CC BY
126
УДК 622.237:621.318
М.Т. Кобылянский
АНАЛИЗ И ВЫБОР МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАГНИТНЫХ ЛОВИТЕЛЯХ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
Выбор типа магнитного материала для бурового магнитного улавливающего устройства имеет большое значение, т. к. во многом определяет силовые и магнитные параметры ловителя.
Энергия магнитного поля, создаваемого в окружающем пространстве единицей объёма постоянного магнита, может быть выражена через магнитную индукцию Вм и напряжённости поля Нм в рабочей точке по формуле:
Вш
гм = \Нм ЛВм =
0
1 Вм В2
— Г Вм йВм = -^ = НМВМ/ 2. М0 0 2^0
(1)
Максимальное значение удельной магнитной энергии ^Мтах или пропорциональное ей часто используемое на практике максимальное произведение (ВН)тах является важнейшим параметром магнитотвёрдых материалов, поскольку, в конечном счётё, при конструировании оптимальной магнитной системы определяют объём материала, необходимого для создания заданной интенсивности и топографии магнитного поля в заданном объёме пространства.
Диапазон изменения максимальной удельной магнитной энергии применяемых в настоящее время магнитотвёрдых материалов весьма широк: от 1 кДж/м3 для хромистых сталей до 80 кДж/м3 для интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными элементами и даже более 128 кДж/м3 для некоторых лабораторных образцов этих же соединений.
Существуют различные классификации магнитотвёрдых материалов. Наиболее целесо-
образной является классификация, предложенная С.В. Вон-совским, в основе которой лежат различия в химическом составе, природе высококоэрцитивного состояния и технология изготовления. В соответствии с этой классификацией магнитотвёрдые материалы делятся на девять основных групп. Следует отметить, что шесть из них вследствие невысоких магнитных, физических, а также технологических характеристик
применять в магнитных ловителях бурового инструмента нерационально. Рассмотрим
оставшиеся три группы магнитотвёрдых материалов.
1. Диффузно-твердеющие
сплавы на основе системы Бе-№-А1, с добавками Со, Си и др. Принципиальное отличие состоит в том, что в этих сплавах основную роль играет анизотропия формы выделений сильно магнитной фазы. Сплавы типа ЮНДК обладают высокими магнитными свойствами, которые достигаются не только за счёт высокого легирования сплава дефицитными металлами (N1, Со, Т1, №), но и специальной термической обработкой, обеспечивающей структурную и наведённую магнитную анизотропию. Сплавы системы Бе-№-А1-Со (ЮНДК) имеют свойства намного выше применяемых ранее материалов. Из сплавов, нормированных ГОСТ 1780972, наиболее высокие магнитные свойства имеет сплав ЮНДК35Т5АА: остаточная индукция ВГ=1.05Т; коэрцитивная сила по магнитной индукции Нс=118 кА/м ; максимальная магнитная энергия Штах =40 кДж/м3. В магнитных ловителях типа ФМ по ОСТ 26-161606-78 применяются магниты ЮН14ДК25БА. Известно, что индукция на полюсах при опти-
мальных размерах системы с литыми магнитами не может превышать 1,2 Т, что обеспечивает удельную силу притяжения в пределах 6,0-6,5 кг/см2. Недостатком сплавов ЮНДК является также их высокая стоимость и дефицитность
исходных материалов.
2. Магнитотвёрдые ферриты бария (ВаО)бРе203, стронция 8г06Ре203 и кобальта Со0. Бе203 обладают высокой константной магнитокристаллической анизотропии. Марки и свойства ферритов бария и стронция определяются и контролируются в жёстко регламентируемых условиях согласно ГОСТ 24063-80 «Ферриты магнитотвёрдые. Марки и основные параметры» и ОСТ 11 707.023-81 «Ферриты магнитотвёрдые прецизионные. Марки и основные параметры».
В нашей стране и за рубежом наиболее распространены оксидно-бариевые магниты. Эти магниты имеют ряд преимуществ перед литыми и поэтому рассматриваются нами как прогрессивный и основной вид постоянных магнитов для применения в магнитных ловителях бурового инструмента. Наилучшими магнитными свойствами обладают анизотропные феррито-бариевые магниты 22БА220, 22БА190 и 28БА190. Остаточная индукция магнитов Вг находится в пределах 0,360,39 Т, коэрцитивная сила Нс -185-215 кА/м, магнитная энергия Жтах - 11,0-14,0 кДж/м3.
