автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности влияния термомагнитной обработки на демпфирующие, магнитные свойства и структуру демпфирующих сплавов железа с магнитомеханическим затуханием

Введение.

1. Термомагнитная обработка как способ обработки демпфирующих сплавов железа с магнитомеханическим затуханием (обзор).

2. Материалы, способы обработки и методика исследований

2.1. Материалы.

2.2. Термомагнитная и предварительная термическая обработки

2.2.1. Установка термомагнитной обработки.

2.2.2. Режим предварительной термической обработки и определение оптимального режима термомагнитной обработки.

2.3. Методика исследований

2.3.1. Метод внутреннего трения.

2.3.2. Метод намагничивания.

2.3.3. Металлография.

2.3.4. Рентгеноструктурный анализ.

2.3.5. Метод ферромагнитного резонанса.

2.3.6. Ядерная гамма-резонансная спектроскопия.

3. Влияние термомагнитной обработки на демпфирующие свойства сплавов железа с ферритной структурой.

4. Связь исходной структуры и химического состава сплава с влиянием термомагнитной обработки на демпфирующие свойства

4.1. Исходная структура

4.1.1. Размер зерна.

4.1.2. Крупные включения.

4.2. Химический состав

4.2.1. Примеси.

4.2.2. Легирующие элементы.

5. Влияние термомагнитной обработки на структуру сплавов Fe-Cr

5.1. Структурная анизотропия.

5.2. Доменная структура.

5.3. Период решетки.

6. Влияние термомагнитной обработки на магнитные свойства сплавов железа с ферритной структурой.

7. Рекомендации по применению термомагнитной обработки для улучшения демпфирующих свойств демпфирующих сплавов железа с магни-томеханическим затуханием.

Выводы.

Известно, что одним из способов борьбы с вредными вибрацией и шумом динамически нагружаемых изделий является использование демпфирующих сплавов железа с магнитомеханической природой внутреннего трения. Эти сплавы обладают наивысшей демпфирующей способностью из известных металлических материалов. Разработка таких материалов и способов их обработки представляет большой научный и практический интерес.

В последнее время отечественными и зарубежными исследователями разработан ряд высокодемпфирующих сплавов на основе железа с магнитомеханической природой внутреннего трения. Однако оптимизация способов их обработки не завершена.

Исследование влияния ТМагО на демпфирующие, магнитные свойства и структуру демпфирующих сплавов железа с магнитомеханическим затуханием является актуальным в силу следующих обстоятельств.

Во-первых, изучение закономерностей влияния ТМагО на демпфирующие и магнитные свойства, структуру этих сплавов способствует более полному пониманию процессов, проходящих в них при ТМагО, и в перспективе позволяет выработать пути целенаправленного воздействия термомагнитной обработки на этот материал.

Во-вторых, улучшение демпфирующих свойств сплавов железа с магнитомеханическим затуханием имеет большое значение для борьбы с вредными шумом и вибрацией.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:

1) установлены закономерности влияния ТМагО на демпфирующие и магнитные свойства сплавов Fe с Cr, V, А1, графитизированных сталей с Si, Al, Со;

2) установлены закономерности влияния ТМагО на зеренно-доменную и тонкую магнитокристаллическую структуру сплавов Fe-Cr;

3) определены пути улучшения демпфирующих свойств сплавов на основе Fe-Cr за счет ТМагО.

Методы исследования, использованные в работе: метод внутреннего трения, метод намагничивания, металлография, рентгеноструктурный анализ, метод ферромагнитного резонанса и ядерная гамма-резонансная спектроскопия.

Практическая значимость. Предложены рекомендации по применению термомагнитной обработки для улучшения демпфирующих и магнитных свойств магнитомягких сплавов железа. Установленные в работе закономерности влияния ТМагО на демпфирующие, магнитные свойства и структуру сплавов Fe-Cr могут быть полезными при разработке технологии получения новых высокодемпфирующих сплавов и коррозионно-стойких электротехнических сталей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Закономерности влияния ТМагО на демпфирующие и магнитные свойства сплавов Fe с Cr, V, А1, графитизированных сталей с Si, Al, Со;

2. Закономерности влияния ТМагО на зеренно-доменную и тонкую магниток-ристаллическую структуру сплавов Fe-Cr;

3. Рекомендации по применению термомагнитной обработки для улучшения демпфирующих свойств магнитомягких сплавов железа.

