На кафедре машин и технологии литейного производства АлтГТУ им. И.И. Ползунова в рамках научно-педагогической школы развивается научное направление формообразования различных изделий намагниченными дисперсными материалами (ДМ), преимущественно в виде магнитомягких стальных частиц, превращаемыми в прочную систему воздействием магнитного поля (МП). Оно основано на новейших достижениях фундаментальных наук: физика магнитных явлений, теория электричества и магнитных цепей, механика сыпучих тел и прикладной науки: теория литейного формообразования. Целью исследований является создание теоретических и практических основ нового процесса физико-технической обработки магнитным полем нового конструкционного материала в виде большого объема намагниченных частиц при изготовлении различных изделий (магнитных полуформ и стержней, сложных составных полых магнитных форм, в т.ч. с магнитными стержнями в литейном производстве, неразъемных и разъемных магнитных негативов в протезировании и т.д.). Материалы и изделия из него обладают уникальными свойствами управляемой прочности, жесткости и податливости в сочетании с пористостью, газо- и гидропроницаемостью, а процесс имеет ряд технологических и экологических достоинств / 1 /. Процесс предложен в 1966 г. и является новой электротехнологией в литейном производстве, а магнитные формы и стержни открыли четвертое поколение литейных форм и стержней.

Основателем и научным руководителем создаваемой научно-педагогической школы является профессор кафедры, канд. техн. наук Левшин Г.Е., Государственный научный стипендиат, Заслуженный изобретатель РФ и академик Международной академии авторов открытий и изобретений. При выполнении федеральных, межвузовских и региональных программ и договоров с предприятиями и НИИ исследовательские, опытно-конструк-торские и проектные работы ведутся временным творческим коллективом (ВТК “Магнит”), включающим 5 аспирантов руководителя и студентов, сотрудников и преподавателей кафедры.

В рамках научного направления решаются следующие основные проблемы и задачи:

- исследование свойств дисперсных материалов, особенно магнитных;

-исследование прочности и разрушения намагниченных дисперсных материалов;

- разработка технологий и рациональных конструкций различных изделий;

- управление вектором индукции МП на поверхностях изделий для предупреждения специфического дефекта в виде флокул намагниченных частиц;

- конструирование и расчет параметров намагничивающих устройств ( НУ);

- изготовление качественных отливок и позитивов.

По результатам исследований опубликовано 95 научных трудов, в т.ч. монография, и получено 55 авторских свидетельств и патентов на изобретения, подготовлена докторская диссертация. Ряд разработок демонстрировались на международных и республиканских выставках. Левшин Г.Е. является членом диссертационного совета по специальности “ Литейное производство” при Сибирском ГИУ ( г. Новокузнецк).

Научно-педагогической школой получены следующие основные результаты.

Впервые собраны, обобщены, систематизированы, рассмотрены во взаимосвязи с единой позиции и подвергнуты анализу известные, в т. ч. в физике и теории электричества, и полученные самостоятельно сведения о: магнитных свойствах ферромагнитного вещества, тела и дисперсной среды, необходимых в магнитном формообразовании; структурно-механических свойствах ДМ; свойствах дисперсной среды, формировании её прочности и флокулизации; прочности реальных ДМ; основных аспектах формообразования в двух- и многополюсном МП; конструкциях, расчете и проектировании НУ.

Установлены: наличие силы F_в виртуального перехода одного шара относительно другого; механизмы формирования прочно-

сти дисперсной среды при воздействии МП и флокулизации изделий из намагниченного ДМ; два типа границ (Г₁ и Г₂) между фазовыми составляющими дисперсной среды и 5 видов распределения этих фаз и их связь с анизотропией прочности дисперсной среды в зависимости от направления вектора B_e; условия, форма и размеры образца для определения истинной прочности при растяжении; условия соединения частей разъёмной МФ и формирования её фигурной поверхности разъёма; условия и меры по изготовлению изделий без флокул; граничные условия для математических расчетов.

Предложены: классификация НУ и типов литейных форм и стержней; прибор для экспресс-контроля магнитных свойств ДМ; аналитический метод оценки прочности намагниченной дисперсной среды путем подсчета суммарных сил, действующих между частицами дисперсной среды; принцип расчета МП изделий из намагниченных ДМ; критерии К_l, К_м, К_s, К_э и соотношения для оценки конструкций НУ. Созданы методики расчетов: аналитического, в т.ч. упрощенного, по известной напряженности или магнитодвижущей силы (м.д.с.) двухполюсных НУ с U-,П,-С,-О-,I-образным магнитопроводом, основанные на теории магнитных цепей и реализованные на ЭВМ; инженерного по критериям и соотношениям м.д.с. Iw двухполюсных НУ; параметров электрических катушек.

