Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ влияния параметров магнитных материалов на качество магнитных систем и технология их изготовления 10
1.1. Ферромагнитные материалы магнитных систем: свойства 11
1.1.1. Магнитомягкие материалы 11
1.1.2. Магнитотвердые материалы 14
1.1.3. Электроизоляционные покрытия 14
1.2. Анализ технологий изготовления магнитных систем 16
1.2.1. Технология изготовления сборочных единиц из постоянных магнитов 17
1.2.2. Технология изготовления сборочных единиц из магнитомягких ст алей и сплавов 18
1.2.3. Технология сборки магнитопровода 22
1.3. Методики и средства измерения статических
магнитных характеристик 24
Глава 2. Методика измерения статических магнитных характеристик магнитомягких материалов на основе индукционно-импульсного метода 30
2.1. Подготовка образцов-свидетелей для измерения статических магнитных характеристик 30
2.1.1. Требования к тороидальным образцам-сви детелям 31
2.1.2. Требования к прямолинейным стержневым образцам-свидетелям 33
2.2. Оценка влияния метода размагничивания на исходное состояние образца-свидетеля 34
2.3. Ана лиз режимов измерения индукционно-импульсного метода 36
2.3.1. Импульсный режим изменения напряженности магнитного поля 36
2.3.2. Ступенчатый режим изменения напряженности магнитного поля 37
2.3.3. Коммутационный режим изменения напряженно сти магнитного поля 38
2.4. Оценка влияния длительности паузы между коммутациями тока на статические магнитные характеристики
2.5. Методика измерения основной кривой намагничивания и парамет ров предельной петли гистере зиса 43
Глава 3. Разработка измерительно-вычислительного комплекса, алгоритмов калибровки и измерения статических магнитных характеристик 59
3.1. Разработка основных технических требований к измерительно-вычислительному комплексу «Измеритель парамет ров магнитомягких материалов ММ50А» 59
3.2. Оценка приведенной погрешности установки намагничивающего тока I и относительной погрешности измерения магнитного потока Ф 64
3.3. Разработка алгоритмов измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса 68
Глава 4. Совершенствование качества магнитопроводов из лент сплава 49К2ФА 82
4.1. Разработка методики подготовки материалов к термообработке 82
4.2. Повышение качества Fe-Co сплавов 87
Заключение 95
Список литературы
- Магнитотвердые материалы
- Технология изготовления сборочных единиц из магнитомягких ст алей и сплавов
- Требования к прямолинейным стержневым образцам-свидетелям
- Разработка алгоритмов измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса
Магнитотвердые материалы
Магнитную систему ВМД изготавливают из двух типов ферромагнитных материалов: магнитомягких, задача которых за счет смещения доменных границ концентрировать и проводить магнитный поток, и магнитотвердых – за счет своей остаточной намагниченности создавать магнитный поток [14]. В связи с этим к ферромагнитным материалам магнитных систем предъявляют разные требования.
При разработке магнитопровода магнитной системы ВМД необходимо ориентироваться на значения и совокупность магнитных и электрических параметров, к которым относят индукцию магнитного насыщения, полные удельные потери на перемагничивание в диапазоне рабочих частот и удельное сопротивление, совершенствование которых приводит к улучшению технических характеристик как магнитных систем, так и ВМД в целом. С целью повышения качества за счет достижения наибольшей плотности магнитного потока в магнитной системе ВМД и снижения полных потерь на перемагничивание, которые в основном представлены потерями на гистерезис и вихревые токи вследствие непрерывного перемагничивания магнитным полем постоянных магнитов.
Исходя из принятой классификации магнитомягких материалов по магнитным свойствам [15, 16], рассмотрим сплавы с высокой индукцией магнитного насыщения и с пониженными потерями энергии при перемагничивании в полях звуковых частот (400–20 000 Гц).
