CC BY
95
^ЛЛООБРАБОШ
СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ_РиЦуУ
УДК 610785.54
Исследование причин разрушения индукционных нагревателей в напряженных условиях работы
Н. В. Зимин
Ключевые слова: дефект, индукционный нагрев, медь, примесь, стойкость индуктора.
Введение
Как показывает опыт Всероссийского научно-исследовательского института токов высокой частоты им. В. П. Вологдина (ВНИИТВЧ) и предприятий, сотрудничающих с ним, примерно 7 % индукционных нагревателей испытывают в процессе работы такие нагрузки, которые быстро приводят к разрушению их рабочих поверхностей вследствие возникновения на последних усталостных трещин. К напряженным (экстремальным) условиям работы индукторов можно отнести:
• нагрев с очень высокими удельными мощностями;
• циклический нагрев с большими перепадами температур;
• высокотемпературный нагрев, чередующийся с резким охлаждением рабочих поверхностей индукторов;
• нагрев индукторами сложной конфигурации;
• нагрев в условиях затрудненного тепло-отвода из индукторов (по их конструктивным особенностям);
• нагрев при малых зазорах между индуктором и обрабатываемой поверхностью изделия (менее 1 мм).
В работе проанализированы возможные причины разрушения нагревателей в подобных условиях на основе имеющихся во ВНИИТВЧ исследовательских и производственных данных; также использованы сведения, представленные в технической литературе и ряд собственных разработок. Исследование не охватывает всех возможных причин разрушения нагревателей, но позволяет в значительной степени повысить надежность эксплуатации многих нагревателей в экстремальных условиях работы и продлить срок их службы.
Определена группа факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на работоспособность медных индукторов как в обычных,
так и, особенно, в напряженных условиях, и проанализировано их влияние. К числу таковых относятся:
• исходное состояние материала (меди) индукторов: состав, структура, дефекты внутреннего строения;
• состояние рабочей поверхности готовых индукторов;
• температура нагрева рабочей поверхности индукторов в процессе их эксплуатации;
• условия теплоотвода из индукторов в процессе их эксплуатации;
• воздействие окружающей среды в рабочей зоне индукторов;
• пригодность защитных покрытий рабочей поверхности индукторов.
Исходное состояние материала (меди) индукторов: состав, структура, дефекты внутреннего строения
Состав
В нашей стране в заводской практике для изготовления индукторов обычно используется медь марок М1 и М2 (ГОСТ 859-66). В этих марках содержание меди составляет 99,9 и 99,7 %, соответственно, остальное — примеси (см. таблицу):
Химический состав меди по ГОСТу 859—66, %
Химический состав Марка меди
МО М1 М2 М3
Си 99,95 99,90 99,70 99,50
Вi 0,001 0,001 0,002 0,003
РЬ 0,004 0,005 0,010 0,050
Fе 0,004 0,005 0,050 0,050
Sb 0,002 0,005 0,005 0,050
Аs 0,002 0,002 0,010 0,050
S 0,002 0,002 0,050 0,050
F 0,004 0,005 0,010 0,010
Р 0,002 0,040 0,040 0,040
Ag 0,003 0,003 - -
О 0,020 0,050 0,070 0,008
Все приведенные в таблице элементы оказывают то или иное воздействие на физические и механические свойства меди. Наиболее важными для нормальной работы индукторов являются прочностные и пластические свойства меди, а также ее электропроводность и теплопроводность. Значительное влияние на свойства меди оказывают следующие примеси: железо ^е), мышьяк (Аs), сурьма ^Ь), сера фосфор (Р), висмут (ВЦ, свинец (РЬ) и кислород (О).
Железо образует с медью твердый раствор, но растворимость его мала. Тем не менее оно ощутимо размельчает структуру меди, задерживает рекристаллизацию, повышает прочность и пластичность меди. Под воздействием железа электропроводность и теплопроводность меди резко снижаются. Как показали исследования, все эти явления возникают уже при содержании железа около 0,05 % и становятся критическими, когда последняя величина достигает 0,15-0,20 %. И хотя в марках меди, обычно применяемых для изготовления индукторов, содержание железа значительно меньше опасных значений, следует иметь в виду, что если нагреватели, работающие в напряженных режимах, неожиданно вышли из строя, то нельзя исключать возможности отрицательного воздействия железа, легко попадающего в медь при плавке и разливке в изложницы.
Мышьяк хорошо растворим в меди и в малых количествах (до 0,05 %) почти не влияет на ее механические свойства, но сильно снижает ее электропроводность и теплопроводность (даже при содержании 0,01 %). Если количество мышьяка в меди составляет около 0,20 %, то при кристаллизации из расплава он резко снижает однородность образующейся структуры, повышает температуру рекристаллизации меди и ухудшает механические свойства последней, особенно в условиях высокой степени деформации изготавливаемого из нее изделия.
Сурьма также достаточно хорошо растворяется в меди. При содержании сурьмы около 0,2 % пластичность меди резко снижается, что особенно заметно сказывается при деформации волочением. Электропроводность и теплопроводность меди сильно зависят от растворенной в ней сурьме. При изготовлении индукторов, особенно ответственного назначения, следует отказаться от использования меди, в которой содержится более 0,002 % сурьмы.
