сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
аспирант
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
аспирант
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
Представлен анализ современного состояния проблемы, связанной с получением высококачественных композиционных порошков. Предложено устройство, которое позволяет в условиях магнитовибрирующего слоя получить высокую однородность распределения легирующих добавок, а также металлополимерные композиционные порошки. Получена расчетная модель, позволяющая определить интервал градиента индукции магнитного поля, при котором происходит разрушение кластеров порошка и обеспечивается устойчивое магнитокипение порошка.
магнитовибрирующий слой, дисперсный ферромагнетик, электромагнитное поле, композиты
Введение
Важное место среди технологий, обеспечивающих формообразование деталей, занимает порошковая металлургия, которая позволяет создавать принципиально новые материалы. Методами порошковой металлургии можно получать уникальные свойства, которые другими методами обеспечить практически невозможно. Обычно композиции порошков получают механическим перемешиванием или диспергированием расплава заданного состава. Такая технология применяется, если легирующими элементами являются металлы, удельная масса которых незначительно отличается от удельной массы основы. Получение однородной порошковой композиции представляет определенные трудности, если вводимые добавки, например ‒ соединения неорганического происхождения либо неметаллы.
Дисперсные ферромагнетики магнитожестких материалов характеризуются сильным межчастичным взаимодействием адгезионной и магнитостатической природы. Связано это с тем, что даже агрегаты из нескольких частиц обладают результирующим магнитным моментом отличным от нуля. Развитая поверхность такого агрегата приводит к высоким адгезионным силам.
Для решения практических задач порошковой металлургии магнитожестких ферромагнитных материалов применяют периодические поля разной физической природы: механические, акустические, электромагнитные, электрические, магнитные, а также специально подобранные комплексные суперпозиции различных способов.
При действии периодических сил на дисперсную среду, можно выделить следующие эффекты: появление новых положений равновесия и видов движения; изменение собственных частот малых колебаний; сепарация частиц материла по свойствам; превращения сухого трения в вязкое; разрыхление дисперсной среды; возникновение интенсивного механического взаимодействия между частицами и объемами многокомпонентных систем
По ряду фундаментальных свойств и характеру взаимодействия с внешними электромагнитными полями гетерогенные дисперсные системы, в которых диспергированной фазой являются ферромагнитные частицы, можно разделить на два класса [1]. К первому относятся магнитные жидкости: ферроколлоиды и магнитореологические суспензии. Второй класс – тонкодисперсные системы, в которых образование магнитовибрирующего слоя обеспечивается действием электромагнитного поля. Влияние внешнего электромагнитного поля на поведение системы связано с его ориентирующим действием на отдельные частицы и структуры (цепочки, кластеры), образующиеся за счет поверхностных, диполь-дипольных и лоренцевских взаимодействий.
Экспериментальные работы на моделях сферических шаров из магнитожестких материалов показывают, что в естественных кластерах образуется макровихревое упорядочение магнитных моментов отдельных частиц и магнитный момент кластера оказывается меньше простой суммы магнитных моментов частиц в кластере из-за замыкания их магнитных потоков.
Образующиеся агрегаты (кластеры) можно рассматривать как пористые частицы, имеющие кроме внешней (геометрической) развитую внутреннюю поверхность. Размер пор зависит от формы и размеров самих частиц и развитости их поверхности Проблема зарождения и устойчивого существования пространственных образований ‒ структур в начально нетекстурированных средах является одной из наиболее принципиальных и в то же время трудных проблем теории неравновесных сред [2]. Эти особенности порошков магнитных материалов вызывают основные затруднения при измерении их физико-технологических характеристик и объясняют расхождения в результатах измерений, полученных различными методами.
С целью получения качественных композитов на основе ферромагнитных материалов разработано устройство и проведены исследования по обоснованию параметров электромагнитных полей влияющих на реологические свойства магнитовибрирующего слоя и определяющих эффективное перемешивание компонентов.
Технологическое устройство получения композитов
Для получения композитов в условиях магнитовибрирующего слоя разработано опытно-экспериментальное электромагнитное устройство, блок-схема которого представлена на рис. 1.
Неоднородное магнитное поле создаётся при помощи пермеаметра с разомкнутым магнитопроводом 1, между полюсами которого помещается рабочая кювета 2 с дисперсной системой, корпус которой изготавливается из непроводящего и немагнитного материала. Для получения устойчивого режима магнитокипения включается постоянное поле, создаваемое электромагнитом 6. Порошок в рабочей кювете переходит в режим магнитокипения, что и приводит к образованию композитов.
Моделирование взаимодействия частиц
в магнитовибрирующем слое
Тонкодисперсные системы ферромагнитных частиц моделируют однодоменной структурой, в которой энергетически выгодно исчезновение энергии граничных слоев. В результате такая частица обладает внешним магнитным потоком, что и приводит к сильному межчастичному взаимодействию магнитостатической природы. Процесс образования кластеров может усиливаться за счет когезионного взаимодействия из-за сильно развитой поверхности частиц тонкодисперсных порошков.
