Термическая обработка Fe-Co-V

Несмотря на то, что магнитомягкие сплавы на основе тройной системы Fe-Co-V, одним из представителей которых является сплав 49К2ФА (ГОСТ 10 160−75), 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 B_S — до 2,4 Тл, высокой температуры Кюри, повышенной магнитной проницаемости в слабых и средних магнитных полях, малых удельных потерь на перемагничивание P_B/f 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. термический магнитный сплав 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 10 160−75) 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 39 мм наружный и 35 мм 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 Fe-Co [6]. В связи с этим рассмотрены следующие этапы отжига, которые характеризуются параметрами, обуславливающими качество термообработки:

подготовка к термообработке;

определение максимальной температуры отжига и скорости ее достижения;

определение времени выдержки при максимальной температуре;

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 Fe — Co максимальная температура отжига может быть установлена в интервале 850 — 900 °C (образец S1) и в интервале 1050 — 1100 °C (образец S2). 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 S3, S4, S5, 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 Fe — Co-V сплавов (образец S6, S7, S8), что свидетельствует о том, что оптимальной является упорядоченная равновесная структура [11]. Поскольку нагрев осуществлялся до температуры 850 °C (образцы S6, S7, S8), то режим охлаждения выбран одноступенчатым с постоянной скоростью.

Длительное действие температуры свыше 1000 °C приводит к неудовлетворительному результату (образец S2). 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 °C (образец S1).

При малом времени выдержки процессы рекристаллизации и роста зерна протекают не полностью (образец S3). С увеличением времени выдержки наблюдается рост магнитной индукции (образец S4), наибольшее значение которой достигается после выдержки в течение 6ч (образец S5). Дальнейшее увеличение времени выдержки является не целесообразным.

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

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

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.

Показано, что скорость охлаждения 100°/ч оказывает положительное влияние на магнитные свойства Fe-Co-V сплавов: оптимальной является упорядоченная равновесная структура.

Предложенный режим термообработки позволил улучшить показатели магнитных свойств ленты 49К2ФА I и II классов. Исследование времени выдержки и режима охлаждения обусловило снижение коэрцитивной силы Fe-Co сплава 49КФ (образцы S9, S10).

• 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: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/746 (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: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2014/2348 (доступ свободный) — Загл. с экрана. — Яз. рус.