книги из ГПНТБ / Лившиц Б.Г. Высококоэрцитивные сплавы на железоникельалюминиевой основе
.pdfраспада, получающихся при охлаждении отливки после ее зат вердевания. Вероятно, для понижения температуры термомаг нитной обработки полезно быстро охлаждать затвердевшую, от ливку и быстро ее нагревать перед охлаждением с критической' скоростью в магнитном поле.
Следует также подробно ' исследовать замену непрерывно го охлаждения при термической обработке двухступенчатой вы-
Рис. 106. Зависимость магнит |
Рис. 107. Магнитные свойства спла |
||
ных свойств сплава магнико от |
ва АНКО 3 после различной выдерж |
||
температуры |
закалки |
(отжиг |
ки в закалочной камере: |
при 900°, |
15 час). |
[101] |
/— свойства непосредственно после термо |
магнитной обработки; 2 — свойства после термомагнитной обработки и последующего отпуска при 600° [100]
держкой при более высокой и затем при более низкой темпера туре, что следует из работ [42 и 44].
Режимы термомагнитной обработки нуждаются в дополни тельном исследовании.
Процесс термомагнитной обработки магнитов производится следующим образом. Нагретый до 1300° магнит выдерживают
при этой температуре 10—15 мин., затем быстро зажимают между полюсами электромагнита, включают в его обмотку ток и охлаждают до потемнения (600—500°), после чего магнит удаляют из электромагнита и охлаждают до комнатной тем пературы на воздухе.
Если скорость охлаждения магнита на воздухе оказывается ниже критической, то его обдувают струей воздуха, а если вы ше критической, то магнит помещают в специальную камеру (печь), имеющую определенную постоянную температуру, обес печивающую критическую скорость охлаждения.
Было установлено [100], что весьма благоприятно на величи-
9 Б. Г. Лившиц и В. С. Львов. |
J29 |
ну коэрцитивной силы действует перерыв охлаждения при 600"
и выдержка при этой температуре от 15 до 30 мин. (рис. 107). Описанный способ является очень малопроизводительным и,
кроме того, требует большого расхода электроэнергии для пи тания электромагнита. Эти недостатки устраняют [102] приме-
|
|
обработки |
мощного |
постоянного |
||||
|
|
магнита. |
Этот |
магнит сборный, |
||||
|
|
состоит из |
большого |
количества |
||||
|
|
цилиндрических с осевым отвер |
||||||
|
|
стием магнитов. |
|
специальной |
||||
|
|
Применением |
|
|||||
|
|
крышки с асбестом можно умень |
||||||
|
|
шить скорость охлаждения. Уве |
||||||
|
|
личивать |
скорость |
охлаждения |
||||
|
|
обрабатываемых магнитов можно' |
||||||
|
|
обдувкой их струей воздуха. При |
||||||
|
|
обработке |
магнитов |
из |
сплава |
|||
|
|
АНКО4 скорость охлаждения со |
||||||
|
|
ставляет |
около |
5°/сек |
(ГОСТ |
|||
|
|
4402—48). |
|
|
|
|
|
|
|
|
Влияние температуры отпуска |
||||||
|
|
после термомагнитной обработки |
||||||
|
|
на магнитные свойства |
сплавов |
|||||
|
|
алнико с различным содержанием |
||||||
Температура. отпуыа.°[ |
кобальта |
представлено |
на |
|||||
рис. 108. Из рисунка видно, что |
||||||||
|
|
|||||||
Рис. 108. Зависимость магнитных |
отпуск во |
всех |
случаях,, |
|
кроме |
|||
свойств |
сплавов: |
сплава АНКО1 |
(12% Со), |
при |
||||
1—сплав АНКО1; |
2 — сплав АНКОЗ; |
водит к повышению |
остаточной |
|||||
3 — сплав |
АНКО4 [107] |
индукции, |
поэтому |
его |
следует |
проводить. Оптимальная температура отпуска 600°, а продол жительность 2 часа.
Рекомендуемые режимы термической обработки промышлен ных магнитных сплавов и получающиеся при этом магнитные
свойства приведены в табл. 19.
В работах [29, 103] описана механическая и электроискровая обработка магнитов.
АНАЛИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОСВОЕНИЯ Fe-Ni-Al-СПЛАВОВ
Выбор и уточнение в узких пределах состава Fe-Ni-Al-сплавов в производственной практике определяются рядом факторов, как например, заданными в чертеже магнитными свойствами, условиями механической обработки, шлифованием или резани
ем, сложностью конфигурации магнита в связи с условиями приемлемой термической обработки (скоростью охлаждения), ус
ловиями крепления. Кроме этих основных, имеется еще ряд дру гих, менее важных факторов, как например, условия намагничива
ло
ния, пооперационный контроль, условия размагничивания перед окончательной шлифовкой (во избежание налипания металли ческой пыли), после того как изделие было намагничено при
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 19 |
|
Режим термической обработки и магнитные |
свойства сплавов |
||||||||
|
|
для постоянных магнитов |
|
|
|
||||
|
|
|
(ГОСТ |
4402—48)* |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Магнитные свойства** |
||
|
|
|
|
|
|
остаточная |
коэрци |
удельнаяя |
|
Марки |
Режим термической обработки |
магнитна |
|||||||
индукция |
тивная |
энергия |
|||||||
сплавов |
|
(рекомендуемый) |
|
В , гс |
сила |
^^макс |
|||
|
|
Н , эрст |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эрг см3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
не менее |
|
АН 1 |
Закалка |
при 1200° |
в |
кипящей воде |
|
|
|
||
|
либо нормализация |
при |
1200° |
(для |
7 000 |
250 |
28 000 |
||
АН 2 |
тонких магнитов)............................... |
|
|
- |
|||||
Закалка при 1200° в кипящей воде и |
6 000 |
430 |
38000 |
||||||
АН 3 |
отпуск при 550° |
1100°..............................либо охлаж- |
|||||||
Нормализация при |
|
|
|
||||||
|
дение в опоках (для толстых маг- |
5000 |
500 |
36000 |
|||||
АНК |
нитов) |
............................................. |
1200° |
|
|
||||
Нормализация при |
|
|
4 000 |
750 |
43 000 |
||||
АНКО 1 |
То же 1250°.......................................... |
|
» |
» |
1300° |
6 800 |
500 |
55 000 |
|
АНКО 2 |
Закалка при 1300° |
в |
7 500 |
600 |
60 000 |
||||
АНКО 3 |
магнитном поле |
|
|
|
|||||
|
напряженностью не менее 1500 эрст |
|
|
|
|||||
|
(скорость охлаждения до 5° /сек до |
9 000 |
650 |
97 000 |
|||||
АНКО 4 |
500е): отпуск при 600°................... |
|
|
||||||
Закалка при 1300° |
в |
магнитном поле |
|
|
|
||||
|
напряженностью не менее 1510 эрст |
|
|
|
|||||
|
(скорость охлаждения до 5° /сек, до |
|
500 |
150 000 |
|||||
|
500 ): |
отпуск при 600°................... |
|
12 300 |
* См. второе примечание к табл. 14.
♦* Для магнитов из сплавов АНКОЗ и АНКО4 указанные магнитные свойства относятся к направлению магнитного поля, приложенного при термомагнитной обработке.
промежуточном контроле, и т. д. Ниже приводятся примеры конкретных решений при производственном освоении Fe-Ni-Al-
сплавов. |
тонкостенное кольцо |
Магнит А. Магнит представляет |
|
относительно большого диаметра, т. е. с |
большой поверхностью |
обработки. Первые опыты по шлифовке |
таких магнитов пока |
зали, что эта операция очень трудоемка и тем самым ставится
под вопрос целесообразность |
выпуска всей конструкции. |
По |
||
этому при выборе состава |
сплава прежде |
всего учитывали |
||
сложность механической обработки. |
И % А1, который |
|||
Для магнита был взят сплав |
с 28% Ni и |
|||
в литом состоянии имеет более |
низкую твердость, чем |
после |
||
9* |
|
|
|
131 |
термической обработки на высокую магнитную энергию, и -по этому может в литом состоянии обрабатываться режущим ин струментом из твердого сплава РК6. Сплав 28-11 является од
ним из лучших в магнитном отношении среди железоцикельал'юминиевых сплавов, не содержащих других легирующих при
месей. Его высокие магнитные свойства получаются только после термической обработки (закалка с отпуском). Значи тельный опыт термической обработки магнитов из железони-
кельалюминиевых сплавов показывает, что |
закалочный брак |
|
по трещинам практически делает невозможным |
применение |
|
закалки в масле этих сплавов в том случае, |
когда |
изделие не |
подвергали механической обработке до закалки. Во избежание закалочных трещин должна быть по возможности удалена ли тейная корка металла, являющаяся носителем многочисленных поверхностных мелких дефектов и напряжений. В этом отно шении магнит А вполне удовлетворяет вышеуказанным услови ям, так как вся поверхность как снаружи, так и изнутри до ступна для режущего инструмента и может быть полностью об работана.