Разработаны: на уровне 55 изобретений прибор для определения прочностных параметров намагниченных ДМ и 42 конструкции двух- и многополюсных НУ, магнитных форм и негативов, магнитных стержней и магнитных форм с магнитными стержнями, 28 из которых изготовлены и используются в Центральном НИИ протезирования и протезостроения (г. Москва), Барнаульском протезно-ортопедическом предприятии и АлтГТУ им. И.И. Ползунова; типовые технологические процессы и практические рекомендации по изготовлению разъемных магнитных форм и отливок. Технологии, конструкции и приборы внедрены в производство и с их помощью получены различные отливки из черных и алюминиевых сплавов и гипсовой суспензии.

Это позволило создать теоретические и практические основы магнитного формообразования, расширить область его применения и сформулировать следующие основные положения.

Все ДМ целесообразно уплотнять для повышения коэффициента K_v заполнения рабочего объема ферромагнетиком, которое увеличивает намагниченность J_д, индукцию В_i и проницаемость m _д ДМ, что уменьшает энергозатраты на упрочнение ДМ и его склонность к флокулизации. По эффективности уплотнения известные способы можно расположить в ряд: вибрация > встряхивание > прессование > пескодувный способ. ДМ со сферическими частицами имеет повышенный K_v и поэтому предпочтительнее, чем с угловатыми. Поскольку неферромагнитные включения в ДМ существенно снижают значения K_v, то их содержание в ДМ не должно превышать 0,5...1% по массе (2...3% по объему). Все ДМ подчиняются закону аддитивности для намагниченности насыщения гетерогенных систем, согласно которому пониженная по сравнению с веществом намагниченность J_sд объясняется размагничивающим действием пор и не может превышать значения K_vJ_s. Повышенная же ( ~ на порядок) напряженность Н_sд при намагничивании до насыщения ДМ объясняется размагничивающим действием совокупности намагниченных частиц и может быть определена по более точной формуле: Н_sд=Н_s+N_рJ_s. Коэффициент N_д размагничивания ДМ с К_v>0,4 является переменной величиной, зависящей от напряженности Н_д и намагниченности J_д ДМ, а его значение может быть определено по предложенной формуле N_д=1/k_mд-1/k_m и стремится к N_р=1/3 (для ДМ из шариков) при Н_д® H_sд. Для намагничивания изделий из ДМ целесообразно постоянное МП, а для измерения магнитных свойств возможно переменное МП (до 50Гц), для чего предложен индукционный прибор экспресс-контроля. При этом необходимо соблюдать оптимальные поперечные размеры образца: не менее (6...8)d_ч - диаметра частицы и не более двойной глубины проникновения переменного МП в тело образца. Для повышения магнитных свойств частицы ДМ целесообразно изготовлять из низкоуглеродистой стали с минимально возможным (по условиям обычной литейной технологии) содержанием C, Mn, Si, S, P, N и H,  особенно углерода. При этом у частиц желательна ферритная или феррито-перлитная структура для увеличения  m _i, В_i и J. Отжиг ДМ,  особенно из чугуна и в водороде, позволяет в 1,5...3 раза повысить  m _д, В_i и J, Причем это повышение увеличивается с ростом температуры и длительности отжига /2,3/.

В формировании прочности дисперсной среды при воздействии МП основными являются силы притяжения F_пр^М, F_пр’, F_пр^мз, F_пр^’,з и силы отталкивания F_от и F_от^з, действующие между частицами, находящимися в условиях контакта и зазора между ними, не превышающем обычно среднего диаметра частиц. При этом силы притяжения увеличивают прочность, а силы отталкивания уменьшают её. Силы притяжения всегда, как минимум в 2 раза, превышают силы отталкивания и достигают максимума при контакте частиц. Степень превышения увеличивается с ростом проницаемости m _i. Прочность намагниченной дисперсной среды зависит от вида её структуры, проницаемости m _i вещества частиц, величины и направления вектора индукции В_e и напряженности Н_е внешнего МП. Она возрастает с увеличением проницаемости  m _i, индукции B_e, степени заглубления N , коэффициента заполнения К_v, координационного числа n, т.е. при приближении структуры дисперсной среды по параметрам  N , К_v и n к пирамидальной, что в реальных ДМ обеспечивается их уплотнением. Намагниченная двухполюсным МП дисперсная среда обладает анизотропией прочностных свойств, причинами которой являются зависимость силы притяжения от направления вектора индукции (напряженности) внешнего МП и распределения ферромагнитной фазы и границ Г₁ и Г₂ и наличие сил отталкивания на границе Г₂. Анизотропия уменьшается при увеличении степени заглубления N , коэффициента заполнения K_v, координационного числа n и отсутствии сквозных каналов в дисперсной среде /4,5/.

