МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СТАЛЕЙ И ПЕРМАЛЛОЕВ

Основными технологическими операциями, выполняемыми при изготовлении магнитопроводов из лент или листов являются: рез­ка ленты или штамповка пластин, электроизоляция витков или пластин между собой, навивка сердечников или сборка пакетов.

Во всех случаях применения пермаллоев обязательным яв­ляется отжиг после механической обработки. Для электротехни­ческих сталей отжиг также желателен, особенно если требуется получить высокие значения проницаемости в слабых и в средних полях.

Рассмотрим основные вопросы технологии производства лен­точных и шихтованных сборных сердечников.

Ленточные сердечники изготовляют из ленты толщиной 0,02— 0,35 мм, нарезанной из рулона пермаллоя или текстурованной электротехнической стали.

Лента навивается в спираль, при этом витки ее изолируются между собой тонким слоем изоляционного покрытия — нитроцел - люлозной эмали, окиси магния, окиси алюминия (алунда) и др.

Далее производится термическая обработка и укладка сердеч­ников в защитные каркасы, на которые накладываются обмотки. Защитный каркас предохраняет сердечник от воздействия на не­го механических нагрузок, возникающих при наложении обмоток, ударах, тряске, вибрациях и т. п. Отсутствие каркаса могло бы вызвать существенное снижение магнитных свойств. На рис. 24 были показаны различные типы ленточных сердечников.

Неразрезные сердечники (сплошные) обладают более высоки­ми магнитными свойствами и дешевле, чем разрезные. При са­мой тщательной пришлифовке торцов индукция в разрезных сер­дечниках на 20—30% ниже, чем в сплошных. Зато выполнение обмоток значительно сложнее и дороже для сплошных сердеч­ников.

Разрезные сердечники изготовляют или из сплошных, разре­зая их, или методом гибки и прессования. Последний метод со­стоит в том, что из ленты нарезают пластины различной длины,
которые 'подвергают далее гибке и опрессовке по форме сердеч­ника. Первый метод применяют чаще.

В настоящее время для навивки ленточных сердечников ис­пользуют специальные установки. Неотожженная лента из пер­маллоя (обычно толщиной от 0,02 до 0,35 мм) предварительно разрезается прецизионными роликовыми ножницами на необхо­димую ширину (высоту сердечника). Установка для навивки вы­полняет следующие операции: снимает заусенцы с краев ленты, обезжиривает и протирает ленту, наносит изоляционное покрытие и навивает сердечник необходимых размеров. Концы ленты за­крепляются, например, точечной сваркой.

Одним из важных вопросов процесса изготовления витых сер­дечников является выбор необхо­димого натяга ленты в процессе навивки.

Оптимальная величина натя­жения Р ленты зависит от ее ши­рины b и толщины d и может быть определена с помощью но­мограммы, изображенной на рис. ■38. Чрезмерное увеличение натя. га вызывает ухудшение магнит­ных свойств и уменьшение элект­рического сопротивления. Сла - Рис. 38. Номограмма для опреде - бый натяг не обеспечивает высо - ления усилия натяжения ленты кий коэффициент заполнения и ПР" навив%лвег™?9]Х сердечни" снижает механическую прочность сердечника.

После навивки сердечники поступают на отжиг.

В настоящее время применяют в основном три вида отжига: в защитных ящиках (контейнерах), в водороде и в вакууме.

Отжиг в контейнерах является технологически наиболее прос­тым. При таком отжиге изделия загружают в ящик, сваренный из листов жароупорной стали толщиной в 4—6 мм. Свободное пространство заполняется чистым кварцевым песком или тонко размолотым асбестом.

Ящик имеет две крышки, промежуток между которыми запол­няется чугунной стружкой или стружкой из технически чистого железа для предотвращения окисления деталей. Ящик гермети­зируется жароупорной глиной.

Режим отжига зависит от марки материала и формы изделий и каждый раз должен подбираться опытным путем.

Для электротехнических сталей ориентировочно можно реко­мендовать следующий режим: нагрев до 720—780° С, выдержку при этой температуре в течение 1 —1,5 ч, охлаждение до 200—
250° С со скоростью около 50° С в час. После этого изделия могут быть вынуты из ящика.

Регулируя величину заполнения свободного пространства в ящике, получают изделия с различной толщиной оксидной плен­ки, которую можно .использовать в качестве электрической изо­ляции между пластинами.

Для пермаллоев отжиг в /контейнере «е может обеспечить вы­сокие магнитные свойства.

Отжиг в атмосфере водорода. Технологически этот вид отжи­га является наиболее дорогим и сложным. Он требует специаль­ной печи и установки для очистки и осушки технического водо­рода. Известно также, что водород является взрывоопасным. По этим причинам он применяется сравнительно редко.

Отжиг в вакууме. Этот вид отжига проще, чем отжиг в водо­роде, и находит широкое применение. Он производится в контей­нерах пр. и вакууме 10~2—10~4 мм рт. ст.

До настоящего времени вопрос о том, какой вид отжига (во­дородный или вакуумный) обеспечивает получение наиболее вы­соких магнитных свойств, не является вполне ясным.

Некоторые исследователи считают, что отжиг в водороде, осо­бенно для пермаллоев, малоэффективен [JI. 25].

Теоретическое объяснение этого положения заключается в сле­дующем. В процессе плавки материал насыщается водородом, кислородом и другими газами, часть которых остается в металле после его затвердевания.

