Технологии термообработки магнитомягких сплавов и измерения магнитных параметров


Статьи

Статьи » Измерение магнитных величин

Подготовка образцов к измерениям магнитных параметров кривой намагничивания и петли гистерезиса

Аннотация

Рассмотрена методика подготовки тороидальных точеных, шихтованных и витых образцов прецизионных магнитомягких сплавов и электротехнических сталей к измерениям магнитных параметров основной кривой намагничивания и предельной петли гистерезиса при статическом и динамическом изменении напряженности магнитного поля.


В настоящее время в России документом, регламентирующим методику измерения параметров магнитомягких материалов в статических магнитных полях, к которым относится индукция технического насыщения BS, индукция при заданном значении напряженности поля BH, начальная µini и максимальная µmax магнитные проницаемости, коэрцитивная сила по индукции и намагниченности, являются стандарты – методика ГОСТ 8.377–80, ГОСТ 12119.0-98 - ГОСТ12119.3-98 . В соответствии с ним измерения выполняют на тороидальном и прямолинейном образцах, предварительно подвергнутым термической обработке – отжигу в высоком вакууме или в водороде по режимам, указанным в сертификате на материал или по режимам ГОСТ 10160–75 для прецизионных магнитомягких сплавов и ГОСТ 11036–75 для нелегированных и ГОСТ 21427.1–83, ГОСТ 21427.2–83, ГОСТ 21427.4–83 для легированных электротехнических стали.
Статические магнитные параметры и формы образцов при различных типах магнитной цепи

Формы образцов для измерений СМХ

Прямолинейные образцы для измерения магнитных параметров петли гистерезиса

Измерения коэрцитивной силы по намагниченности и намагниченности насыщения прецизионных магнитомягких сплавов и нелегированных электротехнических сталей выполняют на прямолинейных образцах. Образцы изготавливают токарной обработкой или фрезерованием прутов таким образом, чтобы их геометрическая ось совпадала с геометрической осью заготовки, а при вырезании из листа – с направлением проката. При диаметре прута более 40мм рекомендуется изготавливать образец так, чтобы его геометрическая ось проходила параллельно оси заготовки на расстоянии ¼ диаметра заготовки. Подготовка к измерениям коэрцитивной силы по намагниченности прямолинейного образца сводится к оценке внешнего вида на предмет отсутствия цветов побежалости и окислов и измерениям геометрических размеров. Требования к геометрическим размерам прямолинейных образцов нелегированной электротехнической стали и прецизионных магнитомягких сплавов устанавливают ГОСТ 11036–75 и ГОСТ 8.377–80. В соответствии с ними с целью снижения коэффициента размагничивания, увеличение которого требует более высокого поля намагничивания и, как следствие, тока намагничивания в соленоиде, рекомендуется применять образцы с диаметром или стороной квадрата не превышающим 10мм и длиной 400мм, при этом отношение длины образца к корню квадратному из площади его поперечного сечения должно быть не менее 10. Исходя из опыта и статистики измерений установлено, что диаметр или сторона квадрата образца может быть уменьшена до 6мм, при этом длина образца составит 100мм. Такие геометрические размеры позволяют выполнить отжиг в вакууме в лабораторных печах. Также необходимо учитывать следующее – разность между наибольшим и наименьшим сечениями прямолинейных образцов не должна превышать 5%, торцевые поверхности должны быть параллельны друг другу с допуском не более 0,1мм и перпендикулярны оси образца с допуском не более 0,02мм, и классом чистоты поверхности не хуже 6. 
Наиболее часто применяемые размеры прямолинейных образцов для измерения магнитных параметров петли гистерезиса.

Размеры образцов для соленоида

Тороидальные образцы для измерения магнитных параметров основной кривой намагничивания и петли гистерезиса

Тороидельные образцы применяют для измерения магнитных параметров основной кривой намагничивания – начальной и максимальной магнитных проницаемостей, индукции при напряженности магнитного поля, индукции технического насыщения, и предельной петли гистерезиса – коэрцитивной силы по индукции и намагниченности, остаточной индукции, коэффициента прямоугольности при статическом изменении напряженности магнитного поля. А так же удельных потерь на заданной частоте и индукции при динамическом изменении напряженности магнитного поля.
Тип тороидального образца зависит от формы материала и технологий его изготовления. Прецизионные магнитомягкие сплавы и электротехнические стали выпускаются в виде лент, листов, проволоки и прутов, в связи с этим изготовление образцов осуществляется навивкой лент с толщинами менее 0.2мм и проволоки на оправку, при этом ленты толщиной менее 0.02мм навивают на термостойкие каркасы из неферромагнитного материала не превышающим ТКЛР материала образца, холодной листовой штамповкой лент толщиной более 0.05мм, лазерной резкой, гидроабразивной резкой листов и токарной обработкой прутов. Вследствие чего различают витые, шихтованные и точеные тороидальные образцы соответственно.

