Магнитомягкие сплавы с высокой магнитной индукцией технического насыщения – пермендюры 49К2ФА и 49КФ | Лаборатория магнитных материалов и измерений

Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей
и измерения магнитных параметров

Статьи

Статьи » Прецизионные магнитомягкие сплавы

Магнитомягкие сплавы с высокой магнитной индукцией технического насыщения – пермендюры 49К2ФА и 49КФ

Наиболее часто применяемые сплавы: 79НМ, 80НХС, 49К2ФА, 49КФ, 16Х в производстве магнитопроводов. Рассмотрены вопросы связанные с применяемостью этих сплавов, их химическим составом, классификация, а так же высокотемпературный отжиг и измерение основных магнитных параметров.

Аннотация

Особое место среди магнитомягких сплавов на основе железа занимают магнитомягкие прецизионные сплавы двойной Fe51-Co49 и тройной Fe49-Co49-V2 систем, представителями которых являются сплавы 49КФ ГОСТ 10160–75 и 49К2ФА ГОСТ 10160–75 называемые также пермендюрами. Отличительная черта этих сплавов – величина магнитной индукции технического насыщения BS, значения которой достигают 2,4 Тл, вследствие чего они образуют группу сплавов с высокой магнитной индукцией технического насыщения. Кроме того эту группу дополняют прецизионные магнитомягкие сплавы 27КХ и 49К2Ф. Наиболее часто пермендюры 49К2ФА и 49КФ применяют для производства сборочных единиц роторов и статоров различных электрических машин, а так же для производства концентраторов магнитного потока в рабочем зазоре. Как и все прецизионные магнитомягкие сплавы, пермендюры 49К2ФА и 49КФ чувствительны к любым механическим воздействиям, которые приводят к смещению доменных границ, дроблению и перестройка доменной структуры и как следствие значительно ухудшают  их основные магнитные параметры. Восстановление и стабилизация основных магнитных параметров сплавов 49К2ФА и 49КФ достигается термообработкой – высокотемпературным отжигом в вакуумных печах сопротивления при температурах 850°С и 1100°С в течении 4 – 6 часов и медленным охлаждением.


Содержание

  1. Химический состав Fe-Co сплавов.
  2. Классификация сплавов по магнитным параметрам.
  3. Термообработка (отжиг) сплавов 49КФ и 49К2ФА.
  4. Основные магнитные параметры сплавов 49КФ и 49К2ФА.
  5. Список источников.

Несмотря на то, что прецизионные магнитомягкие сплавы на основе двойной системы Fe-Co были разработаны в середине прошлого века, они и по настоящее время находят широкое применение в производстве роторов и статоров различных электрических машин, а так же для производства концентраторов магнитного потока в рабочем зазоре. Сплавы отличаются высокой магнитной индукции технического насыщения BS – до 2,4 Тл, высокой температурой Кюри – 950 °С, повышенной магнитной проницаемостью в слабых и средних магнитных полях, значения которых достигают 15 000, малыми удельными потерями на перемагничивание PB/f на частоте до 1000Гц при значениях магнитной индукции до 2 Тл и высокими значениями магнитострикции насыщения λS – (60-100)•106.

Особое место среди этих сплавов занимают прецизионный магнитомягкий сплав 49КФ ГОСТ 10160–75, а так же сплав тройной системы Fe49-Co49-V2 49К2ФА – ГОСТ 10160–75. Кроме того эту группу дополняют прецизионные магнитомягкие сплавы 27КХ – ГОСТ 10160–75 и 49К2Ф – ГОСТ 10160–75. Из группы прецизионных магнитомягких сплавов системы Fe-Co для производства сборочных единиц роторов и статоров электрических машин, трансформаторов, ультразвуковых генераторов и магнитострикционных элементов наиболее подходящим является сплав 49К2ФА. Сплав обладает стабильностью магнитных параметров во времени и по отношению к воздействию внешних факторов, таким как температура и механические напряжения, изотропией магнитных и анизотропией механических свойств. Применение ленты сплава 49К2ФА позволяет достичь в изделиях снижения полных потерь на перемагничивание в диапазоне рабочих частот, которые в основном представлены потерями на гистерезис и вихревые токи. Лента сплава 49К2ФА также нашла применение при изготовлении магнитопроводов магнитных систем в зарубежных странах под марками VACOFLUX 17, VACOFLUX 27, VACOFLUX 48, VACOFLUX 50, VACODUR 49, VACODUR 50 и HIPERCO. Основное применение прецизионного сплава 49КФ – производство сердечников и концентраторов магнитного потока с целью достижения наибольшей его плотности в рабочем зазоре магнитной системы и магнитопроводов элементов в системах автоматики.