В дисперсных гетерогенных системах ферромагнитных частиц с помощью электромагнитного поля образуется магнитовибрирующий слой [4], т.е. взвешивание частиц в жидкостях и в газе и приведение их в состояние интенсивного движения. Последнее возможно в переменных [2] и вращающихся магнитных полях для частиц магнитотвердых и магнитомягких материалов [3].
Получение магнитовибрирующего слоя (МВС) ферромагнитных материалов эффективно решает ряд практических задач, а опыт реализации МВС в аппаратах различного назначения открывает определенные возможности использования МВС в порошковой металлургии ферромагнитных материалов [3, 4]. В магнитовибрирующем слое ансамбль частиц, помещенных в межполюсную область электромагнита переменного тока [4], вводится в режим устойчивых колебаний, частота которых определяется частотой тока в обмотке электромагнита.
Движение кластера в магнитном поле заданной топологии можно представить как суперпозицию поступательного и вращательного движений. Учитывая особенности движения частиц ферромагнитного материала, можно предположить следующий механизм формирования композитов в магнитовибрирующем слое. На начальном этапе происходит разрушение кластеров до отдельных частиц, во-первых, за счет соударения кластеров друг с другом и, во-вторых, за счет относительного перемещения частиц в кластере под действием пондеромоторных сил. Далее отдельные частицы ферромагнитного материала совершают под действием сил переменного магнитного поля колебательное движение, и при взаимодействии с частицами легирующих элементов формируется частица требуемого композита.
Рассмотрим разрушение кластеров ферромагнитного материала за счет соударения между ними при следующих допущениях:
‒ индукция магнитного поля меняется по гармоническому закону с частотой ω и задается выражением , где
и
‒ индукции постоянной и переменной составляющих полей соответственно, причем
;
‒ диссипация энергии частиц в установившемся МВС компенсируется внешним полем;
‒ частицы и кластеры дисперсной среды моделируются сферами с «вмороженными» магнитными моментами;
‒ изменение ориентации магнитных моментов частиц между последовательными соударениями незначительно, что позволяет линеаризовать уравнения движения магнитного диполя [5].
Предположим, что при соударении разновеликих кластеров в магнитовибрирующем слое разрушается один из кластеров и топология магнитного поля такова, что энергия передается только на поступательные степени свободы:
, (1)
где P – магнитный момент кластера; ‒ градиент индукции поля; m – масса кластера; ω ‒ частота переменного магнитного поля.
Кроме того, процесс взаимодействия сферических кластеров примем происходящим в пределах половины периода, т. е. .
При разрушении способами раскалывания, удара затраты энергии на разрушение сферического кластера при степени разрушении
согласно [1] рассчитывают по формуле
, (2)
где σ ‒ предел прочности при разрушении кластера; Dн и Dк – начальный и конечный эквивалентные диаметры кластера; – степень разрушения кластера; Е – предел прочности кластера
С учетом принятых допущений разрушение кластера происходит при выполнении следующего условия:
, (3)
где – магнитный момент первого кластера; d – эквивалентный диаметр первого кластера;
‒ масса первого кластера; ρ – плотность материала;
‒ магнитный момент второго кластера; Dн – начальный диаметр второго кластера; Dк – конечный диаметр второго кластера;
‒ масса второго кластера; J – намагниченность материала.
В формуле (3) первое слагаемое есть энергия, передаваемая магнитным полем за половину периода первому кластеру, второе слагаемое – энергия, передаваемая второму кластеру. Преобразовав (3), найдем соотношения между начальными размерами разрушаемого кластера и градиентом индукции поля в виде:
, (4)
где ‒ константа, зависящая от механических и магнитных свойств материала и частоты переменного поля.
Соотношение (4) позволяет определить градиент индукции поля, при котором разрушается кластер с эквивалентным диаметром Dн до кластера диаметром Dк при условии, что произошло соударение между кластерами с эквивалентными диаметрами Dн и d.
Задавая конечный размер кластера, из соотношения (4) определяем, при каких полях реализуется разрушение кластеров до отдельных частиц. Так, для феррита бария, в широком интервале кластеров размером 100 мкм, отделение частицы размером 0,5…10 мкм происходит в полях с одинаковым градиентом индукции (рис. 2, кривая 1).
Взаимодействие кластеров размером 100 мкм с кластерами размером более 50 мкм приводит к отделению частицы от второго кластера (рис. 2, кривая 2).
Взаимодействие соизмеримых кластеров (рис. 3) приводит к отделению частиц в полях с градиентом индукции до 1,0 Тл/м.