Благодаря высокой коэрцитивной силе Нс ферритовые магниты всех марок устойчивы против размагничивающего действия постоянных и переменных внешних магнитных полей напряжённостью до 10 кА/м, что даёт возможность
Горные машины и комплексы
27
намагничивать ферритовые магниты отдельно до сборки магнитной системы. Это позволяет разрабатывать любые компоновки магнитных систем, не ограничиваясь возможностью их намагничивания. Таким образом, применение ферритовых магнитов вносит принципиальное отличие в конструкцию магнитных ловителей, а также в методику их расчёта.
Ферриты бария и стронция обладают структурной стабильностью неограниченное время. Они сохраняют магнитные параметры при эксплуатации и хранении по ГОСТ 24063-80 в течение не менее 10 лет. К концу срока эксплуатации (или хранения) изменение остаточной индукции Вг, коэрцитивной силы по индукции Нсв и намагниченности Нсм, энергии Жтах намагниченных ферритовых магнитов практически отсутствует (не превышает 0,5 %). Ферриты сохраняют магнитные параметры в процессе и после воздействия следующих факторов: вибраций в диапазоне частот от 5 до 2500 Гц с ускорением до 200 м/с2; многократных ударов с ускорением до 1500 м/с2; одиночных ударов с ускорением до 500 м/с2 вплоть до разрушения магнитов; повышенной влажности воздуха до 98 % при температуре 350С. При нагревании магнитных систем с ферритовыми магнитами до 3000 С необратимых изменений намагниченности не происходит. Температурный коэффициент остаточной индукции составляет -210-3С-1 в интервале температур -70...+200°С. Температура Кюри - 4500 С. Ферри-товые магниты имеют достаточную механическую прочность и твёрдость (ИЯС 45-55; по Шору - 70).
Ферритовые магниты, будучи помещёнными в магнитную систему, создают весьма выгодную, с точки зрения магнитных свойств, конструкцию, способную создать в рабочем зазоре индукцию, значительно превышающую по величине индук-
цию литых магнитов. Иными словами, магнитные системы с ферритовыми магнитами способны трансформировать магнитную индукцию.
3. Сплавы металлов группы железа с редкоземельными металлами (8шСо5, 8ш2(Со,Ре)п, Ш^е^ и др.), представляющие собой интерметаллические соединения с исключительно высокой кристаллографической анизотропией с полями анизотропии напряжённостью
2,4.23,2 МА/м. В настоящее время промышленностью выпускаются четыре марки спечённых магнитотвёрдых материалов на основе соединений Со с 8ш и Рг по ГОСТ 21559-76 (8шСо5 наиболее технологичный из них).
Редкоземельные магниты обладают весьма высокими магнитными характеристиками и применяются в настоящее время в основном в космической и авиационной технике. Постоянные магниты марки КСП37А имеют остаточную магнитную индукцию Вг =0.9Т коэрцитивную силу по магнитной индукции Нсв =500 кА/м. Удельная магнитная энергия в 5-6 раз превышает удельную энергию ферритовых магнитов и достигает 72 кДж/м3. Наивысший уровень магнитных свойств получен японскими исследователями. По данным фирмы «Синецу индастри» в материале 8ш (Со0,8 Си0,м Ре0,06)7 марки «Реренет» по-
лучено значение максимальной магнитной энергии Жтах =108 кДж/м3 . В лабораторных условиях на овоидных монокристаллах 8шСо5 достигнуто значение Нсв > 2400 кА/м , ^тах >160 кДж/м3 . Однако, малые размеры монокристаллов ограничивают возможности их применения. Температурный
коэффициент индукции насыщения редкоземельных магнитов мал и составляет -0,03...-
0,0510-3 С-1 при температурах до 3000 С. Температура Кюри для сплава 8шСо5 - 7240 С.
Препятствие к широкому промышленному применению редкоземельных магнитов в их высокой стоимости, которая, однако, постоянно снижается по мере совершенствования технологии изготовления постоянных магнитов, в частности, за счёт замены чистого редкоземельного элемента их смесью, так называемым мишметаллом, обогащённым одним из элементов.
Высокая энергоёмкость, очень большие значения коэрцитивной силы, способность работать в больших размагничивающих полях, независимость магнитных параметров от статических и динамических нагрузок позволяют применять их в любых условиях и создают предпосылки для разработки новых конструкций магнитных ловителей бурового инструмента с весьма высокими силовыми и магнитными параметрами.
Для оценки качества магнитотвёрдого материала О.Ю. Пя-тиным [2] предложен критерий добротности как максимум произведения ЯэЯсп:
Kg = Нэ Ксп )тах = ^
= (Наппр • ВН12)тах
где Яэ=ВН/2 - ресурс удельной энергии; Яст=Нст.„р - ресурс стабильности, характеризующий предельно-допустимое значение внешнего размагничивающего поля, не вызывающее необратимой потери потока.