Химический состав сплавов 49К2ФА и 49КФ.

В настоящее время проведено достаточное количество экспериментов, на основании которых уточнен и нормирован химический состав Fe – Co сплавов и технологические режимы изготовления лент, листов и прутов, позволяющие получать заданные магнитные параметры прецизионных магнитомягких сплавов 49К2ФА и 49КФ. Высокий уровень магнитных свойств пермендюров достигается в результате уменьшения энергии магнитной кристаллографической анизотропии и магнитоупругой энергии, а также за счет повышения чистоты сплавов и однородности металла. Максимального значения магнитного насыщения в статических магнитных полях сплав достигает при содержании кобальта (Co) около 35 мас.%. При 27 мас.% кобальта в сплаве отсутствует упорядоченное состояние, при этом магнитное насыщение все еще очень высокое. Увеличение удельного электрического сопротивления в сплавах Fe – 27Co достигается легированием хромом (Cr), а также марганцем (Mn), кремнием (Si) и никелем (Ni) в общем количестве до 0,5 – 2 мас.%. При этом такое легирование сильно снижает намагниченность насыщения до уровня сплава Fe – 49Co – 2V, но увеличивает проницаемость и снижает коэрцитивную силу. Установлено, что легирование 2% ванадия (V) позволяет значительно увеличить электрическое сопротивление и механические свойства, что дает возможность применять ленты прецизионного магнитомягкого сплава 49К2ФА в динамических магнитных полях. Кроме того пермендюры легируют молибденом (Mo), вольфрамом (W) и титаном (Ti). Известно, что введение в сплав Fe – 50Co вместо ванадия ниобий (Nb) и тантал (Ta) позволяют подавить образование упорядоченного состояния. Замена 2 мас.% ванадия на 0,35 мас.% тантала приводит к усилению магнитных свойств холоднокатаной ленты в статических магнитных полях. Добавление ниобия 0,15 мас.% в сплав Fe – 27Co позволяет увеличить его пластичность. В сплаве Fe-49Co-1.9V-0.3Nb могут образовываться две обогащенные ниобием фазы. Первая из них представляет собой интерметаллическую фазу Лавеса, а вторая - карбиды ниобия, для предотвращения которой необходимо контролировать содержание углерода (С) в сплаве. Химический состав прецизионных магнитомягких сплавов 49К2ФА и 49КФ, регламентируемый стандартом ГОСТ 10994-74 приведен в таблице 1.

Химический состав сплавов 49К2ФА и 49КФ

Классификация сплавов

Исходя из принятой классификации прецизионных магнитомягких сплавов, а также в соответствии с ГОСТ 10160-75 49К2ФА и 49КФ относят к сплавам с высокой индукцией магнитного насыщения. Стандарт регламентирует магнитные параметры в зависимости от толщины и способа выплавки холоднокатаных лент, горячекатаных листов, прутков и поковок в статических и динамических магнитных полях, а именно индукцию при напряженности магнитного поля 400 А/м, 2500 А/м и 15000 А/м, Полные удельные потери РВ/f, Вт/кг при частоте f, Гц, максимальную магнитную проницаемость, коэрцитивную силу и магнитострикцию насыщения. В таблице 2 приведены основные магнитные параметры прецизионных магнитомягких сплавов 49К2ФА и 49КФ в статических и динамических магнитных полях.

Магнитные параметры сплавов Fe-Co

Основная кривая намагничивания сплава 49К2ФА

Рисунок 1. Основная кривая намагничивания ленты сплава 49К2ФА-ВИ толщиной 0.2мм

В зависимости от способа выплавки, сплавы 49К2ФА и 49КФ 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. В производстве роторов и статоров электрических машин наиболее часто можно встретить ленту марок * – II – 49К2ФА-ВИ (Вакуумно-индукционный переплав).

