CC BY
398
УДК 621.791:621.785
А.Н. Тарасов, В.А. Панфилов, Н.Р. Павловский
МАГНИТОМЯГКИЕ БИМЕТАЛЛЫ В ТЕХНОЛОГИИ ЭРД МТ
Изучена возможность и технологические особенности изготовления биметаллических деталей магнитной системы электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ) для
Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 3. Физико-математические науки. С. 94 — 100.
повышения параметров и ресурса работы двигателей. Определены магнитные свойства и структура сварных и паяных соединений из магнитомягкой стали и пермендюров 49КФ, 49К2Ф после вакуумной термической обработки.
The possibility and technological features of producing the bimetallic details of magnetic system of electric jets with small traction (EJT ST) was analyzed in order to enhance the parameters and the resource of engines operations. The magnetic properties and the structure of welded and brazed connections made out of magnetic steel and some permendures after vacuum thermal treatment are determined.
Введение
Применение магнитомягких железокобальтовых сплавов с 18 — 49 % кобальта, имеющих повышенную температуру точки Кюри в сравнении с традиционными сталями 10880, 16Х-ВИ [1 — 4], при изготовлении деталей магнитных систем и электромагнитных клапанов регулирования расхода рабочего тела перспективно для повышения технических характеристик и ресурса работы ЭРД [5; 6]. В ОКБ «Факел» совместно с РГУ им. И. Канта в последнее время проведены исследования и опыты по изучению структуры и свойств, а также по разработке возможных технологических схем изготовления прецизионных деталей двигателей с применением пермендюров 49КФ, 49К2Ф с целью получения оптимальных эксплуатационных характеристик при сокращении трудоемкости изготовления и вакуумной термической обработки биметаллических магнитопроводов.
Образцы и методика проведения экспериментов
Тонкостенные цилиндрические магнитопроводы и тороидальные образцы для измерения магнитных свойств, а также микроструктуры на всех этапах изготовления и термической обработки делали из прутков горячекатаных сплавов и магнитомягких сталей серийного производства (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав сплавов и сталей
95
Сплав, ТУ * Температура Тк, °С Содержание элементов ** Нс, А/ м В2500, Тл
С Со V Si Mn
Пруток 49КФ, 090 мм 940 0,03 48,70 1,55 0,23 0,21 166 1,95
Пруток 49К2Ф, 050 мм 950 0,02 48,4 1,82 0,19 0,21 162 2,01
Пруток 10880, 0130 мм 770 0,03 - - 0,17 0,19 79 1,58
*По ГОСТу 10160.
**Сера и фосфор не выше 0,01 %.
Размеры тороидов для измерения магнитных свойств на установке У-5045 были идентичны для всех изученных сплавов, и имели размер: диаметр наружный 35 мм, внутренний 27 мм, высоту 8 мм. Это позволило проводить их сварку и вакуумную пайку по опорным поверхностям и наружному диаметру с последующим определением магнитной индукции и коэрцитивной силы соединений сталь-пермендюр. Для проведения вакуумного отжига и пайки использовали двухколпаковые вакуумные печи СГВ-2.4/15И2; микроструктуру основного металла и соединений изучали на микроскопах ММР-4, «Неофот»; прочностные характеристики измеряли испытанием стандартных образцов растяжения диаметром 5 мм на машинах Р-5. Вакуумную пайку вели через слой химического никеля, а аргонодуговую сварку осуществляли с присадкой и без присадочного материала неплавящимися вольфрамовыми электродами. В таблице 2 приведены режимы предварительной и окончательной вакуумной термической обработки, а также условия формирования паяных и сварных соединений тонкостенных магнито-проводов и образцов для измерения магнитных характеристик. Сравнительную коррозионную стойкость оценивали после выдержки то-роидов в течение 288 часов в атмосфере 98 % влажности путем расчета изменения удельного веса в единицу времени.
