СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЧНОЙ И ИЗНОСОСТОЙКОЙ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА
METHOD OF OBTAINING STRONG AND WEAR-RESISTANT STRUCTURE OF MATERIAL

Изобретение в основном относится к областям машиностроения и металлургии, изготавливающих заготовки/детали из стали, но в отличии от традиционных способов вообще без легирования для приборо- и машиностроения, но со структурами, обладающими существенно более прочными и износостойкими свойствами.
Существует очень много различных технологий как изготовления, так и упрочнения деталей, которые направлены на повышение надежности их работы в эксплуатации. Приведем ряд патентов, имеющих к этому отношение. Патент РФ №23554715 «Способ упрочнения деталей из конструкционных материалов», МПК-8, C21D 7/06, опубл. 10.05.2009, в котором использован метод пластического деформирования и ультразвуковой обработки.
Патент РФ №2455368 «Способ упрочнения поверхности изделия из стали», В24С 3/32, C21D 7/06, В24С 1/10, опубл. 10.07.2012, использована дробеструйная обработка.
Патент РФ №1623854 Ф1 «Способ упрочнения ферромагнитных деталей», В24В 39/00 F04D 29/66, опубл. 1991.08.17. Использован соленоид, наносится ферромагнитная лента.
Патент РФ №2078835 С1 «Способ упрочнения изделий и установка для его осуществления», воздействуют ТВЧ при остывании детали. Опубл. 05.10.1997. Патент РФ №2273672 «Способ упрочняющей обработки металлов, МПК C21D 1/04, опубл. 10.04.2006, использует электромагнитный индуктор и лазерное воздействие.
Патент РФ №2516859 «Способ поверхностного упрочнения изготовленных из ферромагнитных материалов зубчатых колес и устройство его осуществления», опубл. 20.05.2014, использует переменное магнитное поле с определенной напряженностью и частотой.
Патент WO 2015190943 А1 «Устройство для магнитной обработки материалов и/или веществ», используются магниты во вращающейся оправке, опубл. 2015-12-17. Прототип.
В приведенных и иных подобных патентах не обеспечивается закручивание всей структуры любого материала по спирали, структура которого подчиняется воздействию на нее магнитного поля (в частности, вращающегося).
Цель изобретения (на уровне открытия) - получать высокопрочную и износостойкую структуру из чистого (без примесей или легирования) материала.
Технический результат достигается путем воздействия на материал магнитного поля, которое создает закручивание структуры (например, по спирали), являющейся наиболее прочной и износостойкой в эксплуатации.
Краткие два пояснения о правильности предлагаемого технического решения проблемы. Первое: в природе человек встречает деревья, стволы которых закручены по спирали. Такие поленья исключительно трудно расколоть. Аналогичная ситуация с сучковатыми паленьями. Второе: следовательно, делаем попытку закрутить внутреннюю структуру (на примере чистого железа, практически без примесей) по спирали.
Научные основы при этом следующие. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние). Свойства: магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна и значительно меньше единицы, а точка Кюри - температура, при которой вещество теряет свои ферромагнитные свойства. Для железа это 770°C. Поэтому, если нагреть железную/стальную заготовку до этой (или несколько выше) температуры, то далее ее охлаждение следует вести во внешнем искривленном магнитном поле, что приводит к обязательному перестроению структуры в спиралевидную или близкую к ней по форме из-за намагниченности. В частности, парамагнитные тела (парамагнетики) притягиваются к полюсам магнита. Значительно более устойчивы к сохранению требуемой структуры являются ферромагнетики и антиферромагнетики даже в отсутствии в дальнейшем внешнего магнитного поля, которое способствует упорядоченной ориентации магнитных моментов атомов. Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением температуры при неизменной напряженности магнитного поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц, а магнитная восприимчивость убывает. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля. Парамагнетизм, как известно, наблюдается у многих чистых элементов в металлическом состоянии (щелочные металлы, щелочноземельные металлы, некоторые металлы переходных групп с незаполненным d-слоем или f-слоем электронной оболочки - группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов и др.). Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля. Наконец, существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих наличие парамагнетизма веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный вариант парамагнетизма), со спиновым моментом самих электронов (спиновый вариант), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный вариант). Магнитные моменты атомов, ионов, молекул создаются в основном спиновыми и орбитальными моментами их электронных оболочек. Парамагнетизм металлов слагается в основном из парамагнетизма, свойственного электронам проводимости (так называемый парамагнетизм Паули) и парамагнетизма электронных оболочек атомов (ионов) кристаллической решетки металла. Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении температуры, то парамагнетизм, обусловленный электронами проводимости, от температуры не зависит.
