Ключевые слова: термомагнитная обработка, легированные стали, абразивный износ, твердость, термическая обработка, износостойкость, структура.
Современные оборудование предъявляет для стальных изделий все более высокие требования. Получение сталей соответствующего качества классическими методами производства невозможно. Поэтому для повышения качества сталей применяют различные методы обработки, одним из которых является ТМО. Чаще всего при обработке материалов с воздействием магнитного поля и температуры выделяют два способа обработки:
-
Термическая обработка в магнитном поле (далее – ТОМП) применяется для изменения технологических свойств сталей (данный метод не нашел широкого применения в связи с быстрым выходом магнитных элементов из строя).
-
ТМО – применяются магнитомягкие материалы для изменения их магнитных свойств (данный способ более эффективен, так как магнитное поле, создаваемое магнитами, работает во время охлаждения обработанной детали и исходный образец нужно нагревать до меньших температур, что позволит минимизировать сгорание углерода с поверхности. При этом энергопотребление существенно меньше, чем при ТОМП) [1].
Отличие ТМО от термической обработки заключается в присутствии магнитного поля на стадии охлаждения. При этом температурные режимы совпадают с традиционной термической обработкой.
Ранее доказано [2–4], что присутствие магнитного поля в момент термической обработки оказывает влияние на фазовые превращения сталей, но при этом изменение индуктивности магнитного поля на металлы почти не изучено или мало изучено. Вследствие этого цель работы заключается в исследовании изменения технологических характеристик легированных сталей при охлаждении в магнитном поле различной индуктивности.
Предлагаемый метод заключается в нагреве образцов выше критической точки с последующим охлаждением в магнитном поле с различной индуктивностью, что позволяет улучшить износостойкость сталей. Главным достоинством данного метода является гарантируемая структура материала после обработки, простота технологического процесса, а также малые экономические и энергетические затраты по сравнению с другими методами повышения технологических свойств материала.
Испытания и обсуждение результатов
Исследования проводились со сталями 30Х13Г8Ф, 12Х18Н9Т, 45 и Х11Н9Д20. Для проведения испытаний разработана установка, представленная на рисунке 1 и состоящая из двух постоянных электромагнитов, между которыми помещается образец. При такой компоновке один из магнитов является северным полюсом, второй – южным. Образец выступает в роли сердечника.
РИСУНОК 1. Схема установки для испытаний
Для обработки использованы два электромагнита с рабочим напряжением 24 В и 36 В и сопротивлением катушки 20 Ом, изменение напряжения необходимо для определения влияния на структуру и технологические свойства интенсивности магнитного поля.
Первоначально для каждого образца проводят отжиг 1-го рода, для снятия напряжений, после чего образцы нагреваются выше критической точки (Ac3), с последующим охлаждением в магнитном поле при комнатной температуре. После обработки образцы подвергаются абразивному износу на машине трения МТ-3 (рисунок 2) [5], износ материалов определялся путем взвешивания образцов на аналитических весах.
Испытания проводились в течение 20 минут при линейной скорости равной 0,0417м/с. За данный промежуток времени образцы преодолели 50 метров.
Рисунок 2. Схема установки МТ-3
1 – абразивный диск; 2 – направляющие; 3 – образец; 4 – оправка для крепления переходной втулки с алмазным зубком; 5 – каретка; 6 – кулисный механизм; 7 – направляющие; 8 – электродвигатель; 9 – муфта; 10 – редуктор (2Ч-63); 11 – электронасос (ПА-22); 12 – корпус; 13 – вибродатчик c виброметром; 14 – термопара с мультиметром
Сталь 45 взята как первый образец для испытаний, и выявлено, что ТМО повлияла на структуру материала и привела к ее гомогенности, что позволяет говорить о более равновесной структуре. Однако для данной стали изменение структуры привело к уменьшению износостойкости материала. Износ увеличился на 11 % (рисунок 3), это объясняется равным распределением ферритной фазы по объему материала, поэтому дальнейшие исследования с данной сталью не проводились.