Таблица 2
Последовательность изготовления, условия термической обработки деталей и образцов
Марка материала, твердость Способ соединения деталей Режим вакуумного отжига * Магнитная индукция, Тл **
В500 В2500
Пермендюр 49КФ и сталь 10880, токарная обработка, Иа = = 1,25 мкм, твердость ИУ1и=203-208 АрДС-сварка без присадки со сталью 10880 без покрытия отожженных заготовок Вакуумный отжиг в СГВ-2.4/15И2, 3 часа, вакуум Ю^Па, 1100 °С и 960 °С, 10880 0,87—0,90 1,62—1,64
Пермендюр 49К2Ф и сталь 10880, токарная Иа=0,82 мкм, твердость ИУ1и=187—194 Пайка в процессе вакуумного отжига со сталью 10880 с покрытием химнике-лем, без припоя Вакуумный нагрев в СГВ-2.4/15И2 до 1050 — 1080 °С, выдержка 2 часа, вакуум 10—4Па 0,95—0,98 1,56—1,60
*Охлаждение 150—180 °С/ч до 500 °С, затем в вакууме с печью до 80 °С.
**Тороид высотой 8 мм (4 мм пермендюр + 4 мм сталь 10880).
Результаты экспериментов, обсуждение
На рисунке 1 показано изменение магнитной индукции в зависимости от условий отжига и способа создания неразъемных соединений при пайке и сварке.
Как видно из результатов измерений и анализа структуры, максимальная магнитная индукция достигается после вакуумного отжига перед сваркой и в процессе отжига с одновременной пайкой с формированием крупнозернистой структуры пермендюров 49КФ, 49К2А.
а б
Рис. 1. Результаты магнитных испытаний сплавов: а — 49КФ : 1 — после вакуумного отжига 1100 °С, 2 — после мехобработки,
3 — сварка без отжига, 4 — сварка с отжигом 900 °С; б — 49К2Ф : 1 — после мехобработки, 2 —вакуумный отжиг 1100 °С,
3 — сварка с 10880 без отжига, 4 — сварка АРДС с отжигом 880°С
При аргонодуговой сварке пермендюра 49КФ и стали 10880 с предварительным вакуумным отжигом происходит образование стабильного высокопрочного проплава на всю толщину или часть толщины соединяемых цилиндрических вставок магнитопроводов в зависимости от числа проходов. Уровень магнитной индукции после сварки может изменяться от В2500=1,53 до 1,65 Тл в зависимости от соотношения объема и толщин пермендюра и магнитомягкой стали для сплавов 49КФ и 49К2Ф. Паяные в вакууме в процессе высокотемпературного вакуумного отжига через расплав химического никеля №зР соединения также достаточно однородны и высокопрочны, а уровень магнитных свойств изменяется несколько более резко, чем при сварке. В таблице 3 приведены прочностные характеристики, магнитные свойства и характерные дефекты соединений, обнаруженные при рентгенографировании на аппаратах РУП-120.
Таблица 3
97
Свойства сварных и паяных образцов из пермендюров и магнитомягкой стали
Соединяемые материалы * Твердость, ИУ2 5 ** Прочностные характеристики Наблюдаемые дефекты шва, спая
ов, МПа 8, %
Сплав 49КФ-сталь 10880, АрДС без присадки 210—220/150—155 280 — 285 12 — 17 Единичные поры, строчки долевой пористости
Сплав 49К2Ф — сталь 10880, АрДС без присадки 227—230/147—150 260—270 11 — 14 Строчки пор, плены штриховые
Окончание табл. 3
98
Соединяемые материалы * Твердость, ИУ2 5 ** Прочностные характеристики Наблюдаемые дефекты шва, спая
ов, МПа 8, %
Сплав 49КФ-сталь 10880, пайка через слой химникеля 20 мкм 205 — 215/140 — 145 240—250 14—16 Неприлегание до 5 — 7 %
Сплав 49К2Ф-сталь 10880, пайка через слой хим-никеля 25 мкм 194 — 201/130 — 142 225—230 11—13 Непропай менее 5 % длины шва
*Режимы пайки и вакуумного отжига (табл. 2).
**Числитель — пермендюр, знаменатель 10880.
В процессе испытаний на растяжение установлено, что зоны разрушения образцов, паяных в вакууме с одновременным отжигом, проходят преимущественно по паяному шву, а в сварных соединениях — по околошовной зоне пермендюров 49КФ, 49К2Ф вследствие их недостаточной пластичности. Влияние точечных и строчечных пор и плен на характер разрушения не установлено.