Прочность намагниченных ДМ обеспечивается внутренним трением и магнитными силами, имеющими электромагнитную природу и действующими на расстояниях до 1мм, причем прочность t _сд на сдвиг намагниченного ДМ подчиняется закону Кулона для сыпучих тел и увеличивается с повышением значения магнитной связности С_м, которая пропорциональна квадрату индукции B_e. Поэтому прочность при срезе, растяжении, сжатии (смятии) и поверхностная твердость увеличиваются с повышением индукции B_е (напряженности Н_е) МП, а также с повышением проницаемостей  m _i вещества частиц ДМ и m _д самого ДМ, степени уплотнения ДМ и уменьшением количества неферромагнитных включений. Все прочностные характеристики зависят от угла B_е^S между направлением вектора индукции B_е и поверхностью S, по которой происходит разрушение (деформация) образца намагниченного ДМ. Эти зависимости имеют неодинаковый характер и свидетельствуют об анизотропии прочностных свойств ДМ. Образец для определения истинной прочности при растяжении должен иметь конусную часть с углом 2a между коническими поверхностями, обеспечивающим самоторможение частиц ДМ. Максимальное значение прочности при растяжении (при угле B_е^S_р=90° ) стремится к прочности цепочки частиц, а между s _р и t _сд (при B_e^S_р=90° ) существует соотношение s _р» (9...10)t _сд, приближающее ДМ по этому показателю к сплошным материалам, для которых s _р» (3...5)t _сд /5,6/.

Помимо сил притяжения и отталкивания на поверхности реальной намагниченной дисперсной среды могут действовать дополнительно: силы F_в виртуального перехода одной сферической частицы относительно других и момент вращения М_вр несферической частицы или совокупности двух и более сферических или несферических частиц. Они являются основными виновниками флокулизации. Флокулизация ДМ является результатом упрочнения МП реальных дисперсных сред в условиях неплотной укладки частиц любой формы в объёме и, особенно, на её поверхности П, приводящей к наличию немагнитных зазоров между частицами, и намагничивания МП с направлением векторов В_е и Н_е к поверхности П под углом Be^П=70...90° . В этих условиях сила F_в и (или) момент М_вр являются преобладающими над силами притяжения. Образованию флокул способствует и сила отталкивания. На флокулоопасных (фронтальных) поверхностях П_ф двухполюсных МФ минимальны значения намагниченности частиц, функции В_i=f(x) и градиента В_i. Процесс флокулизации можно разделить на 4 этапа по мере роста флокул и изменения их формы (иглы, треугольники, конусы) при увеличении значения индукции B_e, причем на первом этапе (при малых B_e, когда образуются мелкие флокулы-иглы) наблюдаются два вида флокулизации, а именно: образование флокул поворотом несферических частиц (вид 1) и виртуального перехода одной сферической частицы относительно одной или двух соседних (вид 2) /5,7/.

Изделия из ДМ с несферической формой частиц, с мелкими частицами, с пониженной проницаемостью m _i частиц поражаются флокулами в большей степени потому, что практически на каждую несферическую частицу, особенно поверхностную, при любом значении B_e действует момент М_вр; - ДМ с

мелкими частицами имеет в единице объема и поверхности П большее число частиц и, соответственно, немагнитных зазоров, поэтому флокулами поражается более существенная часть поверхности П (чем у ДМ с крупными частицами), а для совершения виртуального перехода малой частицей и ее вращения необходимо гораздо меньшее значение индукции B_e; - у частиц с пониженной проницаемостью m _i уменьшается преобладание силы притяжения частицы к соседним частицам над силами отталкивания F_от, виртуального перехода F_в и вращения F_вр. Флокулизацию можно уменьшить или устранить: - повышением степени заглубления N , коэффициента заполнения K_v, координационного числа n, размера частиц, проницаемостей m _i и m _д; - применением ДМ со сферической формой частиц по возможности близких диаметров; - намагничиванием ДМ существенно неоднородным МП с градиентом, направленным от поверхности П в толщу формы, в том числе путем применения выпуклых полюсных наконечников; - расположением поверхности П как можно ближе к полюсу НУ; - и, в особенности, направлением вектора B_e под углом B_e^П<70° или применением мер немагнитного происхождения /5,7,8/.