Рассмотрим две частицы, отличающиеся размерами и удерживаемые, друг относительно друга в кластере силой магнитостатического взаимодействия Fm (рис. 4).
Со стороны неоднородного переменного поля на кластер действует гармоническая сила FV, коллинеарная G (случай 1):
;
,
где φ – угол между вертикальной осью и магнитным моментом Pm малой частицы; dB/dy – изменение индукции магнитного поля вдоль вертикальной оси.
Частица большего размера обладает большей инерционностью, и при малых амплитудах F0 или достаточно больших частотах электромагнитного поля ω не успевает за изменением поля.
Малая частица начнет перемещаться относительно большой, если выполняется следующее условие:
,
где f1 – коэффициент трения покоя.
Коэффициент трения для взаимодействующих частиц для случаев вертикальной и горизонтальной ориентации переменной силы (обозначенных на рис. 4 цифрами 1 и 2) можно записать в виде:
, (5)
.
Сила магнитостатического взаимодействия частиц в агрегате в рамках диполь-дипольного приближения определяется выражением:
, (6)
где Р1 и Р2 – магнитные моменты большой и малой частицы соответственно; r, R – эквивалентные размеры малой и большой частиц; µ0 – магнитная постоянная.
Предполагая, что градиент индукции переменного поля направлен вдоль вертикальной оси, а также учитывая выражения (5) и (6), запишем:
. (7)
Если гармоническая сила перпендикулярна G (случай 2, рис. 4), то эффективный коэффициент сухого трения определяется выражением (7), за исключением множителя f1 в квадратной скобке. Соотношение (7) имеет смысл до тех пор, пока эффективный коэффициент трения остается положительным. При больших градиентах индукции поля происходит кажущееся изменение характера трения. При этом принято считать, что эффективные коэффициенты сухого трения обращаются в ноль.
Последнее положение позволяет из равенства (7) оценить значение градиента индукции поля, при котором происходит кажущийся переход трения из сухого в вязкое:
. (8)
Повышение индукции магнитного поля обуславливает создание структурированного состояния ферромагнитного порошка в виде агрегатов вытянутой формы с преимущественной ориентацией магнитных моментов вдоль силовых линий поля. Оценка, проведенная для порошков феррита бария и стронция с удельной поверхностью в интервале 0,7…1,0 м2/г, дает значение градиента индукции 2…60 мТл/м. При расчете предполагали, что размеры большой и малой флокул отличаются на порядок.
Магнитокипение порошка будет устойчивым, если удельная энергия диссипации равна удельной энергии, подводимой от переменного поля. Увеличение размеров агрегатов приводит к снижению граничного значения градиента индукции переменного поля, соответствующего кажущемуся переходу в порошке к вязкому трению, что следует из анализа соотношения (8).
Заключение
Как показали экспериментальные исследования, использование магнитовибрирующего слоя позволяет получить высокую однородность распределения легирующих добавок, а также металлополимерные композиционные порошки с содержанием полимерной составляющей от 0,2 до 3,0 % от массы порошка основы. Кроме того, «теплое» прессование таких порошков повышает в 10 – 12 раз сырую прочность антифрикционных материалов при пористости 22…24 %.
Композиционные железо-медные порошки, полученные в магнитовибрирующем слое, обладают высокой однородностью распределения легирующего элемента, при этом обеспечивают требуемые физико-механические свойства медистых спеченных сталей, содержащих меди на 25…30 % меньше, чем при традиционных методах смешивания шихты.
1. Вернигоров, Ю.М., Лебедев, В.А.. Лелетко, К.К.. Фролова, Н.Н. Особенности технологического процесса устройств помола ферромагнитных материалов на базе магнитовибрирующего слоя // Матер. Междунар. научн. симпозиума технологов-машиностроителей «Наукоемкие и виброволновые технологии обработки деталей высоко-технологичных изделей», Ростов-на-Дону, - 2016.
2. J.M. Vernigorov, B.G. Gasanov, S.S. Baev Magnetic Wave Technology of Grinding Slime Separation Solid State Phenomena, September 2017, Trans Tech Publications/DOI:https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.265.1020 Solid State Phenomena, Vol. 265, pp. 1020-1025, 2017.
3. Лебедев, В.А. Кочубей, А.А. Применение вращаю-щегося электромагнитного поля в технологических целях // Сб. тр. междунар. научн.-техн. симпозиума «Интегрированные, виброволновые технологии в машиностроении и металлообработке», Ростов н/Д, - 2015.
4. Болога, М.К., Марта, И.Ф. Магнитоожижение во вращающемся магнитном поле // Магнитная гидродинамика. - 1988. - №3. - С. 103-108.
5. Буевич, Ю.А., Сюткин, С.В., Тетюхин, В.В. К теории развитого магнитоожиженного слоя // Магнитная гидродинамика. - 1984. - № 4. - С. 3-11.
