Способ модификации физико-механических материалов и веществ

В инновационных разработках, ориентированных на создание приоритетных   технологий и конструкций с улучшенными эксплуатационными свойствами, нашли применение электромагнитные воздействия в импульсных режимах, обеспечивающие модификацию физико-механических свойств материалов и веществ [1].

Из большого количества публикаций по проблематике МИО возможно привести следующие работы: в [2,3] апробированы результаты влияния МИО на материалы, используемых в горной промышленности материалов, используемых в горной промышленности. В работе [4] обосновывается целесообразность расширения областей применения МИО, повышающих эксплуатационные свойства материалов и веществ. В работе [5] приведены методологические и практические аспекты применения импульсных    электромагнитных    технологий,    обеспечивающих модификации физико-механических свойств материалов и веществ.

В общем случае способ импульсного электромагнитного воздействия, так называемый - способ магнитно-импульсной обработки (МИО) можно представить в следующем системном подходе (рис. 1):

Рис. 1. входные параметры - материальный объект (М), его размеры (Р) и свойства (С); влияющие факторы - энергия воздействия (Э), продолжительность (Т) и форма импульса (Ф).

В процессе осуществления МИО различных объектов их размещают внутри кольцевого индуктора (соленоида). С генератора импульсных напряжений (ГИН) через выводы коммутации на соленоид периодически подается напряжение заданного импульса и формы. В результате генерации электромагнитных импульсов в ГИН с регулируемой частотой и амплитудой возникает переменное электромагнитное поле, формируемое необходимую микроструктуру объекта.

Проведенные на кафедре ГМО исследования повышения эффективности некоторых традиционных методов упрочнения и защиты поверхностей деталей машин при дополнительном применении МИО показали значительное увеличение их результативности [2].

Опыт масштабного использовании МИО позволяет привести некоторые результаты исследований влияния МИО на структурные изменения материалов и веществ в следующих областях применения МИО:

•Для обработки металлов с целью преобразования их микроструктуры и изменения физико-механических свойств, обеспечивающих значительно улучшать потребительские характеристики изделий за счет направленного изменения прочностных свойств, как на их поверхности, так и по всему объему.

•Для обработки предельных и непредельных углеводородов , в том числе горюче-смазочных материалов, с целью увеличения теплотворной способности топлива и увеличения срока службы масел (моторных, трансмиссионных и т.д.).

•Для обработки технического углерода с целью изменения его свойств, в замену способа ионизирующего радиационного воздействия, являющегося непроизводительным, небезопасным в радиационном плане и не обеспечивающего в достаточной мере улучшение эксплуатационных свойств резинотехнических изделий, в основе которых находится технический углерод.

Детальная информация существа приведенных областей МИО.

Обработка металлов. Технология МИО металла заключается в воздействии на него высокоэнергетическими полями, как одиночными, так и многоразовыми импульсами с различной интенсивностью напряженности и формы импульса. Такое воздействие увеличивает темпы релаксации и структурной перестройки обрабатываемого материала. При МИО для каждого определенного состояния металла существуют режимы, при которых происходит объемное сжатие, вызывающее закрытие ряда дефектов по всему объему изделия. Напряженность и количество импульсов электромагнитного воздействия зависит от химического состава материала и предшествующей обработки.

Под действием МИО, к примеру, в сталях и чугунах, протекают деформационные процессы, создающие напряжения сжатия до 200 – 700 МПа, происходит уменьшение параметров кристаллической решетки (a), размеров кристаллита (L) и межплоскостных расстояний (d 21 ), табл. 1, а также повышение микротвердости зерна, табл. 2.

Таблица 1.

Результаты рентгеновского анализа.

№ п/п	Режим обработки	а, А	d 211’ A	L
1.	Исходное состояние	1,1713	2,869	314
2.	После МИО	1,1704	2,867	290

Таблица 2.

Численные значения микротвердости до и после МИО.

№ п/п	Режим обработки	Микротвердость, кгс/мм2
		Нагрузка
		р = 20 г	Р = 50 г	р = 100 г	Р = 200 г
1.	Исходное состояние	264	255	253	253
2.	После МИО	367	360	353	344

Табличные данные наглядно иллюстрируют изменение микроструктуры стали после МИО. Кроме того, направленность воздействия МИО хорошо выявляется при исследовании микроструктуры отожженных образцов стали с феррито- перлитной структурой.

МИО позволяет снимать напряжения, возникающие при холодной пластической деформации металлов. Результаты исследований, защищенные Патентом РФ № 2064510 «Способ рекристаллизации металла», показывают, что МИО может быть использована взамен рекристаллического отжига при производстве холоднодеформированных листов, фольги и проволоки. Кроме того, МИО влияет на свойства металлов не только с металлическим, но и ковалентным типом связей.

В приведенных ниже табл. 3-5 представлены численные значения по влиянию МИО на физико-механические свойства и параметры некоторых веществ и материалов.

Таблица 3.

