Термообработка, режим отжига, Fe-Co-V, индукция технического насыщения, коэрцитивная сила

Термическая обработка Ре-Со-У как инструмент совершенствования качества изделий из магнитомягких материалов

А.В. Чижов

Несмотря на то, что магнитомягкие сплавы на основе тройной системы Fe-Co-V, одним из представителей которых является сплав 49К2ФА (ГОСТ 10160-75), были разработаны в середине прошлого века, они и по настоящее время находят широкое применение в производстве роторов и статоров различных электрических машин из-за высокой магнитной индукции технического насыщения Бэ - до 2,4 Тл, высокой температуры Кюри, повышенной магнитной проницаемости в слабых и средних магнитных полях, малых удельных потерь на перемагничивание РБ^ при высоких значениях индукции на частоте до 400 Гц [1, 2]. К таким машинам относятся электрические моментные двигатели [3], которые в последние годы нашли широкое применение в качестве исполнительных элементов в современных системах автоматики, телемеханики, а так же в узлах техники специального назначения.

Требование высоких эксплуатационных характеристик моментных двигателей обуславливает применение новых и совершенствование комплекса технологических свойств применяемых магнитных сплавов. При производстве деталей из магнитомягких сплавов основной технологической операцией, определяющей магнитные свойства, является термическая обработка. За счет нее снижаются напряжения в кристаллической решетке, восстанавливаются размеры зерен и устраняется наклеп в поверхностных слоях материала, связанный с предшествующими механическими операциями: штамповкой, лазерной резкой и шлифовкой заусенцев. Применение отжига позволяет не только восстановить магнитные характеристики магнитомягкого сплава вследствие уменьшения плотностей дислокаций и изменения структуры дефектов кристаллической решетки

сплава, выравнивания химического состава, гомогенизации и атомного упорядочивания, но и улучшить их [4].

Известно, что режимы отжига существенно зависят от степени ухудшения магнитных свойств сплава. Меньшее содержание вредных примесей металлургического происхождения и примесей, растворенных в решетке матрицы, и более совершенная кристаллическая решетка, позволяют достичь наивысших магнитных свойств. Вследствие этого применение режимов отжига, рекомендованных в (ГОСТ 10160-75) и сертификатах на поставляемый сплав, может привести к неудовлетворительным результатам, поскольку не обеспечивает требуемых магнитных свойств.

Согласно (ГОСТ 8.377-80) влияние режимов термической обработки на магнитные свойства сплава необходимо оценивать проведением измерений параметров тороидальных образцов-свидетелей. Для этого из ленты 49К2ФА методом листовой штамповки изготовлено 8 кольцевых образцов диаметрами 39мм наружный и 35мм внутренний, массой 38-40 г. каждый, что позволяет свести к минимуму влияния на результаты измерений формы образцов. Далее образцы подвергаются термообработке в вакууме, что способствует защите поверхности образцов от окисления и достигается дегазация сплава. Это в совокупности приводит к улучшению магнитных свойств.

Измерения магнитных свойств осуществлялось на тороидальных образцах-свидетелях с помощью «Измерителя параметров магнитомягких материалов ММ-50А» [5].

Для выявления оптимального режима термообработки проведен анализ диаграммы состояния двойной системы Бе-Со [6]. В связи с этим рассмотрены следующие этапы отжига, которые характеризуются параметрами, обуславливающими качество термообработки:

1. подготовка к термообработке;

2. определение максимальной температуры отжига и скорости ее достижения;

3. определение времени выдержки при максимальной температуре;

4. определение режима и скорости снижения темперы.

В процессе подготовки основное внимание необходимо уделять предотвращению спекания кольцевых образцов между собой и с оправкой. Для этого применим неактивные покрытия [7], к которым относятся оксиды магния, алюминия и кальция. Данные материалы способствуют удалению газообразных продуктов рафинирования с поверхности сплава. Это в свою очередь улучшает магнитные свойства.

Анализ скорости нарастания температуры показывает, что она не оказывает существенного влияния на качество отжига [8], тем не менее, малая скорость нагрева нежелательна по экономическим соображениям, поскольку приводит к потере времени на термообработку и дополнительным затратам. В то же время высокая скорость нагрева вызовет появление трещин на поверхности сплава. В работе во всех случаях скорость нагрева составляла 500°/ч.

Исходя из диаграммы состояния Бе - Со максимальная температура отжига может быть установлена в интервале 850 - 900°С (образец Б1) и в интервале 1050 - 1100°С (образец Б2). Это связано с тем, что процессы металлургического характера наиболее активно протекают под действием высоких температур [9].

Значащим фактором является время выдержки при максимальной температуре, поскольку процесс образования равновесных структур, увеличения показателя дегазации металла носят относительно длительный характер [10]. В связи с этим термообработке подвергнуты образцы Б3, Б4, Б5, время выдержки при максимальной температуре которых, составляло 3, 4, 6 часов соответственно.

Существенным является градиент снижения температуры. Малая скорость охлаждения оказывает положительное влияние на магнитные свойства Бе - Со-У сплавов (образец Б6, Б7, Б8), что свидетельствует о том, что оптимальной является упорядоченная равновесная структура [11].

