Технологии термообработки магнитомягких сплавов и измерения магнитных параметров


Статьи

Статьи » Прецизионные магнитомягкие сплавы

Магнитомягкие сплавы с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях – 79НМ и 80НХС.

Аннотация

К высоконикелевым пермаллоям относят прецизионные магнитомягкие сплавы на основе железа и никеля с содержанием никеля до 82%, представителями которых являются пермаллои 79НМ – ГОСТ 10160-75 и 80НХС – ГОСТ 10160-75. По уровню магнитных параметров, пермаллои относятся к группе сплавов с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых полях. Основная область их применения – производство сердечников малогабаритных импульсных трансформаторов, низкочастотных дросселей и бесконтактных реле, магнитных экранов для различных устройств и кабелей и множества других устройств, работающих в слабых статических и динамических магнитных полях. Пермаллои 79НМ и 80НХС являются сплавами, чувствительными к малейшим механическим напряжениям не говоря уже о появлении наклепа в поверхностных слоях вследствие механической обработки, что приводит к образованию напряженного состояния кристаллической решетки. Данные процессы способствуют значительному снижению магнитных параметров и, как следствие, к несоответствию продукции требуемому качеству. Для восстановления магнитных свойств пермаллои подвергают термообработке – высокотемпературному отжигу в вакууме при Т=1250°С в течение 3 – 6 часов в зависимости от класса, а для стабилизации магнитных параметров и незначительным их варьированиям –  низкотемпературному отжигу, температура которого не превышает Т=500°С.


Магнитомягкие сплавы на основе железа и никеля с содержанием никеля до 82% в настоящее время нашли широкое применение в приборостроении, машиностроении, робототехнике, в технике специального назначения и других отраслях, которые в свою очередь диктуют требования к их химическим и физическим свойствам. К этим сплавам относятся высоконикелевые пермаллои 79НМ ГОСТ 10160–75 и 80НХС ГОСТ 10160–75. Главное их отличие заключается в максимально возможном соответствии химического состава требованиям стандартов, определяющих уровень магнитных свойств, поскольку значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции сильно изменяются при колебаниях химического состава. Кроме того особенно сильно на магнитные параметры этих сплавов оказывает влияние технологический процесс изготовления деталей сборочных единиц, а именно термообработка, поскольку значение и знак константы магнитной анизотропии так же зависит от режима окончательной термической обработки.

Основной областью применения высоконикелевых пермаллоев является производство сердечников малогабаритных импульсных трансформаторов, низкочастотных дросселей и бесконтактных реле, магнитных экранов для различных устройств и кабелей и множества других устройств, работающих в слабых статических и динамических магнитных полях. Для этого промышленность предлагает сплавы 79НМ и 80НХС в виде холоднокатанной ленты с широкой номенклатурой толщин от 0.005 до 0.5мм, холоднокатанные и горячекатанные листы с толщиной до 22мм, а также горячекатанный и калиброванный пруток с диаметрами от 8 до 100мм.

Химический состав сплавов 79НМ и 80НХС.

В настоящее время проведено достаточное количество экспериментов, на основании которых уточнен и нормирован химический состав и технологические режимы изготовления лент, листов и прутов, позволяющие получать заданные магнитные параметры сплавов 79НМ и 80НХС. Установлено, что легирование хромом, марганцем, кремнием – пермаллой 80НХС и молибденом – молибденовый пермаллой 79НМ позволяет значительно повысить удельное электрическое сопротивление, что дает возможность применять прецизионные магнитомягкие сплавы в динамических магнитных полях, при этом 80НХС по отношению к 79НМ может использоваться в более высоких полях за счет более высокого удельного сопротивления. Кроме того на уровне примесей не оказывающих влияния на магнитные параметры допускается содержание кремния и марганца для 79НМ и меди и титана для 80НХС. Высокое содержание никеля в пермаллоях 79НМ и 80НХС оказывает существенное влияние на их технологические свойства, придавая сплавам незначительную коррозионную стойкость при сохранении высокой пластичности, что в свою очередь позволяет с легкостью выполнять механообработку, штамповку и навивку. При этом высокое содержание никеля существенно повышает их стоимость. Химический состав высоконикелевых пермаллоев 79НМ и 80НХС, регламентируемый стандартом ГОСТ 10994-74 приведен в таблице 1.