Известно, что одним из способов снижения потерь на вихревые токи в магнитопроводе является применением листовых электротехнических сталей и прецизионных магнитомягких сплавов с повышенным удельным сопротивлением. При этом величина потерь в магнитопроводе зависит от толщины листа. Достижение наибольшей плотности магнитного потока в магнитной системе ВМД осуществляется применением магнитомягких материалов с высокой индукцией магнитного насыщения, которые в настоящее время изготавливают на основе железа и железокобальтовых сплавов. Для стабильности магнитных параметров во времени и по отношению к воздействию внешних факторов, таким как температура и механические напряжения, применяют сплавы, обладающие малой склонностью к старению магнитных свойств. Кроме требований к магнитным параметрам, необходимо учитывать и механические свойства. Так, наилучшими являются магнитомягкие материалы, обладающие изотропией магнитных и механических свойств.
С целью выявления оптимального листового магнитомягкого материала для магнитных систем ВМД выполним анализ магнитных, электрических и механических параметров электротехнических сталей и прецизионных магнито-мягких сплавов. Наименьшими удельными потерями на перемагничивание в диапазоне частот от 400 до 1000 Гц обладают тонколистовые холоднокатаные изотропные электротехнические стали [17, 18], среди которых выделяется сталь марки 2421, среднее значение удельных магнитных потерь в которой при частоте 400 Гц и индукции 1 Тл не превышает 19,5 Вт/кг. Существенным недостатком указанной стали является невысокое значение индукции технического насыщения – до 1,5 Тл, что является недостаточным для реализации потенциала свойств магнитов на основе редкоземельных металлов и вызовет необходимость в увеличении сечения магнитопровода.
Благодаря развитию технологий получения аморфных и нанокристалли-ческих магнитомягких сплавов на сегодняшний день на рынке представлены сплавы, значительно превосходящие электротехническую сталь по магнитным и электрическим параметрам [19]. При этом сплавы достигают индукции насыщения до 1,8 Тл, что является недостаточным. Кроме того, применение этих сплавов ограничивает ширина ленты, которая не превышает 80 мм [20]. Наибольшей индукцией магнитного насыщения в интервале эксплуатационных температур ВМД обладают ленты сплавов системы Fe-Co [21, 22]. Кроме того, они характеризуются повышенной магнитной проницаемостью в слабых и средних полях, значения которых достигают 15 000, и малыми удельными потерями на перемагничивание при частотах до 1000 Гц и значениях магнитной индукции до 2 Тл. В таблице 1.1 приведены магнитные свойства рассмотренных сталей и сплавов.
Технология изготовления сборочных единиц из магнитомягких ст алей и сплавов
Установлено, что при уменьшении длительности паузы у всех исследуемых образцов-свидетелей наблюдается существенный рост коэрцитивной силы по индукции НсВ предельной петли гистерезиса. Выявлен неоднозначный характер изменения максимальной магнитной проницаемости (imax от длительности паузы . Так, для сплава 49К2ФА наблюдается снижение (imax при увеличении аналогично снижению НсВ, для сплавов 79НМ, 80НХС наблюдается обратный эффект - существенный рост Цтах. У сплавов с малыми значениями Цтах
(27КХ, 10895, 2421) зависимость (imax не проявляется, а у сплавов 36КНМ и 49КФ выявлен незначительный рост цтах с увеличением . Значения индукции технического насыщения Bs и остаточной магнитной индукций Вг уменьшились в среднем на величину до ±0,5 %.
Для оценки времени измерения предельной петли гистерезиса и основной кривой намагничивания в коммутационном и ступенчатом режимах воспользуемся следующими выражениями: где t1, t2 – длительности измерения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса соответственно в коммутационном режиме изменения напряженности магнитного поля, мс; t3, t4 – длительности измерения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса соответственно в ступенчатом режиме изменения напряженности магнитного поля, мс; t01, t02 – постоянные времени, мс; m – время нарастания напряженности магнитного поля в магнитном материале, обеспечивающее установление нового статического состояния, мс; N – число точек измерения в диапазоне поля от 0 до Hs; M – число коммутаций тока намагничивания в каждой точке N; – длительность паузы между коммутациями, мс.