Аморфные металлические материалы (Fe-P-Si-C) – стекла.

Материалы	Энергия, КДж	Нм, МПа	La, Å	М	Da
Fe-P-Si-C	2,2	447,8	34,0	19,5	2,03
(8,4%, 2,7%, 0,6%)	5,6	431	31,5	19,7	2,04
	0	659	35,5	19,5	2,04

Согласно данным табл. 3 установлено уменьшение области когерентного рассеяния (около 11%), а коэффициент дифракции остается неизменным. Можно предположить, что под действием МИО происходит дальнейшая аморфизация, что видно по изменению микротвердости.

Таблица 4.

Изменение параметров твердого сплава ВК8.

Состояние	Параметры
	d 1 , Å	d 0 , Å	d1 – d 0 , Å
Исходное	1,0152	1,0152	0
После МИО	2,515	2,513	– 0,002

Таблица 5.

Изменение параметров пружинной стали 65Г.

Обработка	d 211 , Å	а, Å	L
Исходное	1,1713	2,869	314
После МИО	1,1704	2,867	290

В целом необходимо отметить, что технологический процесс МИО металлов (изделий) является в большинстве случаев конкурирующим с применяемыми в настоящее время другими процессами поверхностного изменения свойств материалов, такими как: азотирование, лазерным и плазменным облучением, покрытие титаном бора и др.

Обработка предельных и непредельных углеводородов. В результате выполненного комплекса исследований по воздействию мощными электро-магнитными полями на различные соединения предельных и непредельных углеводородов (Патент РФ № 2098454 «Способ обработки жидких углеводородов и устройство для его осуществления») разработана инновационная технология обогащения топлива, в частности мазута, которая может использоваться на тепловых станциях, металлургических заводах, обогатительных фабриках и других предприятиях, использующих в технологических процессах мазутное топливо.

В основу этой инновационной технологии положены результаты исследований по улучшению технологических свойств мазута путем улучшения его физико-химических свойств за счет изменения структуры обрабатываемого мазута. Это достигается тем, что в способе обработки жидких углеродов путем воздействия на них магнитного поля причем обработку ведут импульсным магнитным полем, которое создается в соленоиде, охватывающем трубопровод с технологическим мазутом, либо в стержневом соленоиде, размещенным в мазутной емкости.

Обработка мазута производится сериями импульсов с выдержкой во времени между сериями. В результате обработки мазута внутри емкости с мазутом возникает импульсное электромагнитное поле с напряженностью 7X 104 2 X 105 А/м и длительностью импульсов 0,008 – 0,015 с. Целесообразно, как показали эксперименты, производить энергетическое воздействие магнитным полем, с учетом геометрических размеров мазутной емкости и массы обрабатываемого мазута. Перемешивание мазута производится в течение всего времени истечения мазута из емкости, что обеспечивает выравнивание состава мазута и стабилизирует режим работы тепловых агрегатов, использующих мазут в качестве топлива. Повторение цикла обработки мазута осуществляется при заполнении резервуара мазутом до установленного уровня.

Экспериментальные исследования воздействий импульсного магнитного поля на мазут были проведены на опытно-промышленной установке по обработке мазута, смонтированной на ОАО «ПК «БСЗ» (г.Брянск). В результате проведенных исследо-ваний МИО мазута установлены изменения тонкой структуры мазута до и после МИО. Контроль качества мазута осуществлялся рентгеновским способом.

Рентгеновские исследования, проведенные по методике Института нефтехимического синтеза им А.В. Топчиева РАН, показали, что в результате МИО отмечены изменения обобщенного рентгеновского показателя.

Полученные результаты исследования мазута до и после МИО приведены в табл.6. Как следует из приведенных данных, теплота сгорания мазута обработанного МИО увеличивается на 4,16%. Обработанный магнитным полем мазут обладает повышенной теплотой сгорания и светимостью факела, что позволяет снизить его расход на 15 – 20%.

Таблица 6.

Характеристика мазута до и после МИО.

№ п/ п	Вид топлива	Влажность, %	Теплота сгорания
			Оаб	Оа в	Ор в	а S общ	Нг	Ор н
1.	Мазут до МИО	0,02	1020 6	1014 3	1014 5	2,35	10,07	9599
2.	Мазут после МИО (1 импульс)	0	1024 3	1017 0	1017 0	2,78	10,20	9619
3.	Мазут после МИО (2 импульса)	0,03	1029 4	1022 0	1022 3	2,86	10,76	9639

Основные концептуальные конструктивные решения по компоновке МИУ модификации мазута (МИУ-М) прошли апробацию на ОАО «ПК «БСЗ» и с определенной доработкой, применительно к условиям конкретного металлургического производства, могут быть использованы на других металлургических заводах, использующих мазут.

Обработка технического углерода. Применительно к техническому углероду, являющемуся основным компонентом в различных резинотехнических и графитированных изделиях (конвейерная лента, графитонаполнительные термопласты, графитированные электроды и др.), МИО нашла использование для изменения свойств технического углерода с целью замены способа ионизирующего радиационного воздействия, который непроизводи-тельный, а также небезопасный в радиационном плане.