Поэтому, например, щелочные и щелочноземельные металлы, у которых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а парамагнетизм обусловлен исключительно электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры. В сильных магнитных полях или при низких температурах намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к насыщению. Многие положения о магнитах и их свойствах изложены, например, у авторов: Киттель Ч. (1963 г.), Вонсовский С.В. (1973 г.), Дорфман Я.Г. (1955 г.), Давыдов А.С. (1976 г.), Яворский Б.М., Пинский А.А. (1974 г.).
Теперь от общего описания перейдем к теории, в частности, рассматривая ситуацию, если под действием приложенной силы трещина не может распространяться в образце долго по прямой, а может двигаться по спирали из-за свойств структуры материала, полученной искусственным способом.
Эта часть была опубликована автором в сборнике научных трудов X Международной конференции «Трибология и надежность», которую проводил 27-30 октября 2010 года в Петербургском государственном университете путей сообщения (ISBN 978-5-7641-0266-5, УДК 531.8 и ББК К413).
В теоретико-числовом примере будет интересована величина работы по длине винтовой линии от нуля до максимального значения опытного образца, если бы разрушение шло по вертикали (то есть по прямой линии) и по одиночной тонкой винтовой линии (по спирали).
Общий вид исследуемого процесса возможного разрушения опытного образца представлен на рисунке.
1. Теоретическая часть
Положим, что аппликата винтовой линии растет пропорционально углу поворота:
2
y1
2
2
y2
а
a
a
Здесь b - коэффициент пропорциональности; пусть ϕ=2π, a z=h, тогда z=h=2πb. Если положить, что b=1, то z=h=2%=6,28 см. Исключим параметр ϕ из первого и второго, а затем из первого и третьего уравнений системы (*). Так как ϕ=z/b=z, то x+=; x=cosz или х+=4, a z=6,28 см. Следовательно, винтовая линия есть пересечение кругового цилиндра с образующими, параллельными оси 0z, и цилиндрической поверхности с образующими, параллельными оси 0y, и имеет направляющей косинусоиду, лежащую в плоскости 0xz. Проекция винтовой линии на плоскость 0xy - окружность, а на плоскость 0xz - косинусоида. Для радиуса цилиндрического образца R=, равного 2 см, длина его развертки составит L=2πR=12,56 см. Задавая значения z в пределах от нуля до h, для разных углов ϕ найдем координаты винтовой линии на поверхности изображенного на рисунке цилиндра (табл. 1).
Угол наклона прямой линии на развертке цилиндра α определяется из зависимости tgα=h/2πα. При продолжении вычислений для ϕ в интервале от π до 2π значения х и y будут периодически повторяться приведенным в табл. 1, но с соответствующими знаками. Рост аппликаты будет происходить до значения 6,28. Любую текущую точку кривой типа М(х,у, z) можно описать ее «следящим» радиусом-вектором r=xi+yj+zk, где i, j, k - орты, а х, y, z - текущие координаты. При движении скола материала по винтовой линии для координат х=θ(t), y=ψ(t), и z=χ(t) можно записать векторное уравнение линии в виде: r=ƒ(t), где ƒ(t)=iθ(t)+jψ(t)+kχ(t) - вектор-функция скалярного аргумента t. Если в качестве скаляра выбрать угол поворота ϕ, то для исходных уравнений
х=2cosϕ, y=2sinϕ и z=ϕ запишем, что r=i2cosϕ+j2sinϕ+kϕ.
0
Mo
Уравнение касательной в точке М(2; 0; 0) при ψ=0 определится вектором (dr/dϕ)=0i+2j+1k, то есть получаем:
(x-2)/0=(y-0)/2=(z-0)/1,
имеющее два уравнения: (х-2)/0=(y-0)/2 и (х-2)/0=(z-0)/1.
Откуда х=2. Задавшись шагом для угла поворота винтовой линии, равным (1/24)π, найдем уравнения касательных во всех точках величины h - высоты образца (табл. 2). Знаменатели дробей в полученных уравнениях являются направляющими коэффициентами l, m, n.
2
2
2
1/2
Обозначив через α, β и γ углы, образуемые каждой касательной в точках винтовой линии, и учитывая, что cosα, cosβ, cosγ - направляющие косинусы вектора s, находим, что l=scosα, m=scosβ, n=scosγ, где s=(l+m+n)≠0 дает длину вектора s.
2
2
2
Тогда cosα=l/s, cosβ=m/s; cosγ=n/s, причем сумма cosα+cosβ+cosγ=1. Следовательно, для первой строки табл. 2 имеем:
2
2
2
1/2
s=((-0,518)+1,932+1,0)=2,236.
Или иначе cosα=(-0,518)/2,236; cosβ=1,932/2,236; cosγ=1,0/2,236. Значения углов будут: α=arccos(-0,2316636)=103°39', β=30°22', γ=63°43' (табл. 3). В таблицах 2 и 3 даны расчетные значения по касательным, углам и вектору S.