Рисунок 2.7 - Зависимость длительности измерения t от длительности паузы между коммутациями
Из анализа зависимости времени измерения t от длительности паузы (рисунок 2.7) следует, что применение индукционно-импульсного метода в ступенчатом режиме изменения напряженности магнитного поля позволяет значительно сократить время измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петель магнитного гистерезиса, что является его преимуществом перед коммутационным режимом.
Малое время измерения в ступенчатом режиме изменения напряженности магнитного поля позволяет применять его в экспресс-методике измерения магнитных параметров ленты сплава 49К2ФА. Для этого установим уравнения регрессии, характеризующие зависимость коэрцитивной силы по индукции НсВ и максимальной магнитной проницаемости (imax от длительности паузы между коммутациями тока намагничивания (см. рисунок 2.6,а,б). Экспериментально установлено, что наиболее качественно зависимости /нсв() и/Цтах() описывает аппроксимирующее уравнение: где - длительность паузы между коммутацией тока намагничивания;Сі, Сі, Сз, СА - эмпирические коэффициенты регрессии.
Эмпирические коэффициенты уравнений регрессии коэрцитивной силы по индукции Нсв и максимальной магнитной проницаемости (imax электротехнических сталей 10895, 2421 и прецизионных сплавов 79НМ, 80НХС, 49К2ФА, 49КФ, 36КНМ, 27КХ и анализ их качества: определение средней относительной ошибки аппроксимации А, коэффициента эластичности Е и коэффициента детерминации R2 - приведены в приложении Б.
Методика измерения основной кривой намагничивания и параметров предельной петли гистерезиса
Рассмотрим возможность оптимизации числа точек основной кривой намагничивания, петли гистерезиса и времени нарастания фронта тока намагничивания.
Проявление в образце-свидетеле магнитной вязкости или магнитного последействия существенно зависит от времени нарастания внешнего поля намагничивания, под действием которого происходит смещение доменных границ и выстраивание результирующего вектора намагниченности по его направлению. В работе [85] установлено, что нарастание фронта тока намагничивания и измерение приращения магнитного потока за время менее 2,5 с приведет к значительной ошибке измерения.
Повышенное число точек измерения основной кривой намагничивания и петли гистерезиса позволяет более качественно измерить основные магнитные параметры, включая максимальную магнитную проницаемость и коэрцитивную силу, или рассчитать их аппроксимацией участка перегиба и интерполяцией соответственно с минимальными погрешностями, но при этом существенно увеличивается время измерений (рисунок 2.8).
Требования к прямолинейным стержневым образцам-свидетелям
Анализ экспериментальных точек на предмет шума и при необходимости его фильтрация кубическим сплайном осуществляется расчетом новых точек в соответствии с (2.7).
Поскольку свойства испытуемого образца-свидетеля заранее неизвестны, то предварительно сформировать массив диапазонов микромеберметра для каждой точки Ni невозможно. В связи с этим во избежание перегрузки канала микровеберметра и снижения погрешности измерения требуется выполнять в интервале 1/2–2/3 установленного диапазона микровеберметра, для чего необходимо отслеживать и анализировать значения CodeU кода АЦП интегратора. После выполнения предварительного измерения нисходящей ветви петли гистерезиса в ступенчатом режиме (см. рисунок 3.10) и оптимизации неинформативных точек (рисунок 3.12), на основе анализа массива значений измеренного магнитного потока Ф формируется массив диапазонов микровеберметра для измерения петли гистерезиса. Аналогично формируется массив диапазонов микровеберметра для измерения основной кривой намагничивания в коммутационном режиме.
Алгоритм измерения петли магнитного гистерезиса представлен на рисунке 3.13. Статическое размагничивание в диапазоне напряженности поля от Hs до 0 в коммутационном режиме изменения напряженности магнитного поля с убывающей амплитудой А осуществляется последовательными коммутациями из поля Нi в противоположное по знаку поле Нi–1 (i = N1, N1 – 1, …, 0) начиная с Hs (рисунок 3.14). Рисунок 3.12 – Исключение неинформативных точек модифицированным алгоритмом Рамера – Дугласа – Пекера Рисунок 3.13 – Фрагмент блок-схемы измерения нисходящей ветви петли гистерезиса в коммутационном режиме изменения напряженности магнитного поля Рисунок 3.14. - Фрагмент блок-схемы размагничивания в коммутационном режиме изменения напряженности поля Алгоритм измерения основной кривой намагничивания представлен на рисунке 3.15.