Каркас для термообработки витого образца

С целью получения значений магнитных параметров исследуемых материалов с относительной погрешностью ±0,5% к тороидальным образцам необходимо предъявим следующие требования:
– образец изготавливается из партии, подвергаемой исследованию, с точностью геометрических размеров ±0,05 мм и классом чистоты поверхности не хуже 6. Результаты исследования не распространяются на партию материала другой плавки;
– неоднородность поперечного сечения и овальность образца не должны превышать 1,0 % и 0,1 мм соответственно.
Известно, что предпочтительной формой является тороидальный образец с прямоугольным сечением, у которого отношение наружного Dн к внутреннему диаметру Dвн составляет менее 1,3, а отношение поперечной толщины tп к среднему радиусу Rср – менее 0,11, что связано с обеспечением однородности намагничивающего поля внутри образца, поскольку плотность распределения линий магнитного потока по сечению образца увеличивается от периферии к центру, вследствие чего рост поперечной толщины образца tп искажает результат измерений в сторону увеличения значений магнитной индукции из-за неточного расчета напряженности поля.
Исходя из установленных условий для геометрических размеров точеных образцов диапазон возможных значений Dн и Dвн и отношение Dн / Dвн должны соответствовать условиям:

Отношение диаметров образца

Определение размеров и массы тороидальных образцов

Перед измерениями магнитных параметров основной кривой намагничивания и петли гистерезиса необходимо рассчитать площадь поперечного сечения тороидального образца. Для чего измеряют высоту, внутренний и наружный диаметры точеных образцов; массу, внутренний и наружный диаметры витых и шихтованных образцов; массу и диаметр каркаса до навивки, и массу и диаметр образца в каркасе после навивки. Наружный и внутренний диаметры необходимо измерять в трех сечениях, равномерно распределенных по его окружности с погрешностью не более ±0,5%. За результат измерения принимается среднее арифметическое из полученных замеров. Массу шихтованных и витых образцов определяют с погрешностью ±0,2% на аналитических весах с точностью 10-3гр. При определении массы витых и шихтованных образцов с диэлектрическим покрытием рекомендуется вносить поправку на массу диэлектрического покрытия.
Рекомендуемые размеры тороидальных образцов для измерения статических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и предельной петли гистерезиса.

Размеры тороидальных образцов

Площадь поперечного сечения S, м2 шихтованных и витых образцов вычисляют по формуле:

Площадь сечения образца

где m – масса образца, кг; y – плотность материала, кг/м3; DH, DB – наружный и внутренний диаметры, м
Площадь поперечного сечения S, м2 точеного образца вычисляют по формуле:

Площадь сечения тора

где h – высота образца, измеренная с погрешностью не более ±0,5%.
Для исключения влияния немагнитного зазора между измерительной обмоткой W2, намотанной на каркас, и образцом на величину измеренного магнитного потока необходимо рассчитать поправку ΔB. Влияние воздушного зазора становится заметным при измерении прецизионных магнитомягких сплавов с высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях и при измерении индукции в средних и сильных магнитных полях.

Поправка на воздушный зазор

где Hi – напряженность магнитного поля, А/м; Sобм – площадь поперечного сечения измерительной обмотки, м2; Sобр – площадь поперечного сечения образца м2.

Определение числа витков измерительной обмотки

Зная величину индукции технического насыщения измеряемого материала, например для прецизионного магнитомягкого сплава 49К2ФА BS=2.4Тл и диапазон измерения магнитного потока применяемого средства измерения – 0.003Вб, можно рассчитать число витков измерительной обмотки тороидального образца:

Число витков измерительной обмотки

Ф – диапазон измерения магнитного потока СИ;
S – площадь поперечного сечения образца;
W2 – число витков измерительной обмотки

Число витков измерительной обмотки

Аналогичным образом вычисляется число витков измерительной обмотки для образцов с другой площадью поперечного сечения и максимальным значением измеряемой индукции.

Определение числа витков обмотки намагничивания

Напряженность магнитного поля Н, А/м связана с током намагничивания I, А зависимостью:

Ток намагничивания

где    W1 – число витков обмотки намагничивания;
Dн и Dвн – наружный и внутренний диаметры, м, соответственно.
Как видно из формулы, на ток намагничивания  оказывают влияние также геометрические размеры образца и число витков намагничивающей обмотки. Для определения числа витков обмотки намагничивания необходимо знать максимальную величину напряженности поля, которое будет создано в образце при измерениях основной кривой намагничивания и петли гистерезиса и диапазон тока намагничивания применяемого средства измерений.
Измерения индукции технического насыщения B2500 тороидальных образцов прецизионных магнитомягких сплавов и электротехнических сталей выполняют в поле напряженностью 2500А/м. Наиболее часто применяются средства измерений, у которых имеется диапазон тока намагничивания от 0 до ±5А, с установкой тока намагничивание от 0 до 90% диапазона. Исходя из этого число витков обмотки намагничивания для тороидального образца с внешним диаметром 30мм, внутренним 24мм и высотой 15мм равно:

Число витков обмотки намагничивания

Аналогичным образом вычисляется число витков для образцов с другими размерами и максимальной напряженности поля, в котором требуется измерить индукцию.

