Повышение качества процесса отжига электротехнической стали

Ишков А.С.

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ОТЖИГА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Широкое применение магнитомягких материалов в электромашиностроении и радиоприборостроении ставит перед промышленностью ряд задач, главной из которых является повышение качества и надежности устройств, изготовленных на их основе.

Вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ), в частности, высокочастотные выключатели и переключатели, широко используются в мощных (напряжение до 5 кВ, ток 12 А) и высокочастотных (1,5 - 80 МГц) радиотехнических системах. Для поддержания технических характеристик ВКУ на уровне лучших мировых образцов необходимо постоянно проводить совершенствование технологического процесса их производства.

Одним из наиболее важных элементов конструкции ВКУ является магнитная система, которая предназначена для преобразования электромагнитной энергии в механическое усилие и перемещение якоря электромагнита. Переключение ВКУ происходит под воздействием магнитного поля, созданного током в магнитной системе. Основными коммутационными параметрами, определяющими качество работы ВКУ, являются чувствительность, коэффициент возврата, быстродействие и надежность устройства. Эти параметры практически полностью определяются характеристиками магнитопровода ВКУ, изготавливаемого из электротехнической стали марок 10880, 20860 ВД, 20860-ВИ, 20895 и др. При отличии магнитных

свойств стали от требуемых в нормативно-технической документации, наблюдается «залипание» ВКУ, изменяется напряжение и время отпускания контактов.

Электротехническая сталь по своим магнитным свойствам относится к магнитомягким материалам и представляет собой сплав железа с углеродом. Основным свойством данной стали является способность легко намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, благодаря чему сталь обладает высокими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости, низким значением коэрцитивной силы и, как следствие, имеет узкую петлю гистерезиса с малыми потерями на перемагничивание. Магнитные свойства электротехнической стали определяются ее составом, структурой и магнитной текстурой. Металлургическая промышленность поставляет неотожженную сталь, у которой только состав соответствует требованиям нормативной документации. Значения магнитных характеристик должны достигаться самим потребителем путем соответствующей вакуумной термообработки. На завершающей стадии производства ВКУ детали для магнитной системы подвергаются процессу отжига в вакууме. Согласно ГОСТ 11036-75 «Сталь сортовая нелегированная» вакуумная термообработка проходит по следующему режиму: отжиг без доступа воздуха до температуры не выше 950 0С (время отжига не более 3 ч), время охлаждения до 600 0С - не более 10 ч, далее сталь охлаждается на воздухе. Допускается повторный отжиг. Он устраняет изменения в структуре стали (увеличивая размер зерен феррита), вызванные механической обработкой и снимает внутренние механические напряжения, что приводит к изменению магнитных свойств, в частности, к уменьшению коэрцитивной силы Нс до требуемых значений (60 - 95 А/м).

В ГОСТ 11036-75 даны только общие требования к процессу отжига всей номенклатуры марок электротехнических сталей, но химический состав каждой из марок стали является индивидуальным. Накопленный автором опыт измерений магнитных характеристик образов электротехнической стали показывает, что термообработка заготовок из стали, например марки 20860, в стандартном режиме обеспечивает достижение по сертификату значений Нс, Вг, ц только у 50 % образцов, а среднее значение, например, коэрцитивной силы составляет 70 - 75 А/м. Для стали 10880 процент годных деталей составил 60

%, для стали 20895 - 75 %. Такие результаты свидетельствуют о том, что каждая марка стали должна проходить процесс вакуумной термообработки по индивидуальному режиму.

С целью повышения качества и оптимизации процесса отжига электротехнической стали на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета совместно с ФГУП «НИИ электронно-механических приборов» (г. Пенза) проведены исследования по выявлению зависимости между параметрами отжига и коэрцитивной силой электротехнической стали различных марок.

Для решения поставленной задачи использовались информационно-измерительная система (ИИС) контроля температуры и измерительная установка для измерений магнитных характеристик электротехнической стали МИУ-1. Базовым элементом ИИС является микропроцессорный регулирующий термометр «МИРТ-1» с электронной памятью. «МИРТ-1» обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 0 до 1999°С (в зависимости от типа датчика) с основной погрешностью, практически равной погрешности первичного преобразователя (собственная погрешность вторичного преобразователя не более ± 1°С) . Текущее значение температуры сохраняется во внутренней памяти прибора объемом 2 кБ один раз в минуту (таким образом, регистрируется до 1000 значений температуры, что дает возможность регистрировать

температурные режимы технологических операций длительностью более 16 ч). Исследование магнитных

свойств стали осуществляется путем построения статической предельной петли магнитного гистерезиса с помощью МИУ-1, который реализует индукционно-импульсный метод, заключающийся в измерении приращений магнитного потока, вызванных последовательными дискретными изменениями напряженности намагничивающего поля [1].

С целью нахождения оптимального режима вакуумного отжига были измерены магнитные характеристики у 100 кольцевых и прямолинейных образцов электротехнической стали марок 20860, 10880, 20895 и

др. после их термической обработки. Исследуемым образцам соответствовал определённый режим термообработки, различающийся температурой отжига Тотж. и временем выдержки Сед. при температуре отжига (рисунок 1).

Т 0С

Т ОТЖ) С

мин

Рисунок 1 - Режим вакуумной термообработки стали марки 10880

Магнитным параметром, характеризующим качество процесса отжига, была выбрана коэрцитивная сила Нс. В результате проведенных исследований были получены зависимости коэрцитивной силы от значений температуры отжига и от времени выдержки при температуре отжига (рисунок

2)

Рисунок 2 - Влияние параметров отжига на значение коэрцитивной силы электротехнической стали Данные экспериментальных исследований показывают, что коэрцитивная сила уменьшается как при увеличении температуры отжига, так и при увеличении времени выдержки при этой температуре.

В таблице 1 представлены параметры отжига для некоторых марок стали, позволяющие получить требуемые магнитные свойства.

Таблица 1

Параметр отжига Марка электротехнической стали

20860 ВД 20860-ВИ 10880 20895

Температура отжига, Тотж,0С 950 950 940 940

Время выдержки tвд, мин 180 180 170 165

Таким образом, в результате проведенных исследований были получены индивидуальные режимы отжига деталей ВКУ для каждой из используемых марок электротехнической стали.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ишков А.С. Измерительно-вычислительный комплекс для исследования магнитных характеристик электротехнической стали / Ишков А.С., Литвинов Л.Н. // Датчики и системы. - 2006. - № 4, с. 14 -17.