Химический состав прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ, 49К2ФА и 49КФ регламентируемый ГОСТ 10994-74
Сплав C,
не более
Si,
не более
Mn
S,
не более
P,
не более
Cr
Ni,
не более
Co
V
Fe
27КХ 0,04 0,25 0,2 – 0,4 0,015 0,015 0,3 – 0,6 0,3 26,5 – 28,0 остальное
49К2Ф 0,05 0,30 не более
0,3
0,02 0,02 0,5 48,0 – 50,0 1,7 – 2,1
49КФ 1,3 – 1,8
49К2ФА 0,03 0,15 0,01 0,01 0,3 1,7 – 2,0
Магнитные свойства прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ, 49К2ФА и 49КФ регламентируемые ГОСТ 10160-75

Основные магнитные параметры прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ, 49КФ, 49К2ФА ГОСТ 10160-75

Физические свойства прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ, 49К2ФА и 49КФ, регламентируемые приложением 2 ГОСТ 10160-75
Сплав Плотность
γ, кг/м3
Удельное электрическое сопротивление
ρ, Ом·мм2
Температура точки Кюри
θc, °С
Магнитострикция насыщения
λs, 106
27КХ 7,98 0,20 940 35
49К2Ф 8,15 0,40 960 60 – 100
49КФ
49К2ФА
Механические свойства прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ, 49К2ФА и 49КФ, регламентируемые приложением 2 ГОСТ 10160-75
Сплав Твердость по Бринеллю
HB
Временное сопротивление
σB, МПа
Предел текучести
σ0,2, МПа
Модуль нормальной упругости
Е, кН/мм2
Относительное удлинение
δ5, %
Относительное сжатие
φ, %
27КХ В нагартованном состоянии HRC40 1080 220 2
после отжига HRB90 590 295 20
49К2Ф
49КФ
49К2ФА
В нагартованном состоянии HRC35 1320 220 1
после отжига HRB90 490 345
Иностранные аналоги прецизионных магнитомягких сплавов 27КХ, 49КФ и 49К2ФА
Листы и ленты
Сплав Толщина


t, мм
Коэрцитивная
сила

HC, А/м
Максимальная
магнитная
проницаемость
µmax
Намагниченность
насыщения

JS, Тл
Индукция
в поле 800 А/м

B800, Тл
Удельные потери
1.5 Тл / 50 Гц
P1.5/50 , Вт/кг
Удельные потери
1.5 Тл / 1 кГц
P1.5/1k , Вт/кг
Удельные потери
2 Тл / 50 Гц
P2/50 , Вт/кг
Удельные потери
2 Тл / 1 кГц
P2/1k , Вт/кг
Магнитострикция
насыщения

λS, 106
VACOFLUX 17 0.35 100 3,500 2.2 1.5 3.8 223 7.0 400 +25
VACOFLUX X1 0.2 50 15,000 2.2 1.7 2.1 144 5.0 490 +25

Прутки и поковки
Сплав Коэрцитивная
сила

HC, А/м
Максимальная
магнитная
проницаемость
µmax
Намагниченность
насыщения

JS, Тл
Намагниченность
в поле 10 кА/м

J10k , Тл
Намагниченность
в поле 20 кА/м

J20k , Тл
Намагниченность
в поле 40 кА/м

J40k , Тл
Магнитострикция
насыщения

λS, 106
VACOFLUX 9 CR 130 3,000 1.80 1.70 1.76 1.80 +30
VACOFLUX 17 140 3,200 2.22 1.94 2.09 2.19 +25
VACOFLUX 18 HR 170 2,500 2.09 1.87 2.00 2.06 +25
VACOFLUX 27 150 3,000 2.38 2.11 2.27 2.38 +40

Изготовление деталей сборочных единиц магнитопроводов, а также образцов для подтверждения их магнитных свойств из ленты сплава 49К2ФА в настоящее время может осуществляться холодной листовой штамповкой, гидроабразивной резкой, лазерной резкой, электроэрозионной обработкой, навивкой с последующей шлифовкой заусенцев, а сплава 49КФ 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 49К2ФА и 49КФ: отжиг в вакууме.