Отжиг в водороде не обеспечивает полного удаления газовой составляющей из сплава.

При вакуумном же отжиге происходит дегазация металла и повышение его магнитных свойств.

Качество материала зависит от степени разряжения при от­жиге. Например, содержание водорода в сплаве 79НМ после от­жига при температуре 1100° С с повышением степени вакуумиро - вания от 10~2 до 10~3 мм рт. ст. уменьшается более чем в три раза.

Характер подъема температуры существенного влияния на ка­чество отжига «е оказывает.

Необходимые значения максимальной температуры и време­ни отжига устанавливают экспериментально, в зависимости от марки сплава, размеров и формы изделий.

Повышение температуры сверх определенной величины [33] хотя и способствует дальнейшей дегазации, но приводит к ухудшению магнитных свойств. Предполагают, что это происходит вследствие изменения химического состава за счет улетучивания никеля.

Время выдержки при максимальной температуре имеет опти­
мальное значение, отклонение от. которого вызывает ухудшение магнитных свойств.

Скорость охлаждения существенно влияет на магнитные свой­ства. Каждый раз ее необходимо устанавливать эксперименталь­но. Для регулирования скорости охлаждения применяют охлаж­дение с печью, в контейнере на воздухе, в контейнере в воде и другие методы.

В некоторых случаях магнитные свойства повышаются в ре­зультате применения при отжиге активных покрытий, способст­вующих удалению из материала углерода, серы и т. п. Наиболь­ший эффект при этом дает углекислый барий.

Результаты отжига улучшаются также за счет припудривания изде­лий неактивными покрытиями (MgO, AI2O3 и др.), которые облег­чают удаление газообразных про­дуктов рафинировки.

В качестве примеров, применяе­мых в технике режимов отжига раз­личных марок пермаллоев, приве­дем следующие данные [J1. 25].

Отжиг вакуумный с разряжени­ем —10~4 мм рт. ст.

Для сердечников из сплава 79 НМ: нагрев до 950—1000° С, выдержка при этой температуре в течение 3—4 ч, охлаждение до 400° С со скоростью 100° С в час и последующее охлаждение изделий в контейнере в воде.

Для сердечников из текстурованной электротехнической ста­ли: нагрев отожженной на заводе ленты до 1150° С, выдержка в течение 4 ч, охлаждение до 300° С со скоростью 50° С в час и дальнейшее охлаждение на воздухе.

После термической обработки сердечник 1 укладывают в за­щитный каркас 2 из пластмассы, дюралюминия, пресспорошков и т. п. (рис. 39). Пространство между сердечником и стенками каркаса заполняется маслом или эластичными смазками, напри­мер смазкой типа ЦИАТИМ-201.

Шихтованные сердечники изготовляют обычно из изотропных магнитных материалов — горячекатаных или малотекстурован - ных сталей, а также из пермаллоев.

Рис. 39. Ленточный сердеч­ник в защитном каркасе

Штамповка пластин осуществляется на прессах. При этом происходит значительное ухудшение магнитных свойств на рас­стоянии 0,5—4,0 мм от контура пластины. Степень ухудшения свойств зависит от многих причин: марки материала, толщины листа, зазора между матрицей и пуансоном и т. п. Чем меньше по размерам и ажурнее пластина, тем значительнее потеря магнит­ных свойств и, следовательно, тем более необходим отжиг для снятия напряжений.

При вырубке пластины возможно образование заусенцев, ко­торые снимают абразивным кругом.

Качество сердечника в значительной степени определяется ве­личиной коэффициента заполнения.

Рассмотрим, как изменятся напряженность намагничивающе­го поля Я и полные потери Р для заданных значений магнитной индукции В при неизменном объеме сердечника из стали Э31 в результате уменьшения коэффициента заполнения от 0,95 до 0,85 [34]. Данные подсчетов сведены в табл. 11.

Анализ табл. 11 показывает, что при уменьшении коэффици­ента заполнения напряженность поля увеличивается на 10; 53; 290 и 300% Для получения соответствующих индукций, причем потери возрастают. на 12%.

Таблица 11

Свойства сердечника из стали Э31 для двух значений коэффициента заполнения [Л. 3]

Коэффициент заполнения

* При подсчетах было принято, что полные потери пропорциональны квадрату индукции.

Практически коэффициент заполнения изменяется от 0,8 до 0,97. Он будет тем выше, чем ровнее поверхность пластин, меньше их изогнутость, тоньше слой изоляции їй больше сжатие пакета.

Для уменьшения изогнутости пластины после штамповки и снятия заусенцев часто подвергают рихтовке, после чего они по­ступают на отжиг.

Если отжиг производится в закрытых контейнерах, а не в ва­кууме или в атмосфере водорода и сопровождается образованием пленки окиси, то при пониженных требованиях к сопротивлению изоляции дополнительное покрытие поверхности пластины изо­ляционным слоем не требуется. В противном случае на пластины наносится слой изоляции химическим способом, например фос­фатная пленка, или путем покрытия поверхности нитролаком. Толщина пленки обычно не превышает 5—15 мк.

Далее пластины поступают на сборку. Собранный пакет дол­жен обеспечить наивысший коэффициент заполнения без нару­шения изоляции и снижения магнитных свойств.

Оптимальные условия лучше всего выбирать эксперименталь­но, измеряя сопротивление изоляции между пластинами, коэф­фициент заполнения и потери в сердечниках в функции от сжа­тия пакета.