Тематика данной работы соответствует теме научно-исследовательской работы «Определение механизмов влияния термомагнитной обработки на демпфирующие, магнитные свойства и магнитокристаллическую структуру магнитомягких сплавов железа», проводимой в 2004-2008 гг. Проблемной лабораторией металлических материалов с высокими виброшумопоглощающими свойствами Вятского государственного университета в соответствии с заданием Министерства образования (Федерального агентства по образованию) РФ, номер госрегистрации 0120.0 404105.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях и семинарах: «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2002; 2004), «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004), 17 Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Киров, 2004); всероссийских конференциях: «Новое в экологии и безопасности и жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998), «Наука-производство-техноло-гии-экология» (Киров, 2001-2004).

Личный вклад автора: непосредственное участие в проектировании и изготовлении установки ТМагО; проведение экспериментов на установке ТМагО, по определению демпфирующих и магнитных свойств; обработка, анализ и обобщение результатов исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 81 страницу, содержит 40 рисунков и 4 таблицы. В списке литературы 70 наименований.

ВЫВОДЫ

1. После предварительного высокотемпературного отжига проведена ТМагО образцов из сплавов Fe с Сг, V, А1, графитизированных сталей с Si, Al, Со на спроектированной и изготовленной при непосредственном участии автора установке.

2. Для сплавов Fe с ферритной структурой установлены следующие закономерности: чем больше величина исходных 8Н и Sm, тем больше их увеличение в результате ТМагО.

3. Изучено влияние четырех характеристик исходной структуры и состава на изменение демпфирующих свойств сплавов Fe при ТМагО: величины зерна феррита, графитных включений в ферритной матрице, содержания примесей, содержания V и А1 в ферритных сплавах. а) Чем крупнее зерно феррита, тем больше прирост (величина изменения) внутреннего трения в интервале амплитуд колебания до 5т за счет ТМагО. Это обусловлено уменьшением жесткости магнитокристаллической структуры с ростом величины зерна, что ведет к ее более интенсивной переориентации при ТМагО. б) С увеличением размера зерна феррита уровень прироста низкоамплитудной области АЗВТ феррито-графитных высокоуглеродистых сталей за счет ТМагО повышается, но абсолютный прирост невелик, т. к. магнитокристалли-ческая структура таких сталей обладает низкой способностью к эволюции при ТМагО. Это обусловлено большим числом диамагнитных включений графита в мелкозернистой ферритной матрице. Поэтому изменение демпфирующих свойств таких сплавов Fe в результате ТМагО, в общем, невелико. в) Чистота мелкозернистых сплавов мало влияет на изменение параметров АЗВТ (5Н, 5т) при ТМагО. Увеличение же чистоты крупнозернистых сплавов существенно увеличивает значение этих параметров за счет ТМагО. Это означает, что сплавы, структура и свойства которых более подвержены воздействию

ТМагО (сплавы с крупнозернистой, т. е. относительно малодефектной кристаллической структурой), сильнее реагируют на содержание примесей (т. е. на изменение числа включений, искажений а-твердого раствора), чем сплавы, структура которых менее подвержена воздействию ТМагО (сплавы с мелкозернистой, т. е. с повышенной плотностью дефектов структурой). г) В ферритных чистых (выплавленных в ВИП) сплавах влияние V в интервале содержания 2.3 % (сплавы Fe-4%Cr), А1 в интервале содержания 3.6 % (сплавы Fe-3%Cr) на изменение параметров АЗВТ 5Н, 5т, ут незначительно. Причиной этого являются незначительные структурные изменения при таком изменении состава сплава.

4. Изучено влияние термомагнитной обработки на структурные факторы сплавов Fe-Cr: структурную анизотропию, доменную структуру и период кристаллической решетки.

Структурная анизотропия формируется при высокотемпературном отжиге. В сплавах Fe-Cr чем крупнее зерно, тем она сильнее выражена. Небольшая степень структурной анизотропии в мелкозернистых сплавах обусловлена, в основном, большой равномерностью пространственной ориентации кристаллитов (в частности, осей легкого намагничивания). Перераспределение атомов Сг, примесей в сплавах Fe-Cr при ТМагО имеет место, но не оказывает существенного влияния на АЗВТ ввиду его более низкой значимости по сравнению со значимостью величины зерна (магнитного домена).

Крупнозернистым отожженным сплавам характерно: 1) менее равномерное пространственное распределение осей легкого намагничивания кристаллитов; 2) неравномерное распределение атомов легирующих элементов, в частности, атомов Сг в а-твердом растворе (во внутризеренной кристаллической структуре), что не соответствует формированию оптимальной для перестройки доменной структуры при циклической деформации.

