚0.5毫米的薄片，放入振动样品磁强计进行磁化曲线的测量，可以得出当外加磁场强度为1000奥斯特时，其饱和磁化强度为21000高斯，所以，进行磁改性外加空心磁场最大值不应小于1000奥斯特。
步骤3确定改性时间：将高铬铸钢材料加工成直径4毫米，长100毫米的细棒，通过中国科学院固体物理所研制的多功能内耗仪进行内耗值的测量。保持温度20摄氏度，频率30赫兹没有经任何磁改性进行内耗值的测量，然后取出样品，放入空心线圈中进行磁处理，改性工艺为波形缓升缓降周期交变场，最大幅值为1000奥斯特，频率30赫兹，处理30秒后取出，再进行20摄氏度，激振频率30赫兹条件下内耗值的测量。重复上述行处理和测量，得到图3。
从图3可以看出，对应于下降段平缓阶段内耗值的累计改性时间300秒，即作为该场强和频率下的磁改性时间。
本实施例采用的磁化装置为长度0.5米，内径40毫米，匝数800的空心线圈，电源用大功率逆变电源MQ200，输出电流50安培进行磁化。完成所需磁化工艺的确定后，按照工艺进行改性，并进行了改性前后维氏硬度对比实验、冲击韧性对比试验及磨粒磨损对比实验。
维氏硬度对比检测：从同一块材料上取下57×26×10毫米样块3件，维氏硬度检测载荷980牛顿，保荷时间30秒，处理前，维氏硬度处理前平均为544，按照场强最大幅值为1000奥斯特，频率30赫兹，处理300秒的交变磁场改性，改性后维氏硬度为590，提高8.5％。
冲击韧性对比试验：从同一块材料上取下55×10×10毫米样块10件，对其中的5件未经任何处理进行冲击韧性试验，测得冲击韧性的平均值为2.45焦，按照场强最大幅值为1000奥斯特，频率30赫兹，处理300秒的交变磁场对剩余的5件进行改性，改性后冲击韧性的平均值为2.91焦，提高19％。
磨粒磨损对比实验：从同一块材料上取下直径6.24毫米长30毫米的3支试样，对这些试样的原始状态进行磨粒磨损试验，实验条件为加2.2公斤的砝码，在280#砂纸上对磨，每一支试样进行5次磨损，这15次磨损的平均单次磨损失重为0.013克；再将这些试样进行磁改性，改性工艺为场强幅值1000奥斯特，频率30赫兹，处理300秒，再按照上述方法对试样进行失重测量，平均单次磨损失重为0.010克，提高磨损寿命达到13％。
可以看出，硬度和韧性同时得到提高，其耐磨性得到明显改善。
实施例2
本实施例是通过对刀具材料高速钢9W18Cr4V进行磁改性体现的。
步骤1确定频率：高速钢9W18Cr4V加工成直径4毫米，长100毫米的细棒，通过多功能内耗仪进行内耗峰的测量。在室温20摄氏度条件下，确定为磁改性的工作频率为35赫兹。
步骤2确定场强：高速钢9W18Cr4V加工成直径2.85毫米，厚0.5毫米的薄片，放入振动样品磁强计进行磁化曲线的测量，可以得出当外加磁场强度为2000奥斯特时，其饱和磁化强度为20000高斯，所以，进行磁改性外加空心磁场最大值不应小于2000奥斯特。
步骤3确定改性时间：将高速钢9W18Cr4V制成直径4毫米，长100毫米的细棒，通过多功能内耗仪进行内耗值的测量。同实施例1相似，测得温度20摄氏度，频率35赫兹，交变场强幅值2000奥斯特条件下的磁改性时间为450秒。
本实施例采用的磁化装置为长度0.5米，内径40毫米，匝数800的空心线圈，电源用大功率逆变电源MQ200，输出电流100安培进行磁化。完成所需磁化工艺的确定后，按照工艺进行改性，并进行了直径8.9毫米的9W18Cr4V麻花钻实际使用状态下磨损对比实验。
实际使用状态下磨损对比实验：从同一批直径8.9毫米的9W18Cr4V麻花钻10支中取出5支不进行任何处理作为参照，剩下5支按照改性工艺为场强最大幅值为2000奥斯特，频率35赫兹，处理450秒，然后将这10钻放在实际生产中进行钻孔数目的对比。选用同样的加工参数，加工球墨铸铁，以第一次刃磨前所加工合格孔数作为指标进行比较，结果如下：
未经磁处理，平均加工孔数为1800；经磁改性，平均加工孔数为9000，提高寿命达到4倍之多。
可以看出，改性后耐磨性得到非常明显的提高。
实施例3
本实施例是通过对钴基硬质合金材料YG8进行磁改性体现的。
步骤1确定频率：将YG8制成直径4毫米，长60毫米的细棒，通过多功能内耗仪进行内耗峰的测量。在室温20摄氏度条件下，确定为磁改性的工作频率为40赫兹。