В том случае, если число рассчитанных витков обмотки намагничивания не удается уместить на образце в один слой, то необходимо по возможности скорректировать внешний и внутренний диаметры образца в сторону их увеличения.

Нанесение обмоток на образец

Перед нанесением измерительной и намагничивающей обмоток образец изолируется лентой из изоляционного материала в один слой, к примеру лакотканью с номинальной толщиной 0.05мм для предотвращения замыкания витков как внутри обмотки, так и между обмотками. После чего на образец наносят измерительную обмотку проводом марки ПЭЛШО диаметром 0.05мм и обмотку намагничивания проводом ПЭТВ-2 диаметром 0.6мм. Применение указанных марок обмоточных проводов позволяет не выполнять дополнительное изолирование измерительной обмотки от намагничивающей вторым слоем изоляции.
Обеспечение однородности магнитного поля по окружности образца достигается равномерно навитой на него обмоткой намагничивания W1 или прямолинейным проводником, расположенным на геометрической оси образца.
Для исключения влияния на результат измерений поперечного поля подмагничивания длина прямолинейной части проводников обмотки намагничивания, расположенных вдоль оси тора, должна быть не менее 10Dср (Dср – средний диаметр тороидального образца-свидетеля), при этом подводящие проводники перевивают, а их длина должна составлять более 5Dср.
В случае, когда размеры образца не обеспечивают рассеивание тепловой мощности выделяемой обмоткой намагничивания в процессе измерения, предотвращение нагрева образца, и как следствие увеличения погрешности измерения магнитных параметров, осуществляется принудительным охлаждением образца потоком воздуха или погружением его в сосуд с трансформаторным маслом, с полиметилсилоксановой жидкостью или любой другой неферромагнитной изоляционной жидкостью.

Подготовка образцов для измерения магнитных параметров основной кривой намагничивания и петли гистерезиса при динамичном изменении напряженности магнитного поля

Определение числа витков измерительной обмотки 
Определение числа витков обмотки намагничивания

 

 

Основными причинами получения отрицательных результатов при измерениях основных магнитных параметров кольцевых образцов в статических и динамических магнитных полях после отжига в вакууме по режиму, указанному в сертификате на поставленный металл, являются некачественная подготовка деталей и образцов перед отжигом и отсутствие навыков измерения магнитных параметров.

С методикой подготовки образцов-свидетелей к отжигу в вакууме, вы можете ознакомиться здесь, а с методикой измерения – здесь. Если у вас есть вопросы по технологиям термообработки и измерениям магнитных параметров, пишите их на форуме или через форму обратной связи, автор проекта всегда ответит на все технические вопросы по термообработке и измерению магнитных параметров.

Информацию о измерениях магнитных параметров основной кривой намагничивания и предельной петли гистерезиса при статическом и динамическом изменении напряженности магнитного поля можно почерпнуть из следующих открытых источников:

  1. ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитомягкие. Технические условия. – М. : Изд-во стандартов, 2004. – 47 с .
  2. Прецизионные сплавы : справочник / под ред. Б. В. Молотилова. – 2-е изд. – М. : Металлургия, 1983. – 438 с.
  3. ГОСТ 8.377-80. Материалы магнитомягкие. Методика выполнения измерений при определении статических магнитных характеристик. – М. : Изд-во стандартов, 1986. – 21 с.
  4. ГОСТ 12119.1-98. Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Методы измерения магнитной индукции и коэрцитивной силы в аппарате Эпштейна и на кольцевых образцах в постоянном магнитном поле. – М. : Изд-во стандартов, 1999. – 9 с.
  5. ГОСТ 12119.3-98. Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения коэрцитивной силы в разомкнутой магнитной цепи. – М. : Изд-во стандартов, 1999. – 5 с.
  6. ГОСТ 12119.4-98. Сталь электротехническая. Методы определения магнитных и электрических свойств. Метод измерения удельных магнитных потерь и действующего значения напряженности магнитного поля. – М. : Изд-во стандартов, 1999. – 11 с.
  7. Печерская, Р. М. Автоматизированный комплекс для исследования статических характеристик магнитомягких материалов / Р. М. Печерская, А. В. Чижов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2015. – № 1 (33). – С. 78–86.
  8. 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.
  9. Стародубцев, Ю. Н. Мир материалов и технологий. Магнитомягкие материалы : энциклопедический словарь-справочник / Ю. Н. Стародубцев. – М. : Техносфера, 2011. – 664 с.
  10. 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.

Ключевые слова:

Магнитная проницаемость, магнитная индукция, напряженность магнитного поля, основная кривая намагничивания, петля гистерезиса, тороидальный образец, прямолинейный образец, магнитные свойства, ГОСТ 8.377-80


© Magnetlab.ru - Лаборатория магнитных материалов и измерений 2019 г. При использовании материалов, ссылка на сайт обязательна
5
1
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