Методами ЯГРС, ФМР, изучения доменной структуры показано, что ТМагО способствует более равномерному распределению атомов легирующих элементов, в частности, атомов Сг в сплаве, уменьшению структурной анизотропии и облегчению тем самым перестройки доменной структуры.

5. Относительное изменение магнитных свойств сплавов Fe с ферритной структурой в результате ТМагО значительно меньше по сравнению с изменением демпфирующих свойств. Для сплавов, выплавленных в ОИП, имеет место следующая тенденция: чем больше величина исходных магнитных свойств, тем больше их увеличение после ТМагО.

6. Наиболее рационально для улучшения демпфирующих свойств за счет ТМагО использовать ферритные сплавы повышенной чистоты. Предварительная (преимущественно - термическая) обработка должна обеспечивать крупнозернистую, крупнодоменную структуру.

1. Авдеева Т. П., Кулаков Г. А., Толкачев Н. М. Формирование объемных свойств (а+Р) титановых сплавов термомагнитной обработкой // Деформация и разрушение теплоустойчивых сталей. Материалы конф. М., 1983. С. 119-120.

2. Бернштейн М. JI. Термомагнитная обработка стали. М.: Металлургия, 1968.96 с.

3. Вертхейм Дж. К., Джаккарино В., Верник Дж. Г., Буханан Д. Н. Е. Протяженность обменного взаимодействия в сплавах на основе железа // Эффект Мессбауэра: Сб. статей. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1969. С. 260-269.

4. Головин И. С., Рохманов Н. Я. К вопросу о механизме формирования демпфирующего состояния высокохромистых ферритных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. № 9. С. 29-34.

5. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев JI. Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: Учеб. пособие для вузов. 3 изд. доп. и перераб. М.: МИСИС, 1994. 366 с.

6. Грэхем Ч. Термомагнитная обработка // Магнитные свойства металлов и сплавов. М.: Изд. иностр. лит., 1961. С. 374—420.

7. Дейкстра Л., Мартиус У. Порошковые фигуры в кремнистом железе, подвергнутом действию напряжений // Магнитная структура ферромагнетиков. М.: Изд. иностр. лит., 1959. С. 125-136.

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. Т. 2 / Под общ. ред. Н. П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. 1024 с.

9. Драгошанский Ю. Н., Зайкова В. А., Шур Я. С. О влиянии упругого растяжения на доменную структуру кристаллов кремнистого железа и кобальта // Физика металлов и металловедение. 1968. Т. 25. №2. С. 289-297.

10. Зайкова В. А., Старцева И. Е., Филиппов Б. Н. Доменная структура и магнитные свойства электротехнических сталей. М.: Наука, 1992. 272 с.

11. Зайкова В. А., Шур Я. С. Изменение магнитной структуры кристаллов кремнистого железа под действием упругих напряжений // Известия АН СССР. Серия физическая. 1958. Т. 12. №10. С. 1185-1189.

12. Зайкова В. А., Шур Я. С. О влиянии упругих напряжений на магнитную структуру кристаллов кремнистого железа // Магнитная структура ферромагнетиков. Новосибирск: Изд. СО АН СССР, 1960. С. 40.

13. Зюзин А. М., Бажанов А. Г. Магнитные свойства атомов и магнитные ре-зонансы: Учеб. пособие / Под ред. А. М. Зюзина. Саранск: Изд-во Мордов. гос. ун-та, 2000. 56 с.

14. Калинин Ю. Е. Неупругие и магнитоупругие явления в аморфных металлических сплавах: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук. Воронеж, 1991. 33 с.

15. Кекало И. Б. Магнитоупругие явления // Металловедение и термическая обработка. 1973. Т. 7. С. 5-88.

16. Киренский JI. В., Дылгеров В. Д., Савченко М. К. Динамика доменной структуры в кристаллах кремнистого железа // Известия АН СССР. Серия физическая. 1957. Т. 21. №8. С. 1168-1169.

17. Киренский JI. В., Савченко М. К. О призматических замыкающих доменах в кристаллах кремнистого железа // Известия вузов. Физика. 1958. №1. С. 39^41.

18. Кочард А. Магнитомеханическое затухание // Магнитные свойства металлов и сплавов. М.: Изд. иностр. лит., 1961. С. 328-363.

19. Кочкин JI. И., Кондратов В. М., Хильчевский В. В. Устройство для ускоренного получения амплитудной зависимости декремента при свободных колебаниях механических систем // Проблемы прочности. 1973. № 10. С. 110-113.

20. Кривоглаз М. А., Садовский В. Д., Смирнов JI. В., Фокина Е. А. Закалка в магнитном поле. М.: Наука, 1977. 119 с.