В дальнейшем были найдены условия смягчения этих спла
вов, что повысило в 2,5 раза производительность обработки ре
занием до термической обработки и значительно увеличило
стойкость инструмента. Для смягчения |
был |
применен отжиг |
||
при 900° в течение 2 час. после |
выравнивания |
температуры сад |
||
ки |
с медленным охлаждением |
в печи до 300—400°. Магниты А |
||
при |
сравнительно быстром охлаждении |
в литейном цехе в сы |
||
рой земле имели твердость 73—75 RA . |
Отжиг при 900° оказал |
ся более эффективным, чем отжиг при 1250°. Объясняется это
тем, что при 900° в отличие от |
высокого нагрева сплав |
не пе |
реходит в однофазную область. |
При 900° фактически мы под |
|
вергаем сплав высокому отпуску. |
Нс = |
|
Магнит А должен был иметь следующие свойства: |
||
= 450 эрст, Вг = 5900 гс. Такие магнитные свойства как мини |
мально допустимые могут быть получены сравнительно просто на сплаве 28-11 путем закалки в масле и отпуска. Наилучшей температурой отпуска нужно признать 660—670°, что неодно кратно подтверждалось при исследовании термической обра ботки различных изделий.
Магнит Б. Отливка такого магнита более сложна, чем магнита А. Чтобы получить магниты без усадочных раковин, имеющие сравнительно толстую стенку, необходимы специаль ные мероприятия при формовке, а также увеличенный расход металла на питатели и выпора. Отливка магнита Б является стержневой отливкой; согласно техническим условиям, она не должна иметь утяжин в центральном отверстии: это усугубля ет трудности, стоящие перед формовщиком. Кроме того, нали
чие стержневого отверстия усложняет также и работу термис
та, так как центральное отверстие почти недоступно для режу-
132
щего и шлифовочного инструмента и изделие поступает в за калку с неудаленной литейной коркой в стержневом отверстии
магнита.
В отношении магнитных свойств к магниту Б предъявляют
ся следующие требования: Вг~> |
6000 |
гс; Нс~> 430 |
эрст |
при |
|
Нс • Вг~> |
2,70 • 10s. Эти требования |
достаточно жестки; |
так, |
на |
|
пример, |
при минимально допустимом |
значении коэрцитивной |
силы остаточная индукция должна быть равна 6250 гс. Кроме
того, необходимо было получить нужную магнитную мощность за счет повышения остаточной индукции, что несколько слож нее, чем получение этого произведения при повышенной коэр цитивной силе. Попытки получить нужные свойства путем за калки в масле и отпуска сплава 28-11 окончились неудачей из-
за того, что остаточная индукция получилась слишком низкой. Опробование воздушно-закаливаемых сплавов1 с более высо ким содержанием алюминия также не дало желаемых резуль татов. При наилучших скоростях охлаждения от высокой тем пературы получались высокие значения коэрцитивной силы,
однако остаточная индукция лишь в небольшом числе случаев превосходила нижний предел. Базировать производство на та ких сплавах оказалось нецелесообразным. Одним из возмож ных вариантов обработки сплава 28-11 являлась закалка в во де (20°) и последующий отпуск на 650—670°. Такая обработ ка давала удовлетворительные магнитные свойства, однако все обработанные таким образом магниты имели довольно глубо кие трещины, вскрывавшиеся при шлифовке на окончательный размер. Для уменьшения внутренних напряжений и тем самым уменьшения закалочного брака применяли закалку в жидком свинце при 400—450°. Опыт показал, что температура свинца влияет весьма незначительно. Магнитные свойства при такой обработке получаются практически те же, что и при закалке в воде (20°) с последующим отпуском. Жидкий свинец охлажда ет в верхнем температурном интервале, выше 700°, столь же быстро, что и холодная вода, в то время как при более низких температурах действие свинца как охладителя гораздо слабее, чем воды. Из того что нам известно о кинетике структурных
превращений при обработке II типа, следует, что получение тех или иных магнитных свойств зависит от скорости прохождения верхнего температурного интервала. Благодаря этому охлаж
дение в свинце позволило получить почти такую же высокую остаточную индукцию, что и при закалке в воде. Медленное охлаждение в свинце при низких температурах резко снизило закалочный брак.