В МГГУ отработ экспериментальный этап модификации технического углерода за счет применения высоко-энергетического воздействий типа МИО на графитированные электроды для электрических металлургических печей, в частности выплавляющих высоколегированный металл для горнорудных предприятий, и резинотехнических изделий. Инновации – «МИО-технический углерод» («МИУ-Т») направлены на улучшение эксплуатационных свойств графитированных электродов, а также резинотехнических изделий, к примеру, резиновых конвейерных лент отечественного производства, требующих повышения долговечности, что способствует снижению расходов горнодобавающих и других предприятий на приобретение дорогостоящих зарубежных аналогов.

В результате исследований воздействий МИО на технический углерод в установлены изменения модуля упругости, в гистерезисных потерях и теплообразовании, в стойкости к старению и в других их основных характеристиках (Патент РФ № 2099373 «Способ обработки технического углерода и устройство для его осуществления»). При исследованиях эффективности способа «МИО-Т» использовался рентгеноструктурный метод. Результаты МИО технического углерода представлены в табл.7.

Таблица 7.

Рентгеновские характеристики технического углерода.

Наименова ние	Числовые значения показателей
	М	Т	L a , X 10 a -10, м	L c , X 10 10 , м	d 002 , X 10-10, м	С Г , %	h 002 V h 120 >  Ф	К м р	Р КМ , %
П-314 (ДГ-100)
Исходный	0,705	6,1	51,0	25,5	3,633	78	1,7	3,93
МИО	0,705	6,2	59,5	23,0	3,648	77	1,8	4,73	+20, 4
П-514 (ПМ-50)
Исходный	0,75	6,0	64,0	27,0	3,633	87	1,64	3,26
МИО	0,74	6,2	62,0	25,5	3,642	82	1,85	4,0	+22, 7
П-226М
Исходный	0,72	5,4	61,0	23,0	3,66	80	2,05	6,16
МИО	0,71	5,6	61,0	22,5	3,69	75	2,15	7,64	+24

М – коэффициент дифракции;

Т – параметр текстуры;

L c , L а – размеры областей когерентного рассеяния;

d 002 – межплоскостное расстояние рефлекса графитоподобной фазы;

С г – концентрация графитообразной фазы в техническом углероде; h ₀₀₂

¹²⁰ – характеристика некогерентного рассеяния;

Р р

^{К М} – процентное отклонение значения К м ^р после МИО.

Результаты исследований различных марок углерода, приведенные в табл. 7, показывают, что углерод под действием МИО переходит из углерода низкой марки в углерод высокой марки. Табличные данные свидетельствуют, что при МИО происходит изменение обобщенного рентгеновского показателя К M и углерод марки П226М переходит в марку П234.

Результаты исследований технического углерода позволили определить режимы влияния МИО на графитированные электроды для металлургических электропечей. Проведенные на ОАО «БСЗ» (г. Брянск) сравнительные испытания графитированных электродов до и после МИО показали,    что    модификация    физико-механических    свойств графитированных электродов до и после МИО показали, что изменение свойств электродов приводит не только к уменьшению их расхода (1825%), но и экономии электроэнергии. По данным актов испытаний за период опытно-промышленных плавок: на 124 плавки (314,4тн жидкой стали) было израсходовано 270360 кВт/час, что соответствовало расходу электроэнергии на одну тонну жидкого металла – 859,9 кВт/час

(270360/314,4), тогда как нормой удельного расхода электроэнергии являлась величина – 1050 кВт/час. Кроме того, установлены режимы влияния МИО на резинотехнические изделия, широко используемые в горных машинах и оборудовании, конвейерная лента, манжеты, кольца и т.д. Так, к примеру, на рис. 2-3 приведены характеристики конвейерной ленты до и после МИО, наглядно свидетельствующие об изменении модуля упругости углеродного ингредиента обеспечивающего эластичность этого резинотехнического объекта после применения МИО.

В целом необходимо отметить следующие преимущества МИО:

• •    высокая производительность, превосходящая производительность большинства других процессов, по меньшей мере, в несколько раз;

• •    значительно меньшая трудоемкость (в 2-3 раза);

• •    большая глубина проработки материала (обычно по всему прорабатываемому объему);

• •    низкая стоимость обработки, благодаря ее малой длительности и существенно меньшей стоимостью установок, например по сравнению с лазерными;

• •    отсутствие каких-либо нарушений поверхности материалов (заготовок);

• •    простота автоматизации процесса и экологическая чистота процесса.

Характеристики конвейерной ленты до и после МИО.

Рис. 2. Характеристика до МИО.

Рис. 3. Характеристика после МИО.

импульсное электромагнитное воздействие, модификация, физикомеханические свойства, рентгеноструктурный анализ, микротвердость pulsed electromagnetic impact, modification, physical-mechanical properties, x-ray analysis, microhardness