По окончании измерения рассчитываются средние значения магнитной индукции Bs при заданном поле насыщения, остаточной магнитной индукции Вг, коэрцитивной силы по индукции Нсв и максимальная магнитная проницаемость \im. Рисунок 3.15 – Фрагмент блок-схемы измерения основной кривой намагничивания в коммутационном режиме изменения напряженности поля
1. Разработанный измерительно-вычислительный комплекс «Измеритель параметров магнитомягких материалов» позволяет измерять статические магнитные характеристики основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса в коммутационном и ступенчатом режимах изменения напряженности магнитного поля с погрешностью, не превышающей 1,5 % за счет применения многодиапазонного управляемого источника тока и интегратора.
2. Калибровка с применением катушки взаимной индуктивности позволила скорректировать постоянные интегратора и оценить приведенную погрешность устанавливаемого тока намагничивания, которая не превышает ±0,5 %, и относительную погрешность измеряемого магнитного потока - не более ±1,0 %.
3. Индукционно-импульсный метод измерения с коммутационным и ступенчатым режимами перемагничивания позволяет корректировать инструментальную погрешность за счет учета кода нулевых сигналов каналов интегратора ЭДС и амперметра установленного тока в заданный момент времени в процессе измерения, что снижает вклад дрейфа в измерения ЭДС вторичной обмотки до уровня 1,5 К)"5 В, канала измерения тока до уровня 4 10 А и повышает достоверность результатов измерения.
4. Применение разработанного алгоритма измерения основных магнитных параметров с комбинацией ступенчатого и коммутационного режимов изменения напряженности магнитного поля позволяет оптимизировать процесс измерения электротехнических сталей и прецизионных магнитомягких сплавов на входном и межоперационном контроле качества продукции при сокращении времени измерения до 5 раз. ГЛАВА 4
Разработка методики подготовки материалов к термообработке
Повышение качества магнитных систем достигается за счет стабилизации магнитных параметров магнитомягких материалов путем модификации параметров режимов термообработки сборочных единиц магнитопровода из лент сплавов 49К2ФА. Обратимся к методике их подготовки через термообработку, предварительно выполним анализ влияния параметров режимов отжига на изменение статических магнитных характеристик. Оценку качества выполним измерением магнитных параметров тороидальных образцов-свидетелей, изготовленных из лент сплавов 49К2ФА той же плавки, что и сборочные единицы и отожженных в одной садке с ними.
Для выявления оптимальных параметров термообработки рассмотрим требования к подготовке поверхности образцов-свидетелей лент сплава 49К2ФА и оснастки, вспомогательным материалам, а также требования к термическому оборудованию.
Для исследования влияния параметров термообработки на характер изменения магнитных свойств лент сплава 49К2ФА в работе была выбрана вакуумная электропечь сопротивления Вега-1М с максимальной рабочей температурой 1600 С и со степенью создаваемого вакуума 6,65 10–3 Па. Диапазон рабочих температур печи и широкий интервал задания скоростей набора и снижения температур позволяет исследовать режимы термообработки в соответствии с диаграммой состояния Fe-Co сплава (рисунок 4.1) [95].
Известно, что под действием высоких температур между плотно прилегающими друг к другу слоями сплава происходит процесс диффузии, приводящий к спеканию сборочных единиц магнитопровода, что в свою очередь приводит к браку. В работе [96] установлено, что применение неактивных покрытий, например, оксидов магния, алюминия и кальция, позволяет предотвратить спекание деталей лент сплава 49К2ФА между собой и материалом оправки в процессе термообработки. В настоящее время в качестве пересыпного материала наиболее активно применяют оксиды магния марок Ч, ЧДА [97] и тальк Онотский молотый марки А [98] и другие материалы [99].