Хим. состав сплавов 79НМ и 80НХС

Классификация сплавов

Исходя из принятой классификации прецизионных магнитомягких сплавов, а также в соответствии с ГОСТ 10160-75 пермаллои 79НМ и 80НХС относятся к сплавам с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых полях. Стандарт регламентирует основные магнитные параметры в зависимости от толщины и способа выплавки холоднокатаных лент, горячекатаных листов и прутков в статических магнитных полях, а именно начальную и максимальную магнитные проницаемости, коэрцитивную силу и индукцию технического насыщения, значения которых приведены в таблице 2. Также в эту группу включены сплавы 81НМА и 83НФ.

Основные магнитные параметры сплавов 79НМ и 80НХС ГОСТ 10160-75

Основная кривая намагничивания сплава 80НХС

Рисунок 1. Основная кривая намагничивания и кривая магнитной проницаемости сплава 80НХС  в статических магнитных полях.

В зависимости от способа выплавки, ленты и пруты сплавов 79НМ и 80НХС поставляются трех классов: с нормальными, повышенными и высокими магнитными свойствами, что соответствует открытой выплавки, выплавки в вакуумной печи и специальными методами выплавки – вакуумно-индукционная, вакуумно-дуговая, плазменная, электронно-лучевая по согласованию с потребителем из свежих шихтовых материалов.
Изготовление сборочных единиц, а также образцов-свидетелей для подтверждения основных магнитных параметров из лент и прутов сплавов 79НМ и 80НХС в настоящее время может осуществляться операциями холодной листовой штамповки, гидроабразивной резкой, лазерной резкой, электроэрозионной обработкой, навивкой, токарной обработкой. Выбор того или иного способа производства существенно зависит от серийности, номенклатуры выпускаемой продукции и требований к точности геометрических размеров, а так же наличием оборудования.

Термообработка сплавов 79НМ и 80НХС: отжиг в высоком вакууме.

Термообработка является обязательной технологической операцией при входном контроле сплавов 79НМ и 80НХС, и завершающей в цепочке технологического процесса производства деталей из них. Требования к проведению термообработки – высокотемпературному отжигу 79НМ и 80НХС в вакууме и водороде для восстановления магнитных свойств и актуальность оптимизации его параметров установлены, исходя из следующего. Пермаллои являются сплавами, чувствительными к малейшим механическим напряжениям не говоря уже о появлении наклепа в поверхностных слоях сплавов и образованию напряженного состояния кристаллической решетки. Данные процессы способствуют значительному снижению магнитных свойств и, как следствие, к несоответствию продукции требуемому качеству. Кроме того  термообработка вносит значительный вклад в себестоимость изделий из пермаллоев 79НМ и 80НХС. Немаловажным является и методика подготовки образцов-свидетедлей и деталей к отжигу.

Для восстановления магнитных свойств, пермаллои подвергают высокотемпературному отжигу. В процессе отжига происходят снятие остаточных напряжений, процессы гомогенизации и атомного упорядочивания, выравнивается химический состав и совершенствуется структура дефектов кристаллической решетки сплавов, что приводит к облегчению процесса смещения доменных границ при намагничивании и перемагничивании, и как следствие повышению магнитных свойств.