21. Крохмалев В. И., Крылов Б. С., Секанин Н. А. Прецизионный сплав высокого демпфирования на Fe-Cr-Al основе и опыт его применения '// Демпфирующие металлические материалы: Тез. докл. 6 республиканской науч.-техн. конф. Киров: КирПИ, 1991. С. 67-68.

22. Михеев М. И. Скоростная низкотемпературная термомагнитная обработка сплавов ЮНДК // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. № Ю. С. 46^47.

23. Мишин Д. Д. Магнитные материалы: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1991.384 с.

24. Новый сплав «Сайленталлой» с высокой демпфирующей способностью (для снижения шума и вибрации): Проспект фирмы Метл продактс дивижн / Пер. ВЦП с англ. М., 1977. 21 с.

25. Писаревский М. М., Соколинская И. Г. Исследование декремента колебаний нержавеющих высокохромистых сталей // Свойства материалов, применяемых в турбостроении и методы их испытаний. M.-JL: Машгиз, 1955. С. 35— 55.

26. Потехин Б. А., Потехин А. Б. Влияние режимов обработки и содержания углерода на демпфирующие свойства стали 01Х6Ф2 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. № 12. С. 6-9.

27. Прецизионные сплавы. Справочник / Под ред. Б. В. Молотилова. М.: Металлургия, 1983.438 с.

28. Просвирин В. И., Моргунова Н. Н. Влияние структуры стали на относительное затухание крутильных колебаний // Новые исследования в областипрочности машиностроительных материалов: Тр. ЦНИИТМаш. М.: Машгиз, 1952. Т. 49. №6. С. 48-102.

29. Просвирин В. И., Моргунова Н. Н. К вопросу о природе затухания колебаний // Вестник машиностроения. 1952. № 5. С. 53-59.

30. Пустовойт В. Н., Блиновский В. А. Термическая обработка в магнитном поле стали Р6М5 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. №11. С. 52-54.

31. Садовский В. Д., Смирнов Л. В., Фокина В. А. и др. // Физика металлов и металловедение. 1967. Т. 24. Вып. 5. С. 918-939.

32. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. 3-е изд. М.: Металлургия, 1970. 376 с.

33. Скворцов А. И. Влияние структуры на демпфирующую способность и механические свойства сплавов железа с магнитомеханическим затуханием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 5. С. 18-25.

34. Скворцов А. И. Двойной отжиг демпфирующих сплавов железа с магнитомеханическим затуханием и схемы диаграмм распада а-фазы // Технология металлов. 2004. № 4. С. 7-10.

35. Скворцов А. И. Демпфирующие и механические свойства сталей, легированных графитизирующими элементами // Известия АН СССР. Металлы. 1981. № 3. С. 153-158.

36. Скворцов А. И., Кондратов В. М. Магнитомеханическое затухание и физические свойства демпфирующих сплавов железа // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 5. С. 2-4.

37. Скворцов А. И., Кондратов В. М., Скворцов А. А. Ферромагнитный резонанс чистого железа // Наука-производство-технологии-экология: Сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции ВятГУ. Т. 2. Киров: Вят-ГУ, 2001. С. 110.

38. Скворцов А. И. Роль кристаллической и магнитной структур в формировании высокого магнитомеханического затухания в сплавах железа // Физика металлов и металловедение. 1993. Т. 75. № 6. С. 118-124.

39. Скворцов А. И. Создание высокодемпфирующих сплавов железа, цинк-алюминий и основ технологии их термической обработки: Автореферат дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. Екатеринбург: УГТУ, 1995. 38 с.

40. Скворцов А. И. Структурный механизм магнитомеханического затухания в ОЦК-сплавах железа // Известия РАН. Серия физическая. 1993. Т. 57. № 11. С. 159-162.

41. Скворцов А. И. Термическая обработка демпфирующих сталей с феррит-ной структурой // Металловедение и термическая обработка металлов. 1995. № 2. С. 31-33.

42. Способ изменения магнитных характеристик аморфных сплавов с высокой магнитной проницаемостью: Заявка 62-124262 Япония / Масумото Такэси, Фудзимори Хироясу (Япония). МКИ C22F 1/00, С22С 19/00. Заявл. 24.12.74, № 61-144002; Опубл. 05.06.87.

43. Способ термической обработки ферритной стали: Патент РФ № 2001128 / А. И. Скворцов. МКИ C21D 6/00; Заявл. 4.03.91; Опубл. 15.10.1993. Бюл. №37.