Поскольку нагрев осуществлялся до температуры 850°С (образцы Б6, Б7, 88), то режим охлаждения выбран одноступенчатым с постоянной скоростью.

Результаты исследования режимов термообработки на изменение магнитных свойств, приведены в таблице №1.

Таблица № 1

Результаты исследования

№ п/п Вг, Тл Цmax, Гс/Э В цmax, Тл Hцmax, А/м В^ Тл Не, А/м BHmax, Дж/м3 HBHmax , А/м

1,528 12567 1,231 77,96 2,256 61,53 54,78 -46,18

Б2 1,174 11066 0,744 55,67 2,038 47,92 32,11 -55,67

1,272 12695 0,904 56,66 2,157 45,299 31,46 -29,9

Б4 1,242 1313 0,859 51,99 2,188 42,978 31,38 -31,34

Б5 1,371 12837 1,018 63,08 2,249 49,248 38,89 -16,22

Бб 1,38 12323 1,019 65,8 2,263 53,453 42,93 -40,27

Б7 1,349 13967 0,93 53,01 2,227 45,606 41,43 -35,26

Б8 1,355 19325 0,877 36,11 2,236 32,786 31,16 -36,11

Б9 1.179 2905.9 1.069 292.7 2.114 192.92 91.12 -120.1

Б10 1.462 4753.5 1.268 212.3 2.201 148.44 91.1 -95.3

Анализ диаграммы состояния и результатов измерений (таблица №1) показывает, что длительное действие температуры свыше 1000°С приводит к неудовлетворительному результату (образец Б2). Это может быть связано с неконтролируемым ростом зерен при таких температурах и с изменением типа кристаллической решетки при охлаждении, что требует дополнительного времени выдержки для снятия напряжений, возникающих в процессе фазового перехода. Наилучшие магнитные свойства получились

при отжиге с максимальной температурой, не превышающей 900°С (образец Б1).

При малом времени выдержки процессы рекристаллизации и роста зерна протекают не полностью (образец Б3). С увеличением времени выдержки наблюдается рост магнитной индукции (образец Б4), наибольшее значение которой достигается после выдержки в течение 6ч (образец Б5). Дальнейшее увеличение времени выдержки является не целесообразным.

Снижение коэрцитивной силы от (60 ^ 50)А/м до (28 ^ 32)А/м наблюдается при уменьшении скорости охлаждения при одноступенчатом режиме.

Выводы:

1. Выявлена зависимость между режимами термообработки и магнитными свойствами сплава 49К2ФА толщиной 0,1 - 0,2мм, что позволило оптимизировать этапы термообработки.

2. Установлено, что с увеличением времени выдержки при максимальной температуре повышается значения магнитной индукции в диапазоне поля намагничивания от 0 до технического насыщения. Оптимальные значения индукции достигаются после 6 часов выдержки.

3. Показано, что скорость охлаждения 100°/ч оказывает положительное влияние на магнитные свойства Бе-Со-У сплавов: оптимальной является упорядоченная равновесная структура.

4. Предложенный режим термообработки позволил улучшить показатели магнитных свойств ленты 49К2ФА I и II классов. Исследование времени выдержки и режима охлаждения обусловило снижение коэрцитивной силы Бе-Со сплава 49КФ (образцы Б9, Б10).

Литература:

1. Стародубцев Ю.Н. Мир материалов и технологий. Магнитомягкие материалы. [Текст] - М.: «Техносфера». -2011. -664с.

2. Cullity B.D., Graham C.D., Introduction to magnetic materials. Second Edition. IEEE Press. -2009. -545p.

3. Осьмаков А. А. Технология и оборудование производства электрических машин [Текст]. Учебник для техникумов. - М.: «Высш. школа». -1971. - 344с.

4. Мишин Д.Д. Магнитные материалы [Текст]: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: «Высшая школа». -1991. -384с.

5. Вареник Ю.А., Метальников А.М., Рябов Д.В., Чижов А.В. Автоматизированная установка для исследования магнитомягких материалов [Текст] // Университетское образование: сб. статей XVI Международной науч.-метод. конференции. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. -2012.- С.176-177.

6. Диаграммы состояния двойных металлических систем [Текст]: Справочник: В 3 т.: Т.2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение. -1997. - 1024с., ил.

7. Кекало И.Б., Самарин Б. А. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами [Текст]: Учебник для вузов. - М.: Металлургия. -1989. -496с.

8. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы: Учебник для студ. вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики». - 3-е изд., перераб. и доп. [Текст] - М.: Высш. шк. -1986. -352с.: ил.

9. Totten G.E. (Ed.) Steel Heat Treatment: Metallurgy And Technologies. Taylor & Francis Group, 2 edition. -2006. -820p.

10. Бойко Н. И., Фисенко К. С. Исследование качества поверхности наплавленного металла цилиндрической детали обработанной в горячем состоянии [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №2. - Режим доступа: ЬНр://шшшлуёоп.щ/тада7ше/агсЫуе/п2у2012/746 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

11. Лившиц А. В. Влияние термоизоляторов на нагрев полимеров при высокочастотной электротермии [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2014, №2. - Режим доступа: ЬНр://шшшлуёоп.щ/тада7ше/агсЫуе/п2у2014/2348 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.