Сера попадает в медь в результате взаимодействия расплава с сернистым газом, всегда присутствующим при плавке меди: 6Си + 5О2 < < 2Си2О + Си25. При кристаллизации
сернистая медь (С^5) и закись меди (С^О) располагаются по границам зерен меди в виде тонкой сетки включений, что влияет на пла-стинчатость меди. Содержание серы около 0,01 % приводит к ощутимому снижению пластичности меди.
Фосфор слабо растворим в меди. Он положительно влияет на механические свойства меди, особенно на ее пластичность. Содержание фосфора более 0,05 % снижает электропроводность меди более чем на 25,00 %.
Все вышеизложенное свидетельствует о том, что в тех случаях, когда содержание Fе, Аs, Sb, S, Р не превышает соответствующих значений, указанных в сертификатах марок меди (используемых для изготовления нагревателей индукторов, проводников тока), их влияние на механические и физические свойства изделий незначительно. Однако если работа нагревателей в экстремальных режимах неудовлетворительна или они разрушены, необходимо тщательно проанализировать материал на наличие в нем повышенного содержания этих элементов.
С точки зрения механической прочности меди наибольшую опасность представляют висмут, свинец и кислород. Их влияние их на электропроводность и теплопроводность меди незначительно, и им можно пренебречь, но их роль в разрушении нагревателей, работающих в напряженных режимах, весьма велика.
Висмут и свинец являются аналогами по своему физико-химическому взаимодействию с медью, они практически нерастворимы в ней и не образуют химических соединений или твердых растворов. Данные вещества всегда присутствуют в медной шихте, попадают в расплав, при кристаллизации меди выделяются по границам зерен, при последующей обработке заготовок (горячей деформации слитка, волочении, отжиге, деформации при изготовлении индукторов) могут привести к межзеренному охрупчиванию и хладноломкости материала. Содержание этих элементов в меди марок М1 и М2 очень мало и в обычных условиях работы не является опасным, но при наличии многократного высокотемпературного нагрева рабочей поверхности индуктора происходит их диффузия в дефектные участки границ зерен, в последних возникают внутренние надрывы, приводящие к появлению сначала внутренних, а затем и поверхностных трещин. Этому процессу способствует и наличие в меди дефектов внутреннего строения, образующихся при затвердевании слитков и сохраняющихся при последующей обработке полуфабриката.
Для оценки степени повышенного влияния висмута и свинца на стойкость индукторов, работающих в напряженных режимах, была разработана специальная методика, позволяющая получить качественный, но вполне достоверный результат. Суть ее заключается в том, что медный образец, являющийся элементом индуктора, подвергают многократным нагревам до различных температур, нагревы чередуются с охлаждением, и после каждого нагрева анализируют состояние поверхности образца микроскопическим путем. Появление первой поверхностной трещины принимают за предел стойкости индуктора п. Эта методика использовалась во всех последующих экспериментах.
За минимальную температуру разогрева медного образца была принята температура 200 °С, в условиях более низкой температуры стойкость поверхности оказывается весьма высокой. Далее мы будем называть исследуемые медные образцы рабочими стенками индукторов.
Исследовалась медь с суммарным содержанием висмута и свинца 0,005; 0,050 и 0,100 % и одинаковым количеством остальных элементов. Как показано на рис. 1, если суммарное содержание висмута и свинца не превышает 0,005 %, то при многократном разогреве индукторов до 350 и 500 °С их стойкость снижается в два и четыре раза соответственно. Разогрев рабочих стенок выше 700 °С практически сводит их стойкость к нулевой.
Увеличение содержание висмута и свинца до 0,05 % снижает не только исходную стойкость (при 200 °С), но и стойкость при всех других температурах разогрева. При этом уже разогрев до 300 °С приводит к снижению
п
80-
60-
40-
20-
0
100 200 300 400 500 600 700 800 Т> °С
Рис. 1. Стойкость индукторов n в зависимости от температуры разогрева их рабочих стенок при различном содержании свинца и висмута в меди:
1 — 0,005 %; 2 — 0,05 %; 3 — 0,10 %; n — количество нагревов одинаковой продолжительности до появления первой трещины на рабочей поверхности индуктора;, тд — продолжительность нагрева, тд = 60 с
стойкости индуктора более чем вдвое. Однако если разогрев превышает 400 °С, снижение стойкости резко тормозится, и до 550 °С она почти не снижается. Тот же эффект наблюдается и при увеличении содержания висмута и свинца до 0,1 % (хотя и на более низком уровне значений). Объясняется это тем, что в данном температурном интервале свинец и висмут вступают во взаимодействие с кислородом, имеющимся в меди (см. далее), образуя оксиды, и их отрицательное влияние несколько замедляется. Когда температура разогрева выше 600 °С, оксиды висмута и свинца способствуют образованию и развитию трещин в меди.
Таким образом, для поддержания высокой надежности индукторов, работающих в напряженных режимах, необходимо не допускать разогрева их рабочих стенок выше 400 °С (медь с суммарным содержанием висмута и свинца менее 0,005 %). Если индукторы изготовлены из меди с повышенным суммарным содержанием висмута и свинца, то их разогрев в процессе работы не должен превышать 250-300 °С.