Однако обработка сплава 28-11 в свинце имеет следующие недостатки:
1 Как видно из дальнейшего описания, такие сплавы нашли применение для других типов магнитов.
.133
1) значительное количество магнитов браковали по мел ким, волосным трещинам;
2) большое количество магнитов имело остаточную индук цию, близкую к нижнему пределу, и их частично браковали изза низкой остаточной индукции. Дальнейшая работа по под
бору сплава |
и термической обработки для магнита Б приве |
ла к положительным результатам. |
|
Магнит Б |
изготавливали из сплава с 24,3% Ni, .12,7% Al и |
3,5% Си. После обработки магнит предварительно шлифовали
по наружному цилиндру и по торцам (внутреннее отверстие не шлифуется). Затем магнит подвергали закалке с 1100° в кипя
щей воде и отпуску при 550° в течение 3 час. После проверки на
магнитные свойства магнит размагничивали и подавали на окончательную шлифовку. Благодаря уточнению всех элементов термической обработки был установлен определенный режим, записанный в технологической инструкции завода. В процессе освоения состав сплава уточняли в узких пределах концентра ций никеля и алюминия; плавки велись на отходах стали 10 и
на армко-железе.
В табл. 20 даны составы производственных плавок (по ших те), указано шихтовое железо и приведено распределение маг нитов Б по произведению Вг Нс.
На рис. 120 дано распределение этих магнитов по коэрцитив ной силе и остаточной индукции.
Таблица 20
№ варианта
Химический состав плавок и распределение магнитов Б по произведению Вг Нс
Состав по шихте. % |
|
Распределение по величине |
|||
|
вгнсх 10-6, % |
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
Материал |
2,50- 2,70— 2,90— 3,10— |
|
Ni |
Al |
Си |
2,49 |
||
2,69 2,89 3,09 3,29 3,3 |
1 |
28,0 |
11,0 |
0,5 |
10 |
1,3 |
7,7 |
36,3 |
41,0 |
12,3 |
1,4 |
2 |
24,0 |
13,0 |
3,5 |
10 |
3,2 |
21,7 |
37,0 |
37,0 |
1,1 |
_ |
3 |
24,3 |
13,0 |
3,5 |
10 |
0,7 |
11,6 |
59,2 |
27,5 |
1,о |
_ |
4 |
24,3 |
13,0 |
3,5 |
Армко |
— |
12,9 |
51,2 |
34,6 |
1,3 |
_ |
5 |
24,3 |
12,7 |
3.5 |
Армко |
— |
3,7 |
58,0 |
37,3 |
1,0 |
— |
Магниты (варианты № 2—5) закаливали в кипящей воде и отпускали при 550°. Переход со сплава 28-11 на 24—13—3,5 (вариант № 2) сразу же устранил один из самых тяжелых ви дов брака, а именно, закалочные трещины. Это объясняется тем, что закаливающее действие кипящей воды несколько ин тенсивней, чем действие сжатого воздуха, и значительно слабее закаливающего действия жидкого свинца. Это пониженная ско рость охлаждения при обработке II типа обусловлена в данном
134
случае соотношением концентрации никеля и алюминия, а также
и присутствием в составе сплава меди, понижающей критиче скую скорость охлаждения. Переход на сплав 24,0—13,0—3,5 привел к значительному повышению остаточной индукции и па
дению коэрцитивной силы (рис. 109 и ПО), причем сильно воз рос брак по низкой коэрцитивной силе и низкому произведению ВГНС (табл. 20). Для устранения этих видов брака было повы шено содержание никеля на 0,3% (вариант № 3). Это мероприя тие заметно сказалось на массовом выпуске. Коэрцитивная си ла поднялась, а остаточная индукция снизилась, причем произ
ведение ВГНС возросло. Брак по |
магнитным свойствам сокра |
|
тился. Однако до практически допустимого он снижен не |
был |
|
и при этом магниты варианта № |
3 браковали в основном |
по |
низкой остаточной индукции. На большом количестве магнитов остаточной индукции и полностью устранить брак по мапнитпределу, что было признано нежелательным.