Диаграмма состояния сплава железо-никель

Рисунок 2. Диаграмма состояние Fe-Ni

Исследованиями зависимостей режимов отжига от уровня магнитных параметров сплавов 79НМ и 80НХС установлено, что наилучшие результаты достигаются после отжига при температуре 1150°С, выдержки при этой температуре в течение 2-6 часов, медленным охлаждением до температур 600°С и 400°С и быстром охлаждении от 600°С и 400°С соответственно, что говорит о том, что в сплавах преобладает неравновесная структура твердого раствора с интерметаллидом FeNi3 и оптимальной плотностью дефектов кристаллической решетки, обеспечивающей наибольшие значения величин начальной и максимальной магнитных проницаемостей µн и µмах. Температура отжига должна способствовать максимальной активности процессов металлургического характера, позволяющих достичь наивысших магнитных параметров. Исходя из диаграммы состояния Fe–Ni, максимальная температура отжига сплавов 79НМ и 80НХС может быть установлена в интервалах от 1100 до 1200°С. Значащим фактором является время выдержки при максимальной температуре отжига, поскольку процесс образования равновесных структур, увеличение показателя дегазации носят относительно длительный характер, что оказывает существенное влияние на восстановление магнитных свойств. При малом времени выдержки процессы рекристаллизации и роста зерна протекают не полностью. С увеличением времени выдержки наблюдается рост магнитной индукции, наибольшее значение которой достигается после выдержки в течение 6 ч. Дальнейшее увеличение времени выдержки является нецелесообразным, поскольку не наблюдается увеличения магнитной индукции.

Немаловажным является и характер инертной среды при отжиге. Наиболее часто отжиг пермаллоев выполняют в вакуумных электропечах сопротивления, обеспечивающие создание глубокого вакуума до 10-4 атм и в электропечах с водородом. Термообработка в высоком вакууме способствует дегазации сплавов за счет удаления газов, растворенных в объеме сплавов, и защите поверхности от окисления, что приводит к восстановлению магнитных параметров. Отжиг в вакууме сплавов 79НМ и 80НХС представляется наиболее подходящим по ряду причин: данное направление является самым интенсивно развивающимся в этой области термообработки, что привело к большому разнообразию вакуумного оборудования на современном рынке. По сравнению с отжигом в водороде такой отжиг является безопасным технологическим процессом ввиду исключения возможности «хлопка», не требует применения дополнительного оборудования и технологических операций.

После основной термообработки в некоторых случаях требуется достичь высокой стабильности магнитных параметров при условиях эксплуатации изделий или выполнить незначительное варьирование магнитных параметров. Для этого сборочные единицы и детали подвергают низкотемпературному отжигу при температурах не превышающих 500°С в течение нескольких часов.

Режимы отжига в вакууме, позволяющие восстановить магнитные свойства прецизионных магнитомягких сплавов 79НМ и 80НХС,  рекомендуемые ГОСТ 10160–75 (1 режим) и авторитетными авторами, приведены в таблице 3. При этом необходимо учитывать, что основной режим отжига позволяющий восстановить магнитные параметры указан в сертификате качества на партию поставленного сплава, параметры которого могут незначительно отличаться от режима рекомендуемого ГОСТ 10160–75.

Режимы термообработки сплавов 79НМ и 80НХС в вакууме

Подтверждение магнитных свойств деталей из сплавов 79НМ и 80НХС или поставки металла при входном контроле на соответствие требованиям ГОСТ 10160-75 осуществляется измерениями статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и предельной петли гистерезиса тороидальных точеных, шихтованных или витых образцов после высокотемпературного отжига в вакууме. При этом образцы свидетели должны отжигаться в одной садке с аттестуемыми деталями. Перед измерением основных магнитных параметров образцы-свидетели подготавливаются в соответствие с методикой подготовки образцов к измерениям магнитных параметров кривой намагничивания и петли гистерезиса. Измерение основных магнитных параметров прецизионных магнитомягких сплавов выполняют по методике ГОСТ 8.377-80 на измерителе параметров магнитомягких материалов, в основу которого заложен индукционно-импульсный режим изменения напряженности магнитного поля. Для снижения методической погрешности измерения индукции технического насыщения, максимальной и начальной магнитных проницаемостей до уровня менее 1% применяется методика определения основных магнитных параметров в статических магнитных полях. Результаты измерений образцов-свидетелей лент сплавов 79НМ и 80НХС показаны на рисунке 3.