Зная углы α, β, γ, можно записать прямую в точке касания в виде:
Так как атомы имеют возможность колебаться около своих нейтральных положений, то характер движения по закону Ньютона будет:
где k - коэффициент пропорциональности со знаком минус, так как направление действия силы противоположно по знаку смещению х.
Уравнение гармонического колебательного процесса: х=Asin(ωt+ϕ). Начальную фазу ϕ колебаний атомов (табл. 4) получаем, используя случайные числа с равномерным видом распределения. Сила сопротивления разрушению будет при лобовом столкновении и падает до минимума при удалении до половины межатомного расстояния. Период колебаний определяется длиной межатомного расстояния. Сокращая расчеты, разобьем высоту образующей цилиндра на 24 части, то есть 6,28:24=0,262 см. Длину винтовой линии с тем же шагом также условно делим на части.
а
а
a
a
a
a
Так как шаг вычислений принят 0,262 см, что соответствует условному расстоянию  между атомами решетки, то значение амплитуды колебания не превысит 0,5=0,131 см при периоде 0,262 см. Для точки массой m, движущейся по винтовой линии, легко найти величину и направление силы как функцию расстояния (прямая задача механики), учитывая уравнения: х=cosϕ, y=sinϕ, z=bϕ. При этом при движении по винтовой линии х=cosωt, y=sinωt, z=bt. Проекции силы на координатные оси находятся после двойного дифференцирования по х, y, z. Для пространственной кривой работа силы определяется через криволинейный интеграл второго рода:
Нас интересует величина работы по длине винтовой линии от 0 до 12,56 см с учетом, что b=1, ϕ=0…2π. Тогда
При движении разрушения по вертикали расчетное значение величины А составляет 12,56 ед., что в 1,57 раз меньше. Следовательно, технологически обеспечивая характер разрушения материала по винтовой линии, существенно повышаем прочностные и, как показали эксперименты, износостойкие характеристики образцов.
Это полученное теоретическое увеличение соответствует только одной тонкой винтообразной линии, которых реально очень много, что кратно увеличит достигаемый положительный эффект.
2. Экспериментальная часть
Первоначально напомним некоторые важные известные физические свойства:
с
r
с
магнитотвердые ферриты обладают большими значениями коэрцитивной силы Н и остаточной намагниченности B. Намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях, характеризуются широкой петлей гистерезиса; к магнитомягким ферритам относят материалы с малой коэрцитивной силой Н и высокой магнитной проницаемостью μ. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса. По объективным причинам эксперименты проведены в сильно упрощенном варианте при использовании стационарно расположенных трех постоянных магнитов (без их вращения). Магниты очень сильные, так как одноименные полюса руками до контакта было не соединить. Размеры магнитов такие: длина 82 мм, ширина 14 мм и высота 15 мм. Пространственно три магнита (в виде зубьев обычной пилы, как буква N) примагничивались к железной платформе стенда, на котором проводились эксперименты.
Диаметры опытных образцов в виде цилиндрических прутков были равны 10 мм и содержали чистого железа более 99,74%. Для нагревания образцов применялась муфельная печь. После нагревания до 790…800°C образец вынимался из печи и располагался над постоянными магнитами с зазором около 5 мм. Образец обрабатывался магнитным полем до остывания. Характер расположения магнитных силовых линий (без воздействия температуры нагрева) у трех магнитов зрительно представлял картину (по насыпанным на пленку металлическим опилкам), напоминающую две состыкованные половинки синусоиды/косинусоиды. Испытание на износостойкость образцов проводилось в триботехнической лаборатории на стенде автора, установленном в помещении завода «Композит» в Санкт-Петербурге. Испытание на разрыв проводилось на специализированном стенде (универсальная испытательная машина AG-59kNX серии Shimadzu Autograph AG-X производство - Япония при нагрузке 50 кН на растяжение) в лаборатории по сопротивлению материалов (ЛИИЖТ, ныне ПГУПС, г. Санкт-Петербург). Результаты полученных сравнительных испытаний, обработанных по весьма усеченному способу с использованием воздействий магнитов по отношению к образцам из практически чистого без примесей железа, такие: по износостойкости лучше в 8,2 раза; по прочности лучше в 6,14 раза. Следовательно, при обработке изделий именно во вращающемся по спирали магнитном поле есть все основания полагать еще больший положительный эффект даже больший, чем имеем при легировании.
Дополнительные преимущества описанного способа: не надо добывать различные руды, чтобы из них изготавливать легирующие добавки в стали, а возможно, и в другие материалы, на которые может эффективно воздействовать вращающееся магнитное поле.