Термомагнитная обработка изделий из аморфного сплава

УДК 621.78:7.044

ТЕРМОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНОГО СПЛАВА

© В.И. Пудов, Ю.Н. Драгошанский

Ключевые слова: аморфный сплав; изделие; термомагнитная обработка.

Исследовано изменение магнитных свойств магнитопроводов из аморфного сплава Fe5Co70Si15B10 при термомагнитном воздействии. Установлен режим обработки, снижающий удельные магнитные потери в 2 раза.

Возможностям улучшения магнитных свойств магнитомягких материалов и сплавов в условиях термомагнитной обработки (ТМО) посвящено значительное количество научных публикаций [1, 2]. Однако возможности улучшения магнитных свойств готовых изделий исследуются практически только на сталях [3-5]. Хотя при механическом изготовлении изделий из магнитомягких материалов, их первично заложенные магнитные свойства в результате механических воздействий претерпевают существенные изменения, что приводит к снижению рабочих параметров, например, измерительных трансформаторов тока и напряжения, а следовательно, и класса их точности.

В представленной работе рассматриваются возможности улучшения магнитных свойств уже изготовленных изделий, материал которых первично был подвергнут стандартному циклу термической обработки.

В качестве исследуемых образцов использовали изделия, изготовленные в виде кольцевых трансформаторных магнитопроводов из аморфного сплава Fe5Co70Si15B10. Они имеют температуру Кюри Тс = 160 °С, толщину ленты 5 = 0,025 мм, ширину ленты 15 мм. Магнитопроводы, пропитанные клеем, имеют жесткую конструкцию без защитной оболочки. Их ленточная поверхность покрыта пленкой из полимерных материалов толщиной от 0,4 до 1,2 мм. Она выполняет функцию изоляционного покрытия, выдерживающего напряжение не менее 5 кВ. Изготавливают магнитопроводы разных типоразмеров с наружным диаметром не более 40 мм и внутренним диаметром 10 мм со средним диаметром 26 мм.

Данные изделия обрабатывались в постоянном магнитном поле, которое было направлено вдоль их продольной оси, но поперек продольной оси ленты. Напряженность магнитного поля изменялась от 103 до 104 А/м при Г от 100 до 180 °С и времени выдержки до 20 мин. Общим в режимах обработки изделий был нагрев от комнатной температуры со скоростью ~10 °С/мин до соответствующей температуры Гн < Тс -температуры Кюри, выдержка при достигнутой температуре в течение определенного времени в условиях приложенного магнитного поля и последующее охлаждение со скоростью ~3 °С/мин до комнатной температуры.

Определение магнитной проницаемости (Цмах), коэрцитивной силы (Нс) и удельных магнитных потерь (Рх) до и после термомагнитной обработки осуществ-

ляли путем оценки петель гистерезиса, снятых на частоте f = 50 Гц при максимальных амплитудах магнитной индукции (Вт) 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; и 0,2 Тл.

Снятие петель гистерезиса и обработку экспериментальных результатов производили на установке высшей точности УВТ-82-А-93, занесенной в Госре-естр средств измерений РФ. Погрешность определения магнитных характеристик не превышала 5 %. В установке реализован индукционный метод измерения. Мгновенные значения напряжений, получаемые в процессе измерений на измерительной обмотке исследуемого образца и измерительном резисторе в намагничивающей цепи установки, преобразуются аналогоцифровым преобразователем в цифровые коды, которые записываются в память сопряженного с установкой компьютера, используемого для вычисления магнитных характеристик материала данного образца.

Таблица 1

Результаты измерений на частоте 50 Гц Р;10~5 (Вт/кг) при перемагничивании магнитопроводов из аморфного сплава Fe5Co70Si15B10

Амплитуда магнитной индукции Вт, Тл до ТМО после ТМО

0,01 0,2 0,05

0,02 1 0,5

0,05 8 5

0,1 40 20

0,2 100 80

Результаты исследований представлены в табл. 1, из которой следует, что в зависимости от различных режимов термомагнитной обработки при магнитной индукции (Вт) от 0,01 до 0,2 Тл можно снизить магнитные потери (Рз) в 1,2—1,9 раза, уменьшить коэрцитивную силу (Нс) в 1,4-2 раза и увеличить в 1,5 раза магнитную проницаемость при нагреве 120-125 °С и время выдержки изделий до 10 мин. в постоянном магнитном поле напряженностью Н = 65-70 кА/м. Причем изоляционные свойства покрытия сохраняются в данном диапазоне температур ТМО.

Таким образом, оптимальный результат ТМО изделий в виде кольцевых магнитопроводов, изготовленных из морфного сплава Fe5Co7oSi15B1o, проявляется в узком диапазоне температур при определенных величинах времени выдержки и напряженности воздейст-

2055

вующего магнитного поля. Он также зависит от размеров и конфигурации обрабатываемых материалов и изделий.