РИСУНОК 3. Изменение массы стали 45 в зависимости от напряженности магнитного поля
Легированные стали 12Х18Н9Т и 30Х13Г8Ф обрабатывались при напряженности магнитного поля 24 и 36 В. Результаты испытаний приведены на рисунке 4.
РИСУНОК 4. Изменение массы материалов в зависимостиот напряженности магнитного поля
Из полученных результатов видно, что с увеличением напряженности магнитного поля износ представленных сталей уменьшился, это обусловлено увеличением глубины обработки. При сравнении результатов испытаний исходных и обработанных образцов показано уменьшение износа:
- стали 12Х18Н10Т на 11,03 % при напряженности магнитного поля 24 В;
- стали 30Х13Г8Ф на 0,38 % при напряженности магнитного поля 24 В;
- стали 12Х18Н10Т на 16,47 % при напряженности магнитного поля 36 В;
- стали 30Х13Г8Ф на 59,79 % при напряженности магнитного поля 36 В.
Также авторы провели исследования стойкости направляющих аппаратов центробежных лопастных насосов из стали Х11Н8Д20 (рисунок 5).
РИСУНОК 5. 3Д-сканы направляющих аппаратов центробежных лопастных насосов после испытаний
3Д-сканы направляющих аппаратов центробежных лопастных насосов после испытаний: а – образец без ТМО, б – образец после ТМО
Испытания проводились в растворе 3 % NaCl и 3 % HCl с добавлением 10 г/л механических примесей в виде кварца. Продолжительность испытаний составила 10 часов, что эквивалентно 450 суткам работы в скважинных условиях [6].
По результатам измерений после испытаний обработанный образец имеет те же геометрические характеристики, что и до испытаний, а необработанный образец потерял 0,3 мм линейных размеров, что составило 66,67 % потерь от исходного геометрического размера. Измерения проводились 3D-сканированием и дополнительно подтверждены профилометром.
Заключение
На основании полученных в ходе работы результатов установлено, что легирующие элементы оказывают влияние на структуру материалов после проведения термомагнитной обработки. Так, у стали 45, которая не относится к легированным сталям, после обработки зерна перлита поменяли свою форму из пластинчатой на зернистую, что привело к равномерному распределению зерен феррита в структуре и, соответственно, уменьшению твердости материала. Увеличение напряженности магнитного поля повышает износостойкость легированных сталей до 60 %.
Авторами разработана и испытана технология проведения термомагнитной обработки, позволяющая повысить износостойкость материалов, работающих в условиях агрессивных сред. Данная технология позволяет получить необходимую структуру, сократив затраченную энергию и время по сравнению с существующими методами обработки.
На данный момент продолжается изучение влияния химических элементов на эффективность проведения термомагнитной обработки.
Литература
1. Патент № 2821129 C1 Российская Федерация, МПК C21D 9/00, C21D 1/04, C21D 6/02. Способ термомагнитной обработки цилиндрических изделий из аустенитных и мартенситных сталей: № 2023133343: заявл. 15.12.2023: опубл. 17.06.2024 / Ю.С. Дубинов, О.Б. Дубинова, Г.Т. Бокоев [и др.]; заявитель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина.
2. Бернштейн, М.Л. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле / М.Л. Бернштейн, В.Н. Пустовойт. – Москва: Машиностроение, 1987. – 256 с.
3. Пустовойт, В.Н. Зарождение мартенсита в условиях сверхпластичности аустенита и воздействия внешнего магнитного поля / В.Н. Пустовойт, Ю.В. Долгачев // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2016. – № 2 (181). – С. 114–120.
4. Пустовойт, В.Н. Циклическая термическая обработка с воздействием внешнего магнитного поля / В.Н. Пустовойт, Ю.В. Долгачев, О.А. Харсека // Наука, техника и образование. – 2019. – № 11 (64). – С. 10–13. – EDN HBLEAG.
5. ГОСТ 17367-71 Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы. – М.: Издательство стандартов, 1972.
6. ГОСТ Р 51372-99 Методы ускоренных испытаний на долговечность и сохраняемость при воздействии агрессивных и других специальных сред для технических изделий, материалов и систем материалов. Общие положения. – М.: Госстандарт России, 2000.