Разработка алгоритмов измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса
Немаловажным является расстановка оправок в рабочем пространстве вакуумной печи. Во-первых, поддержание рабочей температуры в вакуумной печи носит импульсный и инертный характер; во-вторых, скорость нагрева и охлаждения в рабочем пространстве варьируется. Это приводит к неоднородному нагреву и охлаждению и, как следствие, к разбросу магнитных параметров.
Для исследования влияния режимов отжига в инертной среде на изменение магнитных свойств лент сплава 49К2ФА I и II классов рассмотрим диаграмму состояния сплавов Fe–Со–V. Поскольку добавление 2 % ванадия сопровождается малозаметным изменением диаграммы состояния, и прежде всего это связано с увеличением удельного сопротивления и механических свойств, то в работе проведен анализ диаграммы состояния Fe–Co (см. рисунок 4.1).
В связи с этим рассмотрим следующие этапы отжига, которые характеризуются параметрами, обусловливающими качество термообработки (рисунок 4.6): определение максимальной температуры отжига и скорости ее дости-определение времени выдержки при максимальной температуре; определение градиента температуры при охлаждении.
Определение скорости подъема температуры. Анализ скорости нарастания температуры показывает, что она не оказывает существенного влияния на качество отжига, что согласуется с [100], 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 [101], что приведет к браку. С учетом [102] в данной работе во всех случаях скорость нагрева составляла 500 С/ч.
Определение максимальной температуры. Температура отжига должна способствовать максимальной активности процессов металлургического характера [103], позволяющих достичь наивысших магнитных параметров. Исходя из диаграммы состояния Fe–Co, максимальная температура отжига лент сплава 49К2ФА может быть установлена в интервалах от 850 до 900 С и от 1050 до 1100 С. При этом необходимо учесть, что при переходе сплава 49К2ФА в фазовое состояние с гранецентрированной кубической решеткой для снятия напряжений может потребоваться дополнительное время выдержки, кроме того, может произойти неконтролируемый рост зерен, что в свою очередь приведет к безвозвратным потерям магнитных свойств, поскольку уменьшение размеров зерен возможно достичь исключительно механическим воздействием на сплав в результате проката ленты.
С целью определения оптимальной температуры выдержки в работе выполнен отжиг тороидальных шихтованных образцов-свидетелей лент сплава 49К2ФА и точеных образцов-свидетелей сплава 49КФ, поскольку по содержанию железа и кобальта сплавы идентичны.
Результаты измерений магнитных свойств тороидальных-образцов свидетелей лент сплава 49К2ФА и 49КФ в зависимости от температуры выдержки приведены в таблицах 4.2 и 4.3. Время выдержки для всех образцов составляло 3 ч.
Анализ результатов исследований показал, что отжиг при температурах свыше 1000 С, соответствующий линии фазовых превращений, негативно сказывается на магнитных свойствах лент сплава 49К2ФА. В свою очередь отжиг при температурах (850–880) С позволяет получить требуемые магнитные свойства. Измерения магнитных параметров образцов-свидетелей сплава 49КФ показывают обратное: наилучшие значения магнитной индукции и коэрцитивной силы достигаются после отжига с максимальной температурой выдержки 1120 С.
С учетом того, что задатчик и датчик температур вакуумной печи имеют собственные погрешности измерения, высокая скорость нагрева может привести к кратковременному превышению заданной температуры вследствие инертности процесса нагрева, автором рекомендуется задавать температуру в диапазоне 850±10 С для отжига лент сплава 49К2ФА и 1120 ± 10 С для сплава 49КФ.
Определение времени выдержки. Значащим фактором является время выдержки при максимальной температуре отжига, поскольку процесс образования равновесных структур, увеличение показателя дегазации носят относительно длительный характер [104], что оказывает существенное влияние на повышение магнитных свойств. В связи с этим термообработке подвергнуты образцы-свидетели лент сплава 49К2ФА и сплава 49КФ, время выдержки при максимальной температуре 850 и 1120 С которых, составляло 3, 4, 6 ч соответственно.