Кислород слабо растворим в меди в твердом состоянии. При кристаллизации меди он обычно выделяется в виде эвтектики Си-СиО (медь — закись меди) по границам зерен и иногда сохраняется в свободном виде в дефектах строения меди (порах, пузырях, надрывах). При комнатной температуре кислород заметно понижает пластичность и коррозионную стойкость меди, затрудняет процессы пайки, сварки, лужения и плакировки. При повышенных температурах он способствует развитию трещин по границам зерен меди, ибо эвтектика «медь — закись меди» является концентратором напряжений.
В меди, обычно используемой для изготовления индукторов, содержание кислорода не превышает 0,07 %. При нагреве меди, особенно в атмосфере, насыщенной водяным паром, кислород довольно активно проникает в медь. Диффузия кислорода в медь становится заметной уже при 400 °С. Если же разогрев меди повторяется многократно, диффузия кислорода ускоряется. В результате резко возрастает опасность образования трещин по границам зерен, их слияния и выхода на рабочую поверхность индуктора.
На рис. 2 показано влияние содержания кислорода на стойкость индукторов из меди марки близкой к М1 (по содержанию остальных элементов). Если содержание кислорода не превышает 0,07 %, индуктор обладает высокой стойкостью до 300 °С, но уже при 400 °С стойкость катастрофически снижается (более чем вдвое). Разогрев до более
Рис. 2. Стойкость индукторов п в зависимости от температуры разогрева их рабочих стенок при различном содержании кислорода в меди: 1 — 0,07 %; 2 — 0,15 %. Параметры нагрева и охлаждения те же, что и на рис. 1
высоких температур приводит к некоторому замедлению падения стойкости индукторов за счет взаимодействия кислорода меди с другими элементами (железом, висмутом, свинцом). Однако уже к 700 °С стойкость индукторов оказывается практически нулевой.
В условиях, когда содержание кислорода в меди находится на уровне 0,15 %, стойкость индукторов при разогреве даже до 200 °С заметно снижается, а при 300 °С она становится более чем вдвое меньшей, чем у индукторов из меди с содержанием кислорода около 0,07 %. Разогрев индукторов до 600 °С делает стойкость их практически нулевой.
Таким образом, для поддержания высокой стойкости работающих в напряженных режимах индукторов из меди, содержащей не более 0,07 % кислорода, необходимо не допускать разогрева их рабочих стенок выше 300 °С. Если же речь идет о марке меди, предлагаемой для изготовления индукторов и содержащей большее количество кислорода (более 0,1 %), следует отказаться от ее использования, так как стойкость таких индукторов будет весьма невысокой.
Структура
Материал (медь), из которого изготавливаются практически все нагревательные элементы высокочастотных установок, должен быть однородным по составу и, что важно, достаточно пластичным. Поскольку наибольшей пластичностью обладает медь, прошедшая полный рекристаллизационный отжиг, заготовки для индукторов следует предварительно подвергнуть отжигу.
Рекристаллизацией называется процесс возникновения и движения зерен с большими углами или, говоря проще, процесс
образования и роста зерен с достаточно высокой степенью однородности и равновесности. Процесс рекристаллизации состоит из нескольких стадий, зависящих от температуры и времени протекания. Это следующие стадии:
• отдых;
• первичная рекристаллизация;
• собирательная рекристаллизация;
• вторичная рекристаллизация.
Отдых, или возврат, — стадия снятия искажений внутри и по границам исходных зерен меди, обусловленных предварительным воздействием на медную заготовку. Температура отдыха для меди зависит от исходного состояния ее структуры и колеблется от 30-40 до 100-150 °С.
Первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки, происходит после отдыха. Эта стадия состоит из двух этапов: зарождения (образования) центров новых, рекристаллизационных, зерен и их роста до соприкосновения и заполнения всего объема металла. Данный процесс также зависит от температуры и времени и в обычных условиях нагрева до температур в диапазоне 180-250 °С завершается в течение 10-30 мин.
Собирательная рекристаллизация, или стадия нормального роста зерен, заключается в уменьшении числа образовавшихся на предыдущем этапе зерен и увеличении их среднего размера. Необходимо определенное время для протекания диффузионных процессов слияния мелких зерен в более крупные, при температурах от 250 до 500 °С процесс обычно занимает 30-40 мин.
Вторичная рекристаллизация. Естественно, что чем выше будет температура последующего нагрева и больше его время, тем крупнее будут зерна меди в рекристаллизуемой заготовке для индуктора. Однако при очень длительных нагревах и достаточно высоких температурах может развиться процесс вторичной рекристаллизации или аномального роста зерен. На этой стадии отдельные зерна вырастают до огромных размеров (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Данная стадия рекристаллизации является вредной, так как приводит к возникновению нежелательных напряжений в заготовке и ухудшает ее механические свойства. Следовательно, исходная структура меди в заготовках должна быть равновесной, однородной и достаточно мелкозернистой, чтобы облегчить изготовление индуктора.