продольная ось

Рис. 1. Фрагмент локального распределения в ленте аморфного сплава продольных (1); поперечных (2); перпендикулярных (3) 180-градусных и замыкающих (4) 90-градусных доменов

после стандартной термической обработки. <-направление

намагниченности доменов

При стандартной термической обработке образцов магнитопроводов формируется исходное состояние ленты аморфного сплава из продольных, поперечных, перпендикулярных 180-градусных и замыкающих их магнитный поток 90-градусных доменов (рис. 1). Причем самопроизвольное появление продольных (1) и поперечных (2) 180-градусных доменов с чередующейся полярностью обусловлено понижением магнитостатической энергии образцов, а перпендикулярных (3) 180-градусных связано с попаданием пузырьков газа между контактной поверхностью получаемой ленты и диском, ее образующим. В области газовых пузырьков тепловое сопротивление контактной поверхности резко возрастает, образуется поперечное сжатие внутренних объемов ленты, и намагниченность ориентируется перпендикулярно ее поверхности.

При ТМО данных изделий в продольном магнитном поле улучшение их магнитных свойств связано с существенным снижением объема 180-градусных ма-итных доменов, намагниченных при стандартной термообработке перпендикулярно плоскости ленты (3), занимавших почти 30 % объема в образцах.

продольная ось

Рис. 2. Фрагмент локального распределения в ленте аморфного сплава поперечных (1) 180-градусных и замыкающих (2) 90-градусных доменов после ТМО. <-----направление намаг-

ниченности доменов

С почти полным исчезновением перпендикулярно и продольно намагниченных доменов, магнитным полем ТМО формируется анизотропная структура из 180градусных доменов с направлением намагниченности вдоль приложенного поля (рис. 2). На боковых краях этой ленты образуются 90-градусные домены, обеспе-

чивающие замыкания магнитного потока и снижение магнитостатической энергии ленты.

В последующем при измерениях магнитных характеристик изделий намагничивающее силовое поле обмотки трансформатора направлено (как и в условиях применения измерительных трансформаторов тока) вдоль поверхности его ленты, т. е. вдоль ее продольной оси (рис. 1). Сформированные при ТМО замыкающие 90-градусные домены (рис. 2) становятся зародышами перемагничивания в направлении приложенного переменного поля, что позволяет снизить его напряженность и уменьшить энергетические затраты на пере-магничивание кольцевых магнитопроводов. Это уменьшение обусловлено тем, что перемагничивание осуществляется по низкоэнергетическому механизму смещения доменных границ, а не по затратному механизму вращения (поворота) намагниченности.

В результате термомагнитной обработки готовых изделий в виде кольцевых трансформаторных магни-топроводов, изготовленных из аморфного сплава Fe5Co70Si15B10, найден оптимальный режим, обеспечивающий снижение удельных магнитных потерь до 1,9 раза, уменьшение коэрцитивной силы до 2 раз и увеличение до 2 раз магнитной проницаемости.

Таким образом, проведенные исследования дают новые представления о возможностях термомагнитной обработки, позволяют эффективно реализовать резервы для долговременной эксплуатации изделий из магнитомягких материалов, применяемых, например, в широко используемых на практике магнитопроводах электрических машин и трансформаторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. М.: Машиностроение, 1987. 256 с.

2. Dragoshanskii Yu.N., Pudov V.I. Influence of Laser Processing and Magnetically Active Inorganic Coatings on the Dynamic Magnetic Properties of Soft Magnetic Materials // Inorganic Materials. 2013. V. 49. № 7. P. 669-676.

3. Пудов В.И., Соболев А.С. Оптимизация физико-механических свойств поликристаллических многокомпонентных ферромагнитных материалов термомагнитной обработкой. Ч. 1. Определение параметров термомагнитной обработки // ФХОМ. 2004. № 4. С. 75-78.

4. Пудов В.И., Соболев А.С. Оптимизация физико-механических свойств поликристаллических многокомпонентных ферромагнитных материалов термомагнитной обработкой. Ч. 2. Термомагнитная обработка легированных сталей // ФХОМ. 2004. № 5. С. 94-97.

5. Пудов В.И., Соболев А.С., Драгошанский Ю.Н. Модифицирование быстрорежущей стали термомагнитной обработкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 6. С. 28-30.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа частично поддержана проектами РФФИ № 11-02-00931, УрО РАН № 12-U-2-1018.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Pudov V.I., Dragoshanskiy Y.N. THERMOMAGNETIC TREATMENT OF PRODUCTS FROM АМОRPHOUS ALLOY Change of the magnetic properties in magnetic cores from amorphous alloy Fe5Co70Sii5Bi0 by thermomagnetic treatment is investigated. Processing of treatment, which reduces the specific magnetic losses in 2 times is established

Key words: amorphous alloy; products; thermomagnetic treatment.

2056