Способ формирования покрытий на поверхностях металлических материалов
Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано для обеспечения эксплуатационных характеристик покрытий конструкционных и инструментальных материалов. В покрытиях металлических материалов устанавливают кристаллографические направления легчайшего намагничивания параллельно вектору результирующей намагниченности доменов при деформации растяжением или сжатием. Направление внешнего магнитного поля совмещают с кристаллографическими направлениями легчайшего намагничивания. Предварительно покрытие обрабатывают комплексом NiFe или TeFe. Энергия намагничивания превышает энергию деформации. Технический результат: повышение сопротивления деформации материала покрытия и расширение области использования. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к общему машиностроению и может быть использовано для обеспечения эксплуатационных характеристик (сопротивляемости деформации) покрытий конструкционных и инструментальных материалов.
Известен способ получения магнитного покрытия [авторское свидетельство РФ №1663047, кл. С 23 С 18/32, 01.02,1989], в котором управление упругими напряжениями осуществляют нанесением слоя с сформированной регулярной доменной структурой с учетом положения оси легкого намагничивания.
Недостатки такого способа управления напряженным состоянием -обязательное наличие когерентного и магнитожесткого слоев для получения однородного по структуре рабочего слоя с хорошо выраженной анизотропией и ограниченная пригодность.
Известен также способ получения покрытия на поверхностях металлических материалов [авторское свидетельство РФ №520905, кл. C 25 D 3/00, 1976] при намагничивании покрытия.
К недостаткам его следует отнести отсутствие возможности учета условий намагничивания материалов с положительной или отрицательной магнитострикцией, в том числе находящихся в деформационном состоянии, а также недостаточное сопротивление деформации материала покрытия и ограничение его использования.
Задача изобретения - повышение эффекта магнитострикции в регламентированных направлениях.
Технический результат - повышение сопротивления деформации материала покрытия и расширение области использования.
Это достигается тем, что в способе формирования покрытий на поверхностях металлических материалов, включающем намагничивание покрытия внешним магнитным полем, с помощью внешнего магнитного поля формируют магнитострикционные напряжения с учетом направленного действия внешней нагрузки, при этом устанавливают кристаллографические направления легчайшего намагничивания параллельно вектору результирующей намагниченности доменов при деформации растяжением или сжатием, и совмещают направление внешнего магнитного поля с кристаллографическими направлениями легчайшего намагничивания. При этом предварительно покрытие обрабатывают комплексом NiFe или TeFe.
В состав покрытия включены составляющие, характеризующиеся высокой магнитострикцией, за счет которой вследствие упорядочения кристаллографических направлений легчайшего намагничивания при осаждении покрытия обеспечивается дополнительная энергия намагничивания.
При внешнем намагничивании, а также при циклических фазовых переходах второго рода (нагреве выше точки Кюри и последующем охлаждении) в ферромагнитных материалах происходит их перемагничивание, выраженное в образовании доменной структуры - чередующихся слоев с взаимно противоположным направлением намагниченности, которые способны конгломеративно и однонаправленно расти во внешнем магнитном поле и изменять объем среды. Магнитное взаимодействие электронов влияет на межатомные расстояния, анизотропно изменяя остаточную индукцию и линейные размеры (плотность) среды вследствие магнитострикции. При этом, в силу принципа запрета Паули, обменные силы выстраивают параллельно ориентированные моменты электронов в направлении легчайшего намагничивания. Направление легчайшего намагничивания для кристаллов с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) - [100], для кристаллов с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) - [111], с гексагональной (ГПУ) - [0001].
Направленное ориентирование кристаллов покрытия обеспечивается управляемым внешним магнитным полем известным способом, благодаря свойству магнитной восприимчивости и магнитной анизотропии ферромагнитных и парамагнитных компонентов, входящих в состав покрытия, что позволяет сформировать в пределах толщины покрытия регламентированную упорядоченность кристаллографических направлений легчайшего намагничивания. При этом обеспечивается анизотропия магнитных свойств покрытия, адаптированная к условиям намагничивания при эксплуатационном (внешнем) нагружении.