Структура меди готового к работе индуктора представляет собой преимущественно зерна разной степени деформации на различных участках его тела, что обусловлено условиями формирования разных зон последнего: можно наблюдать рекристаллизованные зерна
и зерна, деформированные на 5-50 %. Такой разброс по величине и форме зерен не опасен при работе индуктора в нормальных условиях, но совершенно недопустим, если рабочая часть индуктора разогревается в процессе эксплуатации до высоких температур. При наличии подобной исходной структуры разогрев может вызвать рекристаллизацию зерен разных степеней и привести к тому, что в одном материале окажутся зерна, прошедшие только стадию возврата; зерна, подвергшиеся первичной рекристаллизации; зерна после собирательной рекристаллизации и даже вторичной рекристаллизации. Такое разнообразие структур в одном изделии приведет к возникновению на каждом участке различных напряжений и будет способствовать формированию концентраторов напряжений как прообразов будущих трещин. Многократность нагрева индукторов с подобными структурами ускорит процесс образования на их рабочих стенках усталостных трещин.
Для предотвращения их возникновения на рабочих стенках индукторов, имевших разную исходную структуру, необходимо после изготовления подвергать индукторы рекристал-лизационному отжигу на равновесную структуру. Исследования показали, что наилучшие показатели работы в напряженных условиях демонстрируют индукторы, прошедшие отжиг, соответствующий стадии первичной рекристаллизации меди (~300 °С). При этом время нагрева может колебаться от 45 мин до 1,5 ч в зависимости от формы, размеров и объема элементов конструкции индуктора. Желательно проводить отжиг в печи с застойной атмосферой (без принудительного подсоса воздуха) и охлаждать индукторы вместе с печью приблизительно до 150 °С.
Были проведены специальные металлографические исследования структуры меди индукторов, подвергавшихся однократному кратковременному (1-3 с) и длительному (не менее 60 с) нагревам до различных температур и последующему естественному (на воздухе) и принудительному (водяным душем) охлаждению. Кривые на рис. 3 показывают, что первичная рекристаллизация в меди, обычно применяемой для изготовления индукторов и других проводников тока, завершается при температуре разогрева индуктора до 300-350 °С. При этом величина рекристаллизованного зерна сравнительно мало зависит от времени однократного нагрева (в пределах от 1 до 60 с).
При кратковременном нагреве до температур не выше 500 °С нет заметного роста ре-кристаллизованного зерна меди и стадия собирательной рекристаллизации не развивается.
Z, мм
0,18-
0,16-
0,14-
0,12-
0,10-
0,08-
0,06-
0,04-
0,02-
200
400
500
600
800
Т, °С
Рис. 3. Зависимость величины рекристаллизо-ванного зерна меди от температуры однократного нагрева рабочих стенок индукторов при разной продолжительности нагрева и последующего охлаждения:
1, 2 — длительный нагрев (тд = 60 с); 3, 4 — кратковременный нагрев (тк = 1,0 с); 1, 3 — естественное охлаждение (на воздухе); 2, 4 — принудительное охлаждение (водяной душ)
Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению зерна в 3-4 раза, но достаточно мелкозернистая структура все же сохраняется. При этом ускоренное охлаждение индуктора после конца нагрева приводит к сохранению более мелкозернистой структуры меди, чем охлаждение на воздухе. Объяснение указанного явления дано ниже.
При длительном нагреве (60 с и более) процесс собирательной рекристаллизации получает развитие уже при 350-400 °С и при дальнейшем повышении температуры вызывает бурный рост зерна меди, что после достижения 600 °С приводит к увеличению последнего в 8-10 раз по сравнению с первичным зерном. Дальнейший подъем температуры длительного нагрева вызывает аномальный рост отдельных, достаточно многочисленных зерен. Таким образом, становится возможным создание весьма благоприятных условий
0
для развития внутренних трещин в меди. В результате длительного нагрева до температур 350-650 °С с последующим принудительным охлаждением можно получить несколько более мелкое зерно, чем после естественного охлаждения на воздухе, хотя в процентном отношении эта разница существенно меньше зафиксированной в случае кратковременного нагрева. Это объясняется тем, что стадия собирательной рекристаллизации в меди протекает в течение некоторого времени и после прекращения нагрева и происходит тем полнее, чем медленнее идет остывание металла. Данный процесс не зависит от скорости нагрева, однако при кратковременных нагревах он оказывается более заметным вследствие того, что после такого нагрева получается более мелкое зерно. Однако при длительных нагревах до температур, превышающих 650 °С, стадия собирательной рекристаллизации сменяется стадией вторичной рекристаллизации и роль последующего охлаждения становится несущественной.
Таким образом, для повышения стойкости индукторов, работающих в напряженных режимах, необходимо, чтобы структура меди была достаточно равновесной, однородной и мелкозернистой, в ней отсутствовали зоны повышенной напряженности (структура деформации, структура аномально больших зерен). Наиболее надежным способом получения подобной структуры является проведение процесса первичной рекристаллизации с элементами развития стадии собирательной рекристаллизации. Применительно к меди марок, используемых для изготовления проводников тока, это соответствует нагреву всей готовой конструкции индуктора до температур 280-320 °С.
Дефекты внутреннего строения
При кристаллизации меди из расплава и последующей раскатке слитков для получения различных видов полуфабриката (прутка, листа, проволоки, ленты, трубы) в металле заготовок образуются различные дефекты, возникающие при литье: поры, раковины, расслои, рыхлоты, плены, включения инородных материалов (из флюса, из изложницы, из окружающей среды). Все эти дефекты строения могут оказаться в металле конструкции нагревателя и стать концентраторами напряжений в рабочих участках индуктора благодаря физическому, химическому и механическому отличию от основного металла.