步骤2确定场强：将YG8加工成直径2.85毫米，厚0.5毫米的薄片，放入振动样品磁强计进行磁化曲线的测量，可以得出当外加磁场强度为4000奥斯特时，其饱和磁化强度为4000高斯，所以，进行磁改性外加空心磁场最大值不应小于4000奥斯特。
步骤3确定改性时间：将YG8制成直径4毫米，长60毫米的细棒，通过多功能内耗仪进行内耗值的测量。同实施例1相似，测得温度20摄氏度，频率40赫兹，交变场强幅值为4000奥斯特条件下的磁改性时间为600秒。
本实施例采用的磁化装置为长度0.5米，内径40毫米，匝数800的空心线圈，电源用大功率逆变电源MQ200，输出电流200安培进行磁化。完成所需磁化工艺的确定后，按照工艺进行改性，并进行了改性前后磨粒磨损对比实验。
磨粒磨损对比实验：从同一块材料上取下直径6.24毫米长30毫米的6支试样，对这些试样的原始状态进行磨粒磨损试验，实验条件为加3.7公斤的砝码，在100#砂纸上对磨，每一支试样进行5次磨损，这30次磨损的平均单次磨损失重为0.00745克；再将这些试样进行磁改性，改性工艺为交变场强幅值4000奥斯特，频率40赫兹，处理600秒，再按照上述方法对试样进行失重测量，平均单次磨损失重为0.00576克，提高磨损寿命达到30％。
可以看出，改性后耐磨性得到明显改善。
Claims (10)
1.一种提高铁磁性金属耐磨性的磁改性方法，其特征是：根据内耗值测量所规定的尺寸和形状，制成测试样品，步骤1：确定频率：样品放入内耗仪中进行常温状态下内耗峰的测量，通过改变频率，测量出发生内耗最大情况下的频率，此频率即确定为磁改性的工作频率；步骤2：确定场强：样品外加磁场使样品材料超过饱和磁化强度，或通过振动样品磁强计进行测量为使其达到饱和磁化强度所需场强，此场强即为磁改性的工作场强；步骤3：确定改性时间：通过对同一样品处理前和不同累计处理时间情况下内耗值的变化情况，当内耗值进入下降段的平缓阶段时，此积累的处理时间即为实际情况下的改性时间。
2.如权利要求1所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，通过测量内耗峰确定磁场工作频率，其特征是，被处理材料的试样在室温条件下产生内耗峰值时所对应的激振频率为磁场工作频率。
3.如权利要求1所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，通过测量材料的饱和磁场强度确定磁场工作场强，其特征是，被处理材料在室温条件下进入饱和磁化阶段所对应的场强小于磁改性的最大工作场强。
4.如权利要求1或2或3所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，其特征是，所说的改性时间通过测量同一试样内耗值随积累改性时间的变化曲线得到。
5.如权利要求1所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，通过测量内耗值确定磁场工作时间，其特征是，被处理材料的试样在室温条件下重复进行相同工艺磁改性的处理和内耗值的测量，进入内耗值平缓下降阶段所对应的累计磁改性时间为磁场工作时间。
6.如权利要求4所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，通过测量内耗值确定磁场工作时间，其特征是，被处理材料的试样在室温条件下重复进行相同工艺磁改性的处理和内耗值的测量，进入内耗值平缓下降阶段所对应的累计磁改性时间为磁场工作时间。
7.如权利要求1或2所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，其特征是，所说的磁场频率范围为：30赫兹——40赫兹。
8.如权利要求1或3所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，其特征是，所说的磁场强度范围为：1000奥斯特——2000奥斯特。
9.如权利要求1或5或6所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，其特征是，所说的改性时间范围为：300秒——600秒。
10.如权利要求4所述的提高铁磁性金属耐磨性的方法，其特征是，所说的改性时间范围为：300秒——600秒。
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