Термообработка является обязательной технологической операцией при входном контроле сплавов 49К2ФА и 49КФ, и завершающей в цепочке технологического процесса производства деталей. Достижение нормированных магнитных параметров в большей степени зависит от методики подготовки образцов-свидетелей и деталей к отжигу и параметров режима отжига в вакууме. Отжиг в вакууме является обязательным, поскольку изготовление компонентов магнитопровода механической обработкой приводит к появлению наклепа в поверхностных слоях материала и образованию напряженного состояния кристаллической решетки, что препятствует свободному перемещению доменных стенок, изменяет вид доменной структуры, ширину доменов и тип доменных границ, участвующих в процессах намагничивания и перемагничивания материала. Данные процессы способствуют снижению магнитных свойств и, как следствие, к ухудшению качества продукции (рисунок 1,б). Кроме того, сплавы системы Fe-Co-V (рисунок 1,а) поставляются производителем в не отожженном состоянии.

Восстановление магнитных свойств пермендюров 49К2ФА и 49КФ достигается высокотемпературным отжигом в вакууме. В процессе отжига происходят снятие остаточных напряжений, процессы гомогенизации и атомного упорядочивания, выравнивается химический состав и совершенствуется структура дефектов кристаллической решетки сплавов, что оказывают влияние на доменную структуру и приводит к облегчению процесса смещения доменных границ при намагничивании и перемагничивании, и как следствие повышению магнитных свойств.

Диаграмма состояния системы Fe-Co

Рисунок 2 – Диаграмма состояния Fe–Со сплавов

Качество отжига сплавов 49К2ФА и 49КФ в глубоком вакууме зависит от следующих параметров:

  1. максимальная температура отжига и скорость ее достижения;
  2. время выдержки при максимальной температуре;
  3. градиент температуры при охлаждении.

Скорость нарастания температуры не оказывает существенного влияния на качество отжига, тем не менее, малая скорость нагрева нежелательна по экономическим соображениям, поскольку приводит к потере времени на термообработку и дополнительным затратам энергоресурсов. В то же время высокая скорость нагрева вызовет появление трещин на поверхности сплава, что приведет к браку. Наиболее оптимальной скоростью нагрева является 500 °С/ч.

Температура отжига должна способствовать максимальной активности процессов металлургического характера, позволяющих достичь наивысших магнитных параметров. Исходя из диаграммы состояния Fe–Co, максимальная температура отжига лент сплава 49К2ФА может быть установлена в интервалах от 850 °С до 900 °С и от 1050 °С 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 уменьшения размеров зерен возможно достичь исключительно механическим воздействием на сплав в результате проката ленты.

Микроструктура сплава 49К2ФА

Рисунок 3 – Микроструктура ленты сплава 49К2ФА до и после отжига (увеличение х100)

Исследования микроструктуры и магнитных свойств после отжига в вакууме при температурах свыше 1000 °С, соответствующей линии фазовых превращений показывают, что такая температура отжига негативно сказывается на магнитных свойствах лент сплава 49К2ФА. В свою очередь отжиг при температурах (850–880)°С напротив, 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.

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 повышается значение магнитной индукции в диапазоне полей намагничивания от 0 до технического насыщения, оптимальное значение которой достигается после выдержки в течение 6 ч. Дальнейшее увеличение времени выдержки является нецелесообразным, поскольку не наблюдается увеличения магнитной индукции.

Окончательное формирование структуры материала зависит от скорости охлаждения. Оптимальным режимом охлаждения является одноступенчатым с постоянной скоростью, поскольку в соответствии с диаграммой состояния Fe-Co в процессе охлаждения в сплаве не происходят фазовые превращения. Снижения коэрцитивной силы достигается уменьшением скорости охлаждения до 100 °С, что свидетельствует о том, что оптимальной является упорядоченная равновесная структура.

В большинстве случаев отжиг пермендюров 49К2ФА и 49КФ выполняют в вакуумных электропечах сопротивления, позволяющие получать глубокий вакуум до 10-4 атм и в электропечах с водородом. Термообработка в вакууме способствует защите поверхности от окисления, дегазации сплавов за счет удаления газов, растворенных в объеме сплавов, что в совокупности приводит к восстановлению магнитных параметров. Отжиг в вакууме по сравнению с отжигом в водороде сплавов 49К2ФА и 49КФ является предпочтительным, поскольку является безопасным технологическим процессом ввиду исключения возможности «хлопка», не требует применения дополнительного оборудования и технологических операций.