Установить наличие этих дефектов в металле индуктора достаточно сложно, существующие
методы контроля (дефектоскопы) дороги и трудоемки. Однако если индуктор используется в установке очень ответственного назначения, то воспользоваться подобным методом просто необходимо. Опыт эксплуатации индукторов, работающих в напряженных режимах, во ВНИИТВЧ и сотрудничающих с ним организациях свидетельствует о том, что из-за дефектов внутреннего строения металла преждевременно выходит из строя каждый седьмой индуктор.
Состояние рабочей поверхности готовых индукторов
Рабочие поверхности индукторов, работающих в напряженных режимах, должны быть чистыми, ровными, без вмятин, утолщений, наслоений инородного материала, поскольку все это ощутимо влияет на их стойкость. Особое внимание необходимо обратить на отсутствие глубоких царапин, порезов, заусенцев на этих поверхностях, так как они являются концентраторами напряжений и в их основании легко зарождаются трещины, быстро распространяющиеся вглубь рабочей поверхности индуктора.
Желательно, чтобы рабочая поверхность индуктора была покрыта тонким слоем закиси меди толщиной 20-30 мкм, поскольку подобный слой обеспечивает достаточно прочное соединение с медью и хорошо сопротивляется проникновению в нее газов из окружающей среды. Именно такое покрытие образуется на поверхности индукторов после рекри-сталлизационного отжига при 300-350 °С.
Что касается хранения индукторов, работающих в напряженных режимах, то необходимо учитывать возможность коррозии их поверхности под действием окружающей среды. Сама медь весьма устойчива к атмосферной коррозии вследствие образования на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей в основном из серномедной соли [Си5О4 • ЗСи(ОН)2]. В процессе изготовления индукторов эта пленка частично разрушается, а после восстановительного рекристаллизаци-онного отжига при 300°С совместно с образующейся пленкой закиси меди создает достаточно надежный защитный слой, способный сопротивляться даже среде, содержащей незначительные количества аммиака, сероводорода и хлоридов. Однако если концентрация этих газов в помещении для хранения индукторов и на рабочем участке повышена, пленка разрушается и медь начинает корродировать. По тем же самым причинам не следует долго держать индукторы во влажных
СТАНКИ И ОБОРУДОВАНИЕ
МЕТ^^БРД^К)!
и загазованных помещениях.
При хранении индукторов нельзя допускать их контакта с другими индукторами не только из-за возможности механического повреждения рабочих поверхностей, но и из-за опасности химического взаимодействия меди с некоторыми элементами контактирующих изделий (например, алюминием, цинком, железом). Недопустимо, чтобы рабочие поверхности хранящихся индукторов испытывали напряжения как от собственного веса, так и от веса наваленных на них других изделий, поскольку это может вызвать деформацию этих участков индукторов, возникновение в структуре меди нежелательных напряжений второго и третьего рода и их неблагоприятное влияние на медь при работе индукторов в напряженных режимах. Таким образом, для обеспечения высокой стойкости индукторов, работающих в напряженных режимах, необходимо особенно тщательно соблюдать правила их хранения, эксплуатации и обращения с ними при транспортировке, монтаже и демонтаже.
При изготовлении индукторов очень часто используется пайка элементов конструкции и нередко паяные соединения оказываются на рабочей поверхности индукторов. Поскольку паяное соединение само по себе является дефектным элементом конструкции, в индукторах, работающих в напряженном режиме, оно особенно опасно (тем более в рабочих зонах). На границах припоя с медной основой создается потенциал, который при многократных разогревах рабочей поверхности индуктора, чередующихся с охлаждением разной интенсивности, приводит к появлению большого числа точечных раковин, быстро распространяющихся вглубь рабочей зоны индуктора и в сочетании с внутренними дефектами приводящих к образованию глубоких трещин.
Кроме того, неизбежная дефектность паяного соединения нередко становится причиной ускоренного разрушения рабочей поверхности индуктора в местах пайки. Надежность паяного соединения и степень его дефектности в конструкции индуктора зависят от состава припая и условий его нанесения на рабочую поверхность индуктора. Все эти факторы исследованы мало, однако общая тенденция сводится к тому, что чем выше температура плавления припоя, тем опаснее его применение для пайки рабочих участков индукторов, работающих в напряженных режимах. Низкотемпературные припои вообще непригодны для пайки подобных индукторов. Тем не менее в России наиболее широко применяются припои марок: ПМц 48, ПМц 54, ПМц ФЖ, ПМФОир, имеющие температуру плавления от 680 до 880°С.
Температура нагрева рабочей поверхности индукторов в процессе их эксплуатации
Наиболее ощутимое влияние на стойкость индукторов оказывает температура нагрева их рабочей поверхности в процессе эксплуатации. Изучалось влияние температуры в диапазоне от 100 до 800 °С, продолжительности ее однократного воздействия (от нескольких секунд до нескольких минут), цикличности подобного нагрева, а также условий охлаждения рабочей поверхности индукторов после каждого нагрева.