44. Способ термомагнитной обработки ферромагнитных материалов: А.с. 378424 СССР / Ф. Н. Дунаев, С. Н. Иванченко, Н. С. Малев, А. Н. Маслов (СССР). МКИ C21D 1/04; Заявл. 30.10.70; Опубл. 18.04.73.

45. Способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов: А.с. 566886 СССР / Я. С. Шур, И. Е. Старцева и В. В. Шулика (СССР). МКИ C21D 1/04; Заявл. 09.02.76; Опубл. 30.07.77.

46. Старцева И. Е., Шулика В. В., Дмитриева Н. В., Лукшииа В. А. Индуцированная магнитная анизотропия, создаваемая в железокремниевых сплавах с помощью ТМагО // Физика металлов и металловедение. 1980. Т. 50. № 2. С. 445-448.

47. Старцева И. Е., Шулика В. В. Связь эффективности термомагнитной обработки и формы кривой температурной зависимости начальной проницаемости железокремнистых сплавов // Физика металлов и металловедение. 1974. Т. 37. № 1.С. 98-106.

48. Старцева И. Е., Шулика В. В., Шур Я. С. Влияние включений и внутренних напряжений на эффективность термомагнитной обработки трансформаторной стали // Физика металлов и металловедение. 1972. Т. 34. № 4. С. 753-761.

49. Удовенко В. А., Тишаев С. И., Чудаков И. Б. Особенности структуры и свойств сплавов высокого демпфирования на основе а-железа // Металлы. 1994. № 1. С. 98-105.

50. Удовенко В. А., Чудаков И. Б., Полякова Н. А. Тонкая кристаллическая и магнитная структура высокодемпфирующих сплавов на основе системы Fe-Cr // ФММ. 1993. Т. 45. № 3. С. 48-55.

51. Фавстов Ю. К., Матвеев Ю. М., Черных Н. Н. Свойства сплавов высокого демпфирования системы железо-хром-алюминий // Демпфирующие металлические материалы: Тез. докл. 4 науч.-техн. конф. Киров: КирПИ, 1984. С. 29—30.

52. Филиппов Б. Н., Танкеев А. П. Динамические эффекты в ферромагнетиках с доменной структурой. М.: Наука, 1987. 216 с.

53. Шекалов Б. И., Кравцов В. Г., Повышев И. А. Нержавеющие ферритные стали с высокой демпфирующей способностью: Информационный листок о научно-техническом достижении № 92-0677. М.: ВИМИ, 1992. 2 с.

54. Шулика В. В., Старцева И. Е., Шур Я. С. Термомагнитная обработка трансформаторной стали в переменном магнитном поле // Физика металлов и металловедение. 1975. Т. 40. № 2. С. 296-303.

55. Шур Я. С., Абельс В. Р. Исследование процессов намагничивания в кристаллах кремнистого железа // Физика металлов и металловедение. 1958. Т. 6. №3. С. 556-563.

56. Шур Я. С., Зайкова В. А. О влиянии упругих напряжений на магнитную структуру кристаллов кремнистого железа // Физика металлов и металловедение. 1958. Т. 6. №3. с. 545-555.

57. Becker J. J. Metal Progress, 1957, V. 72, №2, p. 84.

58. Bozorth R. M. Proc. Conf. Magn. and Magn. Mat. Amer. Inst., Elec. Eng., Boston, 1956, p. 69.

59. Masumoto H., Sawaya S., Hinai M. Damping capacity of Gentalloy in the Fe-Co alloys //Journal of the Japan Institute of metals. 1978. V. 42. № 4. P. 337-341.

60. Masumoto H., Sawaya S., Hinai M. Damping capacity of Gentalloy in the Fe-W alloys // Journal of the Japan Institute of Metals. 1978. V. 42, № 12. P. 11341137.

61. Masumoto H., Sawaya S., Hinai M. Damping characteristics of Gentalloy in the Fe-Mo system // Journal of the Japan Institute of metals. 1981. V. 45. № 6. P. 631-636.

62. Render H., Jones R. Phys. Rev. 1913. V. 1. p. 259.

63. Suzuki K., Fujita Т., Hasebe M. Damping capacity and mechanical properties of sintered Fe-Cr-Mo high damping alloys // Internal Friction and Ultrasonic Attenuation in Solids. Tokyo: University of Tokyo Press, 1977. P. 757-761.

64. Voronina E. V., Ershov N. V., Ageev A. L., Babanov Yu. A. Regular algorithm for the solution of the inverse problem in Mossbauer spectroscopy. Phys. Stat. Sol. (b), 1990, V. 160, P. 625-634.