Режимы отжига в вакууме, позволяющие восстановить магнитные свойства прецизионных магнитомягких сплавов 49К2ФА и 49КФ, рекомендуемые ГОСТ 10160–75 (1 режим) и авторитетными авторами, приведены в таблице 3.

Режимы отжига сплавов 49К2ФА и 49КФ ГОСТ 10160-75

Подтверждение магнитных свойств деталей сборочных единиц из сплавов 49К2ФА и 49КФ прямым измерением их магнитных параметров является сложной технической задачей ввиду того, что в большинстве случаев форма сборочных единиц магнитопроводов не позволяет достоверно оценить их свойства вследствие сложной геометрии. В связи с этим подтверждение магнитных свойств при входном и межоперационном контроле качества продукции на соответствие требованиям ГОСТ 10160-75 выполняют измерениями основных магнитных параметров шихтованных и точеных тороидальных образцов-свидетелей установленной формы, изготовленных из той же партии металла, что и сборочные единицы манитопроводов, и отожженных с ними в одной садке. В качестве основного метода измерения статических магнитных характеристик прецизионных магнитомягких сплавов на производстве магнитных систем применяют исключительно индукционно-импульсный метод измерения, который является стандартизированным - ГОСТ 8.377-80 в основу которого заложен индукционно-импульсный режим изменения напряженности магнитного поля. В соответствии с ним перед измерением основных магнитных характеристик необходимо подготовить образцы-свидетели по методике подготовки образцов к измерениям магнитных параметров кривой намагничивания и петли гистерезиса.

Образцы-свидетели ленты сплава 49К2ФА и прутка 49КФ ГОСТ 10160-75

Рисунок 4. Образцы-свидетели ленты сплава 49К2ФА и прутка 49КФ ГОСТ 10160-75

Измерение основных магнитных параметров сплавов 49К2ФА и 49КФ выполнены на измерителе параметров магнитомягких материалов с применением методики определения основных магнитных параметров в статических магнитных полях. Методика позволила получить результаты измерений ленты 0.1 мм сплава 49К2ФА-ВИ ГОСТ 10160-75 и прута сплава 49КФ ГОСТ 10160-75, показанные на рисунке 5, с методической погрешностью менее 1%.

Основная кривая намагничивания сплава 49К2ФА Основная кривая намагничивания сплава 49КФ

Петля гистерезиса сплава 49К2ФАПетля гистерезиса сплава 49КФ

Рисунок 5. Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса ленты сплава 49К2ФА-ВИ ГОСТ 10160-75 и прута сплава 49КФ ГОСТ 10160-75

В настоящее время доступно значительное количество справочной литературы и научных работ, в которых представлены как диаграммы состояния двойной и тройной систем для сплавов 49К2ФА и 49КФ с разработанными режимами высокотемпературного отжига в вакууме, так и технологии термообработки и измерений основных магнитных параметров при статическом и динамическом изменении напряженности магнитного поля.

Основными причинами, по которым после отжига в вакууме по режиму, указанному в сертификате на поставленный металл не удается достичь нормированные для сплавов 49К2ФА и 49КФ 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 49К2ФА и 49КФ 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. 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.
  4. Кекало, И. Б. Физическое металловедение прецизионных сплавов. Сплавы с особыми магнитными свойствами : учеб. для вузов / И. Б. Кекало, Б. А. Самарин. – М. : Металлургия, 1989. – 496 с.
  5. 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.
  6. Чижов, А. В. Термическая обработка Fe-Co-V как инструмент совершенствования качества изделий из магнитомягких материалов / А. В. Чижов // Инженерный вестник Дона. – 2012. – № 2. – URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2374 (дата обращения: 10.01.2015) .
  7. Металловедение и термическая обработка стали : справочник / под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. – 3-е изд. – М. : Металлургия, 1983. – Т. I. Методы испытаний и исследования. – 352 с.
  8. Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник / под общ. ред. Н. П. Лякишева. – М. : Машиностроение, 1997. – Т. 2. – 1024 с.
  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:

Сплав 49К2ФА ВИ, сплав 49КФ, пермендюр, 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
1
Назад

Дополнительно по данной категории

Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Ваше имя:
Комментарий:
Секретный код:Для обновления секретного кода нажмите на картинку
Повторить:
Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей и измерения их магнитных параметров
Top.Mail.Ru