Было установлено, что стойкость меди индуктора в зависимости от температуры определяется совокупностью физико-химических процессов, происходящих в ее структуре. К их числу относятся отдых и рекристаллизация, взаимодействие структурных составляющих, определяемых по химическому составу, по границам и внутри зерен с включениями, порами и другими дефектами строения, диффузией О2, Н2О и Н2 с поверхности вглубь металла; химические реакции между ними и структурными составляющими меди (2Си + Н2О <= Си2О + Н2).
Оказалось, что стойкость меди индуктора достаточно высока при длительных нагревах до температур не выше 300°С (несколько минут за один нагрев). При этом количество таких нагревов зависит от интенсивности и продолжительности охлаждения после каждого нагрева.
Как уже отмечалось, до достижения этих температур в структуре меди не развивается интенсивный процесс собирательной рекристаллизации (рекристаллизация обработки), зерно не вырастает до больших размеров, и границы зерен остаются вполне устойчивыми и не сильно загрязненными, то есть не происходит нарушения межзерен-ной сплошности, а значит, и разрушения металла.
При температурах, превышающих 400500 °С, становится возможным интенсивное увеличение более крупных зерен в структуре меди за счет поглощения более мелких, аномальный (гипертрофированный) рост отдельных зерен (стадия вторичной рекристаллизации), создаются благоприятные условия для преимущественного загрязнения отдельных границ, появления межзеренных микротрещин, их слияния в макротрещины и выхода на рабочую поверхность индуктора.
В этих условиях становится особенно опасным появление на поверхности нагретой зоны индуктора водяного пара (например, за счет
n 8060-
40-
20-
Т, °С
Рис. 4. Стойкость индукторов п в зависимости от температуры разогрева их рабочих стенок при различной продолжительности одного нагрева и принудительном охлаждении после каждого нагрева:
1 — кратковременный нагрев (тк = 1,0 с); 2 — длительный нагрев (тд = 60 с)
n 8060-
40-
20-
Т, °С
Рис. 5. Стойкость индукторов п в зависимости от температуры разогрева их рабочих стенок при различной продолжительности одного нагрева и естественном охлаждении после каждого нагрева:
1 — кратковременный нагрев (тк = 1,0 с); 2 — длительный нагрев (тд = 60 с)
n 8060-
40-
20-
100 200 300 400 500 600 700 800
Т, °С
Рис. 6. Стойкость индукторов п в зависимости от температуры кратковременного разогрева их рабочих стенок при различных исходных состояниях структуры меди и принудительном охлаждении после каждого нагрева: 1 — предварительно отожженный индуктор; 2 — не отожженный индуктор
испарения воды, охлаждающей индуктор), который, вступая во взаимодействие с медью индуктора и разрушая защитную поверхностную пленку закиси меди, проникает вглубь металла по границам разросшихся зерен, где вступает во взаимодействие с закисью меди в границах зерен, и вновь возникает водяной пар. Возрастает давление внутри границ, разрывающее последние, образуются трещины (так называемая водородная болезнь). Подобная картина особенно отчетливо наблюдается при разогреве рабочей поверхности индуктора выше 700 °С.
Кривые на рис. 4 показывают, что в условиях кратковременного (время тк = 1 с) нагрева до температуры 200-400 °С и ускоренного охлаждения после каждого нагрева стойкость индукторов в 1,5 раза выше стойкости аналогичных индукторов в условиях длительного (время тд = 60 с) нагрева до тех же температур и ускоренного охлаждения. Независимо от времени однократного нагрева его температура выше 600 °С сводит практически на нет стойкость этих индукторов.
Подобная зависимость стойкости индукторов от температуры разогрева сохраняется и при применении естественного (воздушного) охлаждения после каждого нагрева (рис. 5). Однако в данном случае наблюдается несколько большая стойкость до температур нагрева 600-650 °С (примерно в 2-3 раза).
При проведении этих экспериментов было установлено, что состояние исходной структуры меди индукторов в условиях неоднократно повторяющихся нагревов (в отожженном или не отожженном состоянии) оказывает влияние на их стойкость только в случаях кратковременных нагревов и ускоренного охлаждения после каждого из них. Как показывают кривые на рис. 6, в интервале температур разогрева 200-400 °С стойкость индукторов, предварительно отожженных при 300 °С, оказывается выше, чем у не отожженных, приблизительно в 1,30-1,25 раза.
Таким образом, можно утверждать, что достаточно высокая стойкость индукторов, работающих в напряженных режимах, сохраняется при кратковременных разовых разогревах (тк « 1-3 с) до температур, не превышающих 400 °С, и обязательном предварительном отжиге готового индуктора с образованием равновесных структур первичной рекристаллизации с частичным развитием процесса собирательной рекристаллизации (температура отжига Тотж = 280-320 °С) и при длительных разовых разогревах (тд « 60 с) до температур не выше 300 °С и отсутствии жестких требований к исходной структуре меди индукторов.