Для повышения качества магнитов в шихту вместо стали 10 было введено армко-железо (вариант № 4), что резко повысило остаточную индукцию и снизило коэрцитивную силу. Наиболее
часто встречающееся значение остаточной индукции возросло на 400 гс, а коэрцитивная сила упала на 40 эрст. Следующим шагом на пути подбора сплава для магнита Б явилось пониже ние содержания алюминия на 0,3% (вариант № 5), что позво
лило получить хорошее сочетание величин коэрцитивной силы и остаточной индукции и полностью устранить брак по магнит ным свойствам.
Необходимо отметить то существенное обстоятельство, что небольшое изменение состава шихты, как например, на 0,3% Ni или А1, влечет за собой заметное изменение магнитных свойств (в среднем В г изменяется на 300—400 гс и Нс на 20—40 эрст).
В основном это объясняется влиянием концентрации никеля или
алюминия на критическую скорость охлаждения. На рис. 111 приведена схематическая зависимость магнитных свойств от ско
рости охлаждения. Предположим, что скорость |
охлаждения |
А соответствует закалке в кипящей воде сплава |
с 24% Ni и |
13% А1. Повышение концентрации никеля до 24,3% при неизмен ной скорости охлаждения эквивалентно уменьшению скорости охлаждения от А до С при неизменном составе сплава, так как никель уменьшает закаливаемость Fe-Ni-Al-сплавов. Кроме то го, сама Нс повышается, а Вг понижается благодаря специфи ческому влиянию никеля в условиях охлаждения с критической скоростью. Поэтому при незначительном повышении концен трации никеля Вг заметно падает, а Нс — растет. Алюминий действует на закаливаемость в противоположном направлении, и поэтому увеличение его концентрации три неизменной терми
ческой обработке эквивалентно повышению скорости охлажде ния от А до В при неизменном составе. Увеличение концентра ции алюминия увеличивает остаточную индукцию и уменьшает
135
60
Распределение по коэрцитивной силе, %
Рис. 109. Распределение (процентное) магнитов Б по коэрцитивной силе
Рис. НО. Распределение (процентное) магнитов Б по остаточной индукции
136
коэрцитивную ' силу. Уменьшение концентрации алюминия с 13,0 до 12,7% при переходе от варианта № 4 к № 5 (табл. 20)
Рис. 111. Зависимость магнитных свойств от скО' рости охлаждения (схема)
При замене стали 10 в шихте на армко-железо повысилась остаточная индукция и снизилась коэрцитивная сила (вариан
ты № 3 и 4). Такое влияние шихтового железа наблюдалось в ряде случаев и .ранее. Действие углерода на остаточную индук цию и коэрцитивную силу видно на рис. 86; повышения остаточ ной индукции нужно было ожидать. Что касается падения коэр цитивной силы, то, по-видимому, оно объясняется влиянием
марганца.
В результате проделанной работы по освоению производства
магнитов следует, что к дозировке шихты как основными эле-
137
ментами — никелем и алюминием, так и примесями — углеро дом, кремнием и марганцем нужно относиться с особой тща тельностью. В противном случае в производственных условиях
получается повышенный процент брака и нарушается производ
ственный ритм от литейного цеха до сборки из-за непостоянства качества магнитов.
Рис. 112. Влияние алюминия на свойства |
Рис. |
ИЗ. Влияние |
алюминия |
|
магнитов с 24% Ni, охлажденных в песке |
на |
свойства магнитов |
с 24% |
|
[15] |
Ni, |
охлажденных |
на |
воздухе |
|
[15] |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 114. Влия ние алюминия на свойства магнитов с
24% Ni, ox- I
лажденных под струей воздуха
Магниты ССиМД. Форма и размеры этих магнитов близ
ки между собой, и поэтому можно ожидать, что нужные усло
вия охлаждения при термической обработке будут одинаковы для обоих типов. Требования по магнитным свойствам, предъ
являемые |
к этим магнитам, следующие: Вг > 5500 гс, Нс > |
430 эрст; |
Вг • Не>2,5-106. Термическая обработка магнитов с |
интенсивным охлаждением исключена, так как предварительное
снятие литейной корки в значительной части поверхности невоз можно из-за сложной конфигурации магнита. Для освоения маг нитов СС и МД необходимо выбрать сплав, магнитные свойства которого получались бы непосредственно в литом состоянии, т. е. сплав с высокой закаливаемостью. Подробно были исследованы
138