При намагничивании любым внешним МП тела магнитной формы с любой рабочей полостью внутреннее МП является неоднородным и пространственным. Двухполюсную форму целесообразно намагничивать в замкнутой магнитной цепи для уменьшения энергозатрат. Существует пороговое значение индукции B_e, до которого давление двухполюсной МФ на поверхность П_ф модели, вызванное магнитными силами, не регистрируется. Это давление и трение модели о МФ являются результатом зарождения флокул и увеличиваются с повышением угла B_e^П_ф, индукции B_e, толщины t_ф слоя ДМ, кривизны поверхности П_ф и с уменьшением проницаемости  m _д ДМ и ширины b_п полости. Для соединения частей МФ (полуформ и стержней) необходимо обеспечивать примерное равенство индукций в соприкасающихся или близкорасположенных точках соединяемых частей и параллельное или под углом 0...140° направление векторов B_e в этих точках, причем после соединения значение индукции в этих точках увеличивается в результате сложения МП этих частей. При ручном формировании фигурной поверхности разъема наиболее целесообразны пленочные эластичные разделители с толщиной t>0,018...0,036d_ч. Полые двухполюсные формы, в т.ч. разъемные, можно перемещать в двухполюсном же МП при условии примерно одинакового направления векторов B_e в по-луформах и этого МП. Вид деформации тела двухполюсной магнитной формы с горизонтальным разъемом зависит от толщины тела, при этом значение индукции, соответствующее началу деформации, уменьшается с увеличением толщины тела .

Из множества известных в науке и технике электромагнитных систем наиболее приемлемыми для двухполюсных магнитных форм и стержней являются катушка и электромагнит с U-,П-,С-,Н-,О-,I-образными магнитопроводами, которые были исследованы и адаптированы к литейным требованиям. Особенностью литейных НУ являются значительные размеры рабочего объёма и практическое равенство длин l_раб (между полюсами) и l_сд (сердечника магнитопровода), что обуславливает неоднородность рабочего МП, создаваемого в рабочем объёме между полюсами, и повышенное МП рассеяния, учитываемое К_рас=3 для О-образных НУ и К_рас=4 для U-,П-,С-,Н-образных. Рабочее МП имеет градиент индукции B_e, направленный: у электромагнита от середины длины l_раб к полюсам, а у катушки - от её торцев к центру полости (вдоль оси) и от центра к виткам (перпендикулярно этой оси). Неравномерность распределения индукции обуславливает и неравномерное распределение твердости изделия, которая выражена заметно меньше, чем индукции. Сильное МП рассеяния у НУ в виде электромагнита позволяет формировать выступ фигурной поверхности разъёма формы высотой до 0,2 l_раб с удовлетворительной прочностью. Применение экранов-магнитопроводов для катушки существенно улучшает основные характеристики НУ и практически устраняет МП рассеяния. Для изготовления разъёмных МФ необходимы, по меньшей мере, два одно- или разнотипных НУ, причем свойства, конструкция и область применения магнитных форм, стержней и негативов в значительной мере определяются видом применяемых НУ. Наиболее эффективны разработанные НУ: с О-образным магнитопроводом для форм, с I-образным магнитопроводом для получения центровых стержней, шарнирное для соединения полуформ с магнитным стержнем и на постоянных магнитах (как не потребляющие электроэнергию). Проектный расчет литейных двухполюсных НУ в виде электромагнитов может осуществляться с помощью разработанных методик: аналитической с применением метода Ротерса для определения магнитных проводимостей, позволяющей оптимизировать конструкцию; упрощенной аналитической и инженерной с применением предложенных критериев К_м, К_l, К_s, К_э и соотношений S_сд/S_пп, t_пп/h_пп, l_раб/h_п. Толщину полюсных пластин для U-,П-,С-образных электромагнитов целесообразно рассчитвать по формуле

t_пп=К_расФ_раб/(К_исВ_sh_пп).

Созданы также методики поверочного расчета этих НУ и расчета параметров катушки. Для рационально спроектированных НУ зависимость B_e=f(I_нw) прямо пропорциональна в рабочем диапазоне индукции, а зависимость м.д.с. НУ с U-,П-,С-образными магнитопроводами и экранированных катушек от их рабочего объёма V_р, установленная с помощью критерия К_м=I_нw/(V_рВ_ср), является экспоненциальной /7,8,9,10,11/.