Условия теплоотвода из индукторов в процессе их эксплуатации
Анализ кривых рис. 3-6 свидетельствует о том, что на стойкость индукторов, работающих в напряженных режимах, действуют не только температура и продолжительность каждого разогрева, весьма существенное влияние оказывает следующее после каждого нагрева охлаждение его рабочих стенок, а именно интенсивность и продолжительность теплоот-вода. Исследовались два варианта охлаждения: интенсивный водяной душ (эквивалентный коэффициент теплоотдачи а « так называемое принудительное охлаждение) и остывание на спокойном воздухе (так называемое естественное охлаждение). Охлаждение продолжалось до тех пор, пока рабочая стенка не приобретала температуру окружающей среды.
Кривые на рис. 7 показывают, что в условиях длительного нагрева разогрев индукторов до температуры 200-400 °С и последующее принудительное охлаждение его рабочих стенок приводят к снижению стойкости в 1,30-1,25 раза по сравнению со стойкостью индукторов, подвергавшихся естественному охлаждению после каждого нагрева. Разогрев до температур 500-700 °С в сочетании с теми же условиями охлаждения снижает стойкость более чем в 1,8 раза и уже температура 650 °С является критической для индукторов, интенсивно охлаждаемых после такого разогрева.
В условиях кратковременного нагрева (рис. 8) разогрев рабочих стенок индукторов до температур 200-400 °С и последующее принудительное охлаждение снижают стойкость индукторов во столько же раз, сколько зафиксировано после длительного нагрева
п
80-
60-
40-
20-
100 200 300 400 500 600 700 800
Т, °С
Рис. 7. Стойкость индукторов п в зависимости от температуры кратковременного разогрева их рабочих стенок при различных условиях последующего охлаждения:
1 — естественное охлаждение после каждого нагрева;
2 — принудительное охлаждение после каждого нагрева
п 806040200
100 200 300 400 500 600 700 800
Т, °С
Рис. 8. Стойкость индукторов п в зависимости от температуры длительного разогрева их рабочих стенок при различных условиях последующего охлаждения:
1 — естественное охлаждение после каждого нагрева;
2 — принудительное охлаждение после каждого нагрева
(см. рис. 7). Зато в интервале температур разогрева 500-700 °С снижение стойкости индукторов, подвергающихся интенсивному охлаждению, оказывается меньше в 1,25-1,20 раза по сравнению со аналогичным параметром индукторов, охлажденных в естественных условиях. Данный анализ позволяет предположить, что уменьшение продолжительности разогрева рабочей стенки индуктора снижает опасность интенсификации охлаждения после каждого нагрева, в ряде случаев это может оказаться существенным.
В целом следует сказать, что если нагреватель работает как индуктор-спрейер (например, закалочный индуктор) и после кратковременного или длительного нагрева интенсивно охлаждается подаваемой в него жидкостью, его стойкость обязательно будет снижаться за счет резкой смены температур в нем при каждом разогреве и развития процессов водородо- и парообразования по всей глубине рабочей стенки индуктора. Поэтому даже если удается предотвратить разогрев тела индуктора увеличением его массы и интенсификацией теплоотвода из его внутренних слоев, рабочая поверхность спрейера очень быстро покрывается сетью мелких трещин, располагающихся по радиусу отверстий (для выхода жидкости) и активно распространяющихся вглубь рабочей стенки.
Работа индукционного нагревателя может быть признана нормальной только тогда, когда охлаждающая его вода не кипит и на выходе имеет достаточно низкую температуру. Это возможно лишь в том случае, если температура охлаждаемой водой поверхности рабочей стенки нагревателя не поднимается выше 7080 °С. Поскольку в нагревателях, работающих в напряженных режимах, рабочая поверхность
не должна нагреваться выше 300 °С, следует выбирать толщину стенки рабочей части нагревателя с учетом условия «300 °С снаружи, 80 °С внутри» (при а = 20 000 Вт/м2 • °С). Если невозможно выполнить это условие, в производственной практике нельзя интенсифицировать теплоотвод, недопустимо увеличить толщину стенки из конструктивных соображений, следует либо попытаться нанести какое-либо защитное покрытие на рабочую поверхность нагревателя (об этом будет сказано ниже), либо изменить конструкцию нагревателя и технологию нагрева, либо производить частую замену индукторов.
Таким образом, для повышения стойкости индукторов, работающих в напряженных режимах, нужно обеспечить достаточно интенсивный и стабильный теплоотвод из их рабочих частей. Если эти условия невыполнимы, то разогрев рабочих стенок не должен превышать 300 °С, быть достаточно кратковременным за один нагрев (несколько секунд), а охлаждение после каждого нагрева — как можно менее интенсивным (лучше всего на воздухе).
Следует специально подчеркнуть, что приведенные на рис. 4-8 зависимости стойкости элементов индукторов от температуры разогрева их рабочих стенок носят исключительно качественный характер, поскольку исследования проводились на конкретном материале в определенных условиях нагрева и охлаждения. Однако общую тенденцию влияния различных параметров процесса нагрева и последующего охлаждения они позволяют выявить достаточно надежно, что доказывают многочисленные проанализированные нами случаи выхода из строя индукторов, работающих в тех или иных режимах, квалифицированных как экстремальные. Подтверждением правильности выявленных тенденций служит повышение срока службы ряда нагревателей, при эксплуатации которых были использованы многие из приведенных в данной работе рекомендаций.