Действительно, магнитные, механические, тепловые, электрические свойства монокристаллов металлов анизотропны. Магнитная анизотропия выражена в существовании оси легчайшего намагничивания, в направлении, которой достигаются облегченные условия магнитного насыщения во внешне индуцированном магнитном поле, а также при самонамагничивании. Положением поля задается соответствие оси легчайшего намагничивания в кристаллах вектору магнитной индукции, что при формировании кристаллической структуры покрытия обусловливает возможность направленного ориентирования кристаллов.
Таким образом, регламентированная кристаллографическая ориентация нацелена на управление условиями намагничивания, возникающими при механической деформации внешней силой (деформирующей нагрузкой), при которой направление результирующей намагниченности оказывается однонаправленным, и упорядочения направлений легчайшего намагничивания в кристаллах, повышающего магнитную проницаемость среды. При этом исправлением легчайшего намагничивания в условиях деформации оказывается направление приложения деформирующей нагрузки (исключительно деформация сжатием - для материалов с положительной магнитострикцией (МПМ) и деформация растяжением - для материалов с отрицательной магнитострикцией (MOM), вектор результирующей намагниченности в которых ориентирован перпендикулярно деформирующей нагрузке, а направление превалирующей деформации доменов с ней совпадает), при этом магнитная квазиизотропия снижает энергию намагничивания в этом направлении.
Допуская постоянство направлений деформирующей силы и температурного градиента в поверхностных слоях, учитывается, что направление намагничивания заранее определено. Действительно, для MOM направление упругого сжатия является направлением легчайшего намагничивания; а для МПМ - направление легчайшего намагничивания совпадает с направлением упругого растяжения. При этом растяжение MOM и сжатие МПМ затрудняет намагничивание. Это означает, что вектор результирующей намагниченности доменов Js в MOM при растяжении стремится стать перпендикулярно растягивающей силе и, при этом, тело приобретает дополнительное удлинение за счет того, что каждый домен удлинен перпендикулярно вектору Js и сжат в поперечном направлении. Аналогично получается при деформации сжатием МПМ. Однако в обоих случаях сжимающая компонента поля магиитострикционных напряжений способствует уплотнению материала и повышению модуля упругости. Следовательно, требуется снизить удлинение доменов, при деформации растяжением или сужение доменов при деформации сжатием за счет регламентированного упорядочения кристаллографических направлений легчайшего намагничивания в кристаллах и повышения абсолютной величины намагниченности доменов в этом направлении за счет внешнего магнитного поля в сочетании с намагничением вследствие температурного перепада при деформации. Это приведет к возрастанию компоненты сжатия поля магнитострикционных напряжений в направлении, параллельном деформирующей нагрузке при деформации растяжением и нормальной деформирующей нагрузке при деформации сжатием, за счет сближения межатомных расстояний, повышения плотности среды и возрастания модуля упругости.
Действительно, при намагничивании (размагничивании) материалов с кристаллографической упорядоченностью направлений легчайшего намагничивания работа намагничивания (размагничивания), расходуемая на преодоление препятствий, связанных с магнитной кристаллографической квазиизотропией, оказывается ниже, чем при намагничивании (размагничивании) квазиизотропных материалов. Следовательно, при стимулировании намагниченности, компонента сжимающих магнитострикционных напряжений возрастает, а деформация доменов от внешней (механической) нагрузки снижается.
