Магнитный Контроль качества термической обработки электротехнической стали при изготовлении вакуумных коммутирующих устройств

Ишков А.С.

МАГНИТНЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ВАКУУМНЫХ КОММУТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Вакуумные коммутирующие устройства (ВКУ), в частности, высокочастотные выключатели и переключатели, широко используются в мощных радиотехнических системах в качестве коммутирующих элементов. Диапазон рабочих частот коммутируемых сигналов составляет от 1,5 до 120 МГц при напряжении до 5 кВ и токе до 12 А. ВКУ должны обеспечивать не менее 1-106 коммутационных операций в режиме бестоковой коммутации при допустимом количестве самоустраняющихся сбоев в среднем не более 1 на 3-104 коммутационных операций для каждой контактной пары.

Для поддержания технических характеристик отечественных ВКУ на уровне лучших мировых образцов необходимо непрерывно проводить совершенствование технологического процесса их производства. Первоочередной задачей в борьбе за качество продукции является повышение уровня метрологического обеспечения производства.

С целью повышения эффективности производства на предприятиях-изготовителях вакуумных переключателей и выключателей постоянно увеличивается число контролируемых параметров технологического процесса изготовления ВКУ, организуется их регистрация с целью внедрения статистических методов управления качеством.

Параметры электромагнита, одного из важнейших узлов ВКУ, практически полностью определяются характеристиками магнитопровода, изготавливаемого из электротехнической стали марок 20860, 10864, 20895 и др.

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 термообработки. 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 на воздухе. Отжиг изменяет структуру стали (увеличивая размер феррита), что приводит к изменению магнитных свойств [1], в частности, к уменьшению коэрцитивной силы (Нс) и остаточной индукции (Вг), повышению магнитной проницаемости (ц) до требуемых по сертификату значений.

Практика показала, 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 10864 процент годных деталей составил 60 %, для стали 20895 - 75 %. Такие результаты свидетельствуют о том, что каждая марка стали должна подвергаться процессу вакуумной термообработки по индивидуальному режиму.

Одним из магнитных параметров, характеризующим качество процесса термообработки является коэрцитивная сила электротехнической стали. Коэрцитивной сила - параметр, очень чувствительный к структурному состоянию материала. Поэтому по значению коэрцитивной силы можно определять правильность режима отжига, наличие отклонения в химическом составе стали.

С целью увеличения выхода годных изделий проведены исследования по выявлению зависимости между параметрами отжига и коэрцитивной силой электротехнической стали различных марок. В ходе исследований использовалась информационно-измерительная система контроля температуры вакуумного отжига стали и деталей ВКУ и установка для измерений магнитных характеристик электротехнической стали МИУ-1 [2].

Базовым элементом информационно-измерительной системы является микропроцессорный регулирующий термометр «МИРТ-1» с электронной памятью. Термометр в вариантах использования предназначен для работы с термоэлектрическими преобразователями типов ХА, ХК, ВР(А-1), ПП^) и с термопреобразователем сопротивления 100П. «МИРТ-1» обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 0 до 500 °С (в зависимости от типа датчика) с основной погрешностью, практически равной погрешности первичного преобразователя (собственная погрешность вторичного преобразователя не более ± 1°С). «МИРТ-1» поддерживает температуру нагрева электропечи на уровне заданного значения. Это значение вводится с дискретностью 1°С. Регулирование температуры осуществляется с помощью реле с гистерезисом, программируемым с дискретностью 1°С. Текущее значение температуры сохраняется во внутренней памяти прибора объемом 2 кБ 1 раз в минуту (таким образом, сохраняется 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. Измерительная установка реализует индукционно-импульсный метод, заключающийся в измерении приращений магнитного потока, вызванных скачкообразными изменениями напряженности намагничивающего поля.

Обработка данных о ходе технологического процесса осуществляется на компьютере. Первичные данные в приборах, на носителях и в программе имеют защиту от несанкционированного доступа, что дает уверенность в достоверности данных. Имеется возможность создать базу данных технологических операций, что позволит использовать статистические методы управления качеством продукции. Интерфейс пользователя дает возможность просмотреть результаты измерений как в цифровой, так и в графической форме, автоматически формирует протокол выполнения технологической операции, который можно напечатать на бумажном носителе.

С целью нахождения оптимального режима вакуумного отжига были измерены магнитные характеристики у 100 кольцевых и прямолинейных образцов электротехнической стали марок 20860, 10864, 20895 и др. после

их термической обработки. Каждому образцу соответствовал определённый режим термообработки, различающийся температурой отжига Тотж. и временем выдержки tвыд при температуре отжига.

В результате проведенных исследований были получены зависимости коэрцитивной силы от значений температуры отжига и от времени выдержки при температуре отжига. Зависимость коэрцитивной силы от температуры отжига представлена на рисунке 1(а), зависимость коэрцитивной силы от времени выдержки изображена на рисунке 1(б).

°с «, а б

Рисунок 1

Как видно из графиков, коэрцитивная сила увеличивается как при уменьшении температуры отжига, так и при уменьшении времени выдержки при этой температуре. В результате проведенных экспериментальных исследований и расчетов были получены индивидуальные режимы отжига деталей ВКУ для каждой марки электротехнической стали. В таблице 1 представлены параметры отжига для некоторых марок стали, позволяющие получить требуемые магнитные свойства.

Таблица 1

Параметр отжига Марка электротехнической стали

20860 ВД 2 08 60-ВИ 10864 20895

Температура отжига, Тотж, 0С 950 950 940 940

Время выдержки tвыд, мин 180 180 170 165

ЛИТЕРАТУРА

1. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 320

С.

2. Ишков А. С. Контроль магнитных параметров при изготовлении высокочастотных вакуумных устройств / А. С. Ишков, П. П. Чураков // Контроль. Диагностика. - 2006. - № 3. - С. 17-19.