Обозначив через Вм и Нм координаты рабочей точки магнита, коэффициент магнитного возврата через Кв, и учитывая, что кривая размагничивания определяется как Вм =/(Нм) , получим:
Kg = {КэКсп )тах =
= |Н2м [/{Нм )+НмКв ]1
^ ^ тах
(3)
Максимум правой части можно найти аналитически, используя аппроксимирующую формулу кривой размагничива-
РЗ КСП37А '
феррит 28БАІ90- ""г:Г^ ’’’ . — —■
литой сплав ЮНДК ' 35Т5АА литой сплав ' ЮНІ4ДК24 :/ 1 1 1 / абсолютные значения относительные значения
20 40 60 80 Кд
0 5 10 15 20 ГДж/м4
Критерии добротности основных магнитотвёрдых материалов
ния. Значения критерия доброт- сокой магнитной проницаемо-
ности основных магнитотвёр- стью в средних и сильных полях
дых материалов приведены в диаграмме, откуда следует, что критерии добротности ферритобариевых магнитов лишь не намного меньше, чем литых. Однако, как показано выше, ферритовые магниты обладают рядом преимуществ перед литыми материалами. Добротность же редкоземельных магнитов в 20 раз выше, чем у ферритов.
В результате проведённого анализа по основным параметрам делаем вывод о том, что в магнитных системах ловителей бурового инструмента следует использовать ферритовые и редкоземельные магниты.
Для изготовления магнито-проводов применяются следующие ферромагнитные материалы: технически чистое железо, качественная углеродистая сталь, серый чугун, электротехническая кремнистая сталь, железоникелевые сплавы, железокобальтовые сплавы и др.
Свойства магнитомягких материалов регламентируются ГОСТами 17809-72 и 13601-68. Магнитомягкие материалы, используемые в магнитных системах, должны обладать высокой индукцией насыщения Вн , вы-
[Лм, низкой коэрцитивной силой Нс . Поскольку магнитопрово-ды часто одновременно выполняют роль корпусных и других деталей, несущих нагрузки, то при выборе материалов для их изготовления следует учитывать как магнитные, так и прочностные и технологические характеристики. Всем требованиям удовлетворяют качественные углеродистые стали, из которых для изготовления магнитопро-водов наиболее подходящими являются стали марок СТ.3 и СТ.20 по ГОСТ 11036-75 и ТУ 14-1-233-77 с содержанием углерода от 0,07 до 0,35 %. Они имеют хорошие технологические и механические свойства (твёрдость по Бринеллю Нв=210/120, предел прочности <Гв=100/ 55 кг/мм2 , предел текучести <Гг=100/ 15 кг/мм2), значительную индукцию насыщения Вн (до 2.15 Т), малую коэрцитивную силу Нв (до 110А/м), магнитную проницаемость /Лм =2000-4000. Углеродистые стали широко выпускаются промышленностью в виде прямоугольных, круглых и других сечений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Из всех известных в настоящее время магнитомягких материалов наилучшими магнитными свойствами обладают железокобальтовые сплавы (прецизионные магнитомягкие сплавы пермендюр, супермен-дюр, фимакс и др.) В них достигается минимальное значение константы магнитострикции и, следовательно, максимальное значение магнитной проницаемости /Лм.
Магнитный сплав пермендюр 49К2Ф (Со -5 %, Бе - 48,2 %, V - 1,8 %) имеет индукцию насыщения Вн более 2,4 Т, коэрцитивную силу Нс =100 А/м , магнитную проницаемость Лм =4500, температуру Кюри 9800 С. Преимущества пермендюра перед другими магнитомягкими материалами становятся ощутимыми, начиная с индукции 1,4 Т. Так, при величине индукции 1,8 Т проницаемость пер-мендюра больше проницаемости углеродистой стали приблизительно в 40 раз. Препятствием к широкому использованию пермендюра служит высокая стоимость и дефицитность кобальта.
При изготовлении немагнитных деталей ловителей используются латуни, бронзы и нержавеющие стали аустенит-ного класса. Сравнительно высокие механические свойства этих материалов увеличивают общую прочность магнитного ловителя. Заливка свободного пространства между магнитами и магнитопроводами производится силумином, а также эпоксидными смолами (ЭД-5, ЭД-6 и др.), удачно сочетающими физико-механические и технологические свойства.
1. Вонсовский С.В. Магнетизм. - М: Наука, 1973. - 1032 с.
2. Постоянные магниты: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. - М.: Энергия, 1980. - 486 с. □ Автор статьи:
Кобылянский Михаил Трофимович
- докт. техн. наук, проф., зав. каф. начер-
тательной геометрии и графики