Кроме того, при намагничивании до насыщения (т.е. когда все Js-векторы доменов полностью ориентированы по направлению поля) внутри доменов остаются спины, не совпадающие с направлением Js-вектора и способствующие увеличению межатомных расстояний и объема среды. При упругом растяжении объем тела увеличивается, в результате чего даже в отсутствие магнитного поля внутри каждого домена происходит парапроцесс, т.e. дополнительная ориентировка спинов вдоль Js-вектора. При этом возрастает намагниченность насыщения, что обусловливает дополнительное удлинение (уменьшение модуля упругости). Учитывая, что объемная магнитострикция парапроцесса положительна, ее существование способствует механической деформации растяжением МПМ и MOM (в направлении компоненты растяжения) и препятствует деформации сжатием для МПМ и MOM (в направлении компоненты сжатия).
При температурах деформации выше точки Кюри эффект сопротивляемости материала покрытия деформации за счет повышения модуля упругости сохраняется. Действительно, модуль упругости ферромагнитных материалов Еферр. представлен разностью нормальной Енорм и отрицательной Е составляющих. При температурах трения в пределах точки Кюри повышение модуля упругости обеспечивается за счет уменьшения отрицательной составляющей Е', которое, вследствие парапроцесса, происходит в большей степени, чем для Енорм., чем объясняется аномальное возрастание Еферр. по сравнению с ненамагниченными (изотропно намагниченными) состояниями.
На фиг.1 показана схема управления полем магнитострикционных напряжений для материала с положительной магнитострикцией при деформации растяжением, а на фиг.2 - схема управления полем магнитострикционных напряжений для материала с отрицательной магнитострикцией при деформации сжатием.
Для материалов с положительной магнитострикцией деформация растяжением сопровождается однонаправленным удлинением доменов при увеличении межатомных расстояний и снижении плотности среды; в перпендикулярном направлении домены сжимаются. Для повышения модуля упругости в направлении, перпендикулярном деформирующей нагрузке Р, ориентация кристаллографических направлений легчайшего намагничивания <100> (в сочетании с однонаправленным внешним магнитным полем) устанавливается нормально вектору деформирующей нагрузки Р, что создает в этом направлении дополнительную энергию намагничивания, снижает энергию положительной магнитострикции парапроцесса (за счет переориентирования результирующего вектора намагниченности) и удлинение доменов, уменьшая межатомные расстояния и повышая плотность среды. При этом модуль упругости в направлении, перпендикулярном деформирующей нагрузке, возрастает.
Для материалов с отрицательной магнитострикцией деформация сжатием сопровождается однонаправленным сужением доменов и их растяжением в перпендикулярном направлении (фиг.2). При этом в направлении, перпендикулярном деформирующей нагрузке Р, возникает напряженное состояние растяжения, при котором модуль упругости снижается. Для повышения модуля упругости в этом направлении ориентация кристаллографических направлений легчайшего намагничивания <111> (в сочетании с однонаправленным внешним магнитным полем) устанавливается нормально вектору деформирующей нагрузки Р, что создает в этом направлении дополнительную энергию намагничивания, сжатие доменов, обусловливающее уменьшение межатомных расстояний в плоскости, нормальной деформирующей нагрузке Р, и повышает модуль упругости в направлении, нормальном Р.
При деформации сжатием материалов с положительной магнитострикцией (фиг.3) и растяжением для материалов с отрицательной магнитострикцией (фиг.4) возникает естественное конкурирующее соотношение результирующей намагниченности доменов с направлением их удлинения, ориентирующихся взаимно перпендикулярно. Поэтому для повышения плотности среды и модуля упругости в направлениях, перпендикулярном и параллельном вектору деформирующей нагрузки Р для материалов с положительной и отрицательной магнитострикцией соответственно, направления легчайшего намагничивания в кристаллах (направление намагничивания внешним полем) устанавливают по направлению вектора результирующей намагниченности доменов Js перпендикулярно деформирующей нагрузке Р. При этом эффект повышения модуля упругости обеспечивается по аналогичным закономерностям.