Многополюсные литейные НУ, в т.ч. разработанные нами, позволяют управлять вектором индукции В_е и состоят из совокупности элементарных магнитных и электромагнитных систем с I-,П-,Ш-образным магнитопроводами, которые создают существенно неоднородные локальные МП у торцев полюсов в слое ДМ необходимой толщины. Эти МП, суммируясь, образуют в рабочем слое ДМ многополюсных изделий поле чередующейся полярности со значительным градиентом индукции (более 4...7мТ/мм), направленным к полюсам, что позволяет получать изделия без явных флокул. При этом толщина упрочненного слоя ДМ t_ф» 0,5(l_раб...l_ср) и может достигать толщины t_ну (или превышать её). Поэтому многополюсные НУ целесообразны для сложных отливок, преимущественно в серийном и массовом производстве, а двухполюсные - для форм простых отливок /12,13,14/.

Полые магнитные формы и магнитные формы с магнитными стержнями целесообразны для отливок: из черных (сталь, чугун) сплавов массой до 50...100 кг с толщиной стенки d до 20...30 мм; из медных сплавов массой до 100...150 кг и d до 30...40 мм; из алюминиевых и цинковых сплавов без ограничения массы и размеров; конструктивно склонных к трещинам или изготовленных из нетрещиностойких сплавов; гидро- и газоплотных; склонных к браку по газовым раковинам, особенно из-за водорода; типа “шапка изолятора”, “мелющие шары”, “била молотковых мельниц”, “гильза цилиндров”, “втулка”, “токарный резец”, “звено гусеницы” и т.п. в серийном и массовом производстве; анатомических моделей в протезировании и т.д.

Отливки или образцы, полученные в магнитной форме, имеют (по сравнению с сырой песчано-глинистой формой) повышенные: прочность и твердость (на 10...15%) за счет измельчения структуры и плотность (на 4...6%), особенно в тонких сечениях; линей-

ную усадку (на 30...50%) и пониженные: газосодержание (в 1,5...2 раза) и усадочную пористость. Регулированием податливости, возможно изменять деформации и остаточные напряжения в 1,5...2 раза /15/.

2. Левшин Г.Е. Магнитные свойства ферромагнитных формовочных материалов.- Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1993.- 51с.

3. Levshin G.Ye. Demagnetizing effect of a dispersed medium // Electrical Technology. - 1997, № 2. - PP. 103 - 109.

4. Левшин Г.Е. Формирование прочности намагниченных формовочных материалов.- Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1993.- 52с.

5. Левшин Г. Е. Механизмы упрочнения магнитных форм и их флокулизации //“Ползуновский альманах” .Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1999, № 3.- С. 83-89.

6. Левшин Г.Е. Прочность намагниченных формовочных материалов.- Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1995.- 94с.

7. Левшин Г.Е. Свойства двухполюсных магнитных форм и стержней.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1997.- 85с.

8. Левшин Г.Е., Мамаев К.В. Влияние конфигурации полюсных наконечников на флокулизацию магнитных форм // Ресурсосберег. технолог. машиностр. - М.: МГААТМ, 1996. - С.13-17.

9. Мустафин Г.А., Левшин Г.Е. Исследование магнитных форм с куполообразной поверхностью разъема //Ресурсосберег. технолог. машиностр.- М.: МГААТМ, 1993.- С.20-22.

10. Левшин Г.Е., Красичков В.А., Бурдюков Н.М. Исследование процесса и устройств для изготовления магнитных стержней //Ресурсосберег. технолог. машиностр. - М: МГААТМ, 1994.- С.35-38.

11. Левшин Г.Е., Красичков В.А. Методы расчета магнитных цепей намагничивающих устройств для магнитных форм /Труды АлтГТУ им. И.И. Ползунова.- Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1995.-С.96-102.

12. Левшин Г.Е. Исследование многополюсных намагничивающих устройств для магнитных форм // Новые тех. процессы в литейн. произв. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. - С.31-32.

13. Смирнов В.Е., Нагорнев Е. В., Левшин Г.Е. О флокулизации многополюсных литейных магнитных форм //ХХIV Гагаринские чтения. Ч.1. - М.: МГАТУ, 1998.-С. 96-97.

14. Левшин Г.Е., Изготовление магнитных форм и стержней // Литейное производство. - 1997, №4.-С.3