Воздействие окружающей среды в рабочей зоне индукторов
Влияние окружающей среды на работу индукционного нагревателя в напряженных режимах хотя и второстепенно, но все же вполне конкретно. Повышенная температура на рабочей поверхности нагревателя активизирует воздействие возможных компонентов этой среды (водяного пара, углекислого газа, сернистого газа и др. на сильно разогретые
поверхностные слои металла (СЮ и Си)). В результате заметно возрастает опасность появления трещин на рабочей поверхности нагревателя и снижения его стойкости.
Поэтому при работе в напряженных режимах необходимо либо защищать поверхность индуктора с помощью специальных покрытий, либо следить за чистотой окружающей среды, либо, наконец, создавать специальную защитную атмосферу в зоне нагрева.
Пригодность защитных покрытий рабочей поверхности индукторов
Выше было отмечено, что покрытия, наносимые на рабочую поверхность индукторов, работающих в напряженных режимах, могут повысить их стойкость за счет снижения опасности кипения внутри индуктора теплоотво-дящей жидкости, а также за счет предотвращения негативного воздействия на рабочую поверхность индукторов окружающей среды. Кроме того, защитное покрытие может оказывать стабилизирующее и даже тормозящее действие на процессы, протекающие в металле рабочей зоны индукторов (рекристаллиза-ционные, диффузные, химические).
При этом покрытие должно быть термостойким, термостабильным, высокопрочным и эластичным, с хорошей адгезией к меди, а также обладать высокими электроизоляционными свойствами (высокой электрической прочностью), поскольку оно наносится на индуктор, создающий сильное магнитное поле. В российской практике (да, по-видимому, и в мировой) сегодня нет однородного покрытия (слоя), обладающего всей совокупностью свойств. В настоящее время разрабатывается и уже получила хорошие отзывы система, в состав которой входят несколько различных материалов. Это безобмоточная система электроизоляции индукторов (БСЭИ). Благодаря использованию известных компонентов (кремнийорганических лаков, полиорганоси-ликатов и др.) данная система позволяет наложить на поверхность индуктора композицию слоев, прочно связанных между собой, имеющих отличную адгезию к меди и высокую термостойкость (до 1000-1100 °С). Эта совокупность слоев может иметь толщину 0,2-0,3 мм (до 0,5 мм) и обеспечивать перепад температур между нагреваемой поверхностью изделия и рабочей поверхностью индуктора около 500-700 °С.
Однако пока БСЭИ исследована еще недостаточно, особенно применительно к индукторам, работающим в напряженных режимах.
В частности, совершенно не изучены вопросы поведения покрытия этого типа при разогреве рабочей поверхности индуктора выше 100 °С, при многоцикловых нагревах, в условиях интенсивного охлаждения между циклами нагрева и ряд других проблем.
Было проведено несколько десятков экспериментальных нагревов труб под нормализацию (температура нормализации Тн « 1000 °С) кольцевыми индукторами без покрытия и с покрытием по БСЭИ. Индукторы работали в напряженном режиме: при высокой удельной мощности на элемент поверхности, очень малых зазорах между поверхностью трубы и внутренней поверхностью индуктора, активном парообразовании в зоне нагрева за счет испарения воды, омывающей элементы конструкции стана в зоне нагрева.
Изоляционное покрытие состояло из нескольких слоев кремнийорганического лака (КОЛ) общей толщиной около 0,1 мм; слоя кремний-органического лака, вступившего в реакцию с нанесенным на него слоем органосиликат-ного композита общей толщиной также около 0,1 мм и, наконец, слоя органосиликатно-го композита, полимеризованного на предыдущем слое (подложке) толщиной около 0,15 мм. Суммарная толщина изоляционного покрытия составляла приблизительно 0,30-0,35 мм.
Через неделю работы обоих индукторов на стане (суточное время работы составляло примерно 12 ч) рабочая поверхность неизолированного индуктора покрылась толстым слоем окалины, под которой во многих местах были обнаружены изъязвления (неглубокие раковины) меди, а на его боковой поверхности (углах кольца, прилегающих к его рабочей части) появились мельчайшие трещины.
Изоляционный слой второго индуктора слегка покрылся трещинами, его поверхность стала разрушаться, но он не отслоился от меди, это подтвердило достаточную термостойкость примененного органосиликатного композита.
Однако, когда интенсивность внутреннего охлаждения индуктора оказалось недостаточной (из-за падения давления в системе подачи воды) и рабочая поверхность индуктора нагрелась до 200-300 °С, изоляционный слой довольно быстро отвалился от поверхности индуктора. Таким образом была выявлена недостаточная надежность его адгезии к меди при разогреве рабочей поверхности индуктора до достаточно высоких температур, а также низкая термостойкость использованных кремнийорганических лаков.
Выводы
Разумеется, проведенных экспериментов недостаточно для оценки пригодности данного вида покрытий рабочей поверхности индукторов для повышения их стойкости в работе, однако можно с определенной долей уверенности говорить о перспективности этого метода защиты индукторов от разрушения при работе в напряженных режимах.
Все изложенное в настоящей работе не является «истиной в последней инстанции» и панацеей от любых неприятностей в производственной практике эксплуатации различных нагревателей, но оно дает достаточно широкие возможности для повышения их надежности в напряженных режимах работы и позволяет принять вполне конкретные меры в каждом конкретном случае.