Пример 1. На поверхность стали осаждают кристаллы железа. При этом учитывается, что покрытие работает на растяжение, а деформирующая нагрузка Р ориентирована параллельно поверхности. Направление намагничивания устанавливают перпендикулярно вектору деформирующей нагрузки. В этом же положении магнитного поля проводят эксплуатацию (нагружение) покрытия. Согласно принятой схеме намагничивания, результирующий вектор намагниченности переориентируется нормально вектору деформирующей нагрузки, а удлинение доменов 
s в направлении, параллельном Р, стимулируемое положительной энергией парапроцесса, уменьшается. При этом отмечается повышение твердости покрытия на 25-30% по сравнению с магнитно-квазиизотропным состоянием. При испытаниях 200°С (точка Кюри 750°С) модуль упругости ненамагниченного образца составил 160·10-3 Н/мм 2, а образца с упорядоченной кристаллографической ориентацией - 168·10-3 Н/мм2 (намагничение в поле 40 эрстед).
Пример 2. На поверхность стали осаждают кристаллы техническою никеля. При этом учитывается, что покрытие работает на сжатие, а деформационная нагрузка Р ориентирована нормально поверхности. Направление намагничивания устанавливают перпендикулярно вектору деформирующей нагрузки. В этом же положении магнитного поля проводят эксплуатацию покрытия. Согласно принятой схеме намагничивания, энергия намагничивания возрастет в направлении, перпендикулярном Р. Вследствие этого сужение доменов s и их поперечное растяжение снижается, а в параллельном Р направлении возрастает модуль упругости. При этом отмечается повышение твердости покрытия на 18-20% по сравнению с магнитно-квазиизотропным состоянием. В испытаниях при температуре 200°С (точка Кюри 350°С) модуль упругости ненамагниченного образца составил 194·10 -3 Н/мм2, а образца с упорядоченной кристаллографической ориентацией 204·10-3 Н/мм2 (намагничение в поле 10 эрстед).
Пример 3. Покрытие пористого хрома обработано известным способом металлической пудрой комплекса NiFe, имеющим отрицательную магнитострикцию. Покрытие работает на растяжение по схеме, рассмотренной на примере 1. Таким образом, при заполнении пор NiFe ориентация магнитного поля устанавливается нормально вектору деформирующей нагрузки. При этом направления легчайшего намагничивания <111> оказываются однонаправленными с вектором результирующей намагниченности доменов Js, что понижает их деформацию растяжением в направлении Р и способствует повышению модуля упругости покрытия в направлении, перпендикулярном Р. Твердость покрытия, сформированного по заявляемому способу, превысила твердость покрытия, полученного по традиционной технологии на 18%.
Пример 4. Покрытие пористого хрома обработано известным способом металлической пудрой комплекса TeFe, имеющим положительную магнитострикцию. Покрытие работает на сжатие по схеме, рассмотренной на примере 2. Таким образом, при заполнении пор TeFe ориентация магнитного поля устанавливается нормально вектору деформирующей нагрузки Р. При этом направления легчайшего намагничивания <100> оказываются однонаправленными с вектором результирующей намагниченности доменов Js, что понижает их деформацию сжатием в направлении Р и способствует повышению модуля упругости покрытия в направлении, перпендикулярном Р. Твердость покрытия, сформированного по заявляемому способу, превысила твердость покрытия, полученного по традиционной технологии на 15%.
Источники информации
1. Авторское свидетельство РФ №1663047, кл. С 23 С 18/32, 01.02,1989.
2. Авторское свидетельство РФ №520905, кл. C 25 D 3/00, 1976.
Формула изобретения
1. Способ формирования покрытий на поверхностях металлических материалов, включающий намагничивание покрытия внешним магнитным полем, отличающийся тем, что с помощью внешнего магнитного поля формируют магнитострикционные напряжения с учетом направленного действия внешней нагрузки, при этом устанавливают кристаллографические направления легчайшего намагничивания параллельно вектору результирующей намагниченности доменов при деформации растяжением или сжатием и совмещают направление внешнего магнитного поля с кристаллографическими направлениями легчайшего намагничивания.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие предварительно обрабатывают комплексом NiFe или TeFe.
РИСУНКИ