Основная кривая намагничивания ленты 79НМ     Основная кривая намагничивания ленты 80НХС ГОСТ 10160-75

Петля гистерезиса сплава 79НМ ГОСТ 10160-75Петля гистерезиса сплава 80НХС ГОСТ 10160-75

Рисунок 3. Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса лент сплавов 79НМ и 80НХС

В настоящее время доступно значительное количество справочной литературы и научных работ, в которых представлены как диаграммы состояния двойных и тройных систем сплавов 79НМ и 80НХС с разработанными режимами высокотемпературного отжига, так и технологии термообработки и измерений основных магнитных параметров.

Основными причинами, по которым после отжига в вакууме по режиму, указанному в сертификате на поставленный металл не удается достичь нормированные для сплавов 79НМ и 80НХС магнитные параметры, являются некачественная подготовка деталей и образцов-свидетелей к отжигу в вакууме и отсутствие навыков измерения основных магнитных параметров кольцевых образцов-свидетелей в статических магнитных полях.

Если у вас есть вопросы  по технологиям термообработки и измерениям магнитных параметров, вы можете задать их на форуме или через форму обратной связи, автор проекта всегда ответит на все технические вопросы связанные с  термообработкой и измерениями магнитных параметров.

Основную информацию о прецизионных магнитомягких сплавах 79НМ и 80НХС можно почерпнуть из следующих открытых источников:

  1. Пасынков, В. В. Материалы электронной техники : учеб. для студ. вузов по спец. электронной техники / В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. – 3-е изд. – СПб. : Лань, 2001. – 368 с.
  2. Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы : учеб. для студ. вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» / А. А. Преображенский, Е. Г. Бишард. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 1986. – 352 с.
  3. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. – Изд. 3-е. – М. : Энергоатомиздат, 1988. – Т. 3. – 728 с.
  4. Мишин, Д. Д. Магнитные материалы : учеб. пособие для вузов / Д. Д. Мишин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высшая школа, 1991. – 384 с.
  5. Стародубцев, Ю. Н. Мир материалов и технологий. Магнитомягкие материалы : энциклопедический словарь-справочник / Ю. Н. Стародубцев. – М. : Техносфера, 2011. – 664 с.
  6. Чечерников, В. И. Магнитные измерения / В. И. Чечерников ; под ред. Е. И. Кондорского. – 2-е изд. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1969. – 387 с.
  7. Печерская, Р. М. Методика определения максимальной магнитной проницаемости пермаллоев в постоянном магнитном поле / Р. М. Печерская, А. В. Чижов // Научно-технический вестник Поволжья. – 2014. – № 3. – С. 202–206.
  8. Антонов, В. Г. Средства измерения магнитных параметров материалов / В. Г. Антонов, Л. М. Петров, А. П. Щелкин. – Л. : Энергоатомиздат, 1986. – 216 с.
  9. Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник / под общ. ред. Н. П. Лякишева. – М. : Машиностроение, 1997. – Т. 2. – 1024 с.
  10. ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитомягкие. Технические условия. – М. : Изд-во стандартов, 2004. – 47 с.

Ключевые слова:

Cплав 79НМ, сплав 80НХС, пермаллой, магнитная проницаемость, термообработка, отжиг в вакууме, химический состав, магнитные свойства, ГОСТ 10160-75


© Magnetlab.ru - Лаборатория магнитных материалов и измерений 2019 г. При использовании материалов, ссылка на сайт обязательна
5
2
Назад
Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Ваше сообщение будет опубликовано только после проверки и разрешения администратора.
Ваше имя:
Комментарий:
Секретный код:Для обновления секретного кода нажмите на картинку
Повторить:
Технологии термообработки магнитомягких сплавов и измерения их магнитных параметров
Обратная связь
Top.Mail.Ru