Коррозионная стойкость во влажной атмосфере через слой никеля деталей из пермендюров и никелированной стали 10880 максимальна в пределах 2—3 баллов шкалы ГОСТа 13819—75 (группа — весьма стойкие). Сварные соединения сплавов 49КФ и 49К2Ф коррозионностойки, как и основной металл, а со стороны ответных деталей из стали 10880 без покрытия балл коррозионной стойкости составляет 6 — 7 (пониженно стойкие), при скорости коррозии более 0,5 мм/год.
Практические испытания эффективности создания сварных и паяных соединений из сплавов с повышенной магнитной проницаемостью пермендюров и магнитомягкой стали 10880 в конструкциях цилиндрических магнитопроводов (рис. 2), проведенные на установках магнитного контроля ПМД-70 в приложенном магнитном поле, показали возможность создания разнотолщинных конструкций с фокусировкой магнитного потока по высоте магнитопроводов.
Рис. 2. Конструктивное решение магнитопровода модуля М-60 с фокусированием магнитного поля (1, 4 — сталь 10880; 2, 5 — пермендюры 49КФ, 49К2Ф; 3, 6 — сварные швы)
Установлено, что путем вариации толщин и высот цилиндрических поясов и вставок пермендюров 49КФ и 49К2Ф, паяемых или свариваемых с основными корпусами из стали 10880 в зоне максимальной тепловой нагрузки и разогрева рабочих кромок магнитопроводов и катушек ЭРД МТ, удается создавать оптимальные по напряженности магнитные концентрированные поля, влияющие на работоспособность и ресурс работы двигателей малой тяги.
Полученные данные экспериментов позволили определить рациональные технологические схемы изготовления паяных и сварных деталей магнитных систем электрических реактивных двигателей, а именно:
— изготовление деталей из горячекатаных и кованых заготовок сплавов 49КФ и 49К2Ф и стали 10880 с припусками на чистовую механическую обработку по опорным и цилиндрическим поверхностям, при классе чистоты соединяемых поверхностей вставок и корпусов не ниже Иа=0,60 мкм;
— вакуумный отжиг деталей для сварного варианта при 1100 °С, 2 — 3 часа по стандартным режимам 49КФ, 49К2Ф ОСТ 92—4821 — 83, при 960 °С стали 10880, с последующим химическим никелированием в процессе вакуумного отжига;
— аргонодуговая сварка пермендюров, с зачисткой слоя химникеля на стали 10880, по свариваемой по режимам 7 поверхности и вакуумная пайка в паечном варианте при температуре 1050—1080 °С путем оплавления химникеля в процессе вакуумного отжига;
— шлифование и доводка по классным, посадочным поверхностям с последующими стабилизирующим вакуумным отпуском при 500 — 550 °С, 2 — 3 часа для классных деталей повышенной точности;
— контроль качества соединений рентгенографированием, измерение магнитных свойств на образцах-свидетелях.
Количество и последовательность операций чистовой доводки, предварительного химникелирования, стабилизирующего отпуска должны выбираться с учетом конструктивных особенностей каркасов, катушек, полюсов, магнитопроводов, входящих в состав магнитной системы ЭРД.
На рисунке 2 показан один из тонкостенных магнитопроводов из стали 10880 со сварной торцевой вставкой из пермендюра 49КФ, изготовленный по разработанной технологии.
99
Выводы
Вакуумной пайкой и аргонодуговой сваркой возможно создание тонкостенных высокопрочных конструкций сложных и переменных сечений из разнородных магнитомягких сталей и сложнолегированных сплавов, применяемых в магнитных системах различного назначения.
Таким образом, проведенные опыты и эксперименты, а также предварительные стендовые испытания двигателей позволили сделать вывод о целесообразности применения разработанных технологий изготовления сварных и паяных деталей из пермендюров 49КФ и 49К2Ф со сталью 10880 при изготовлении ЭРД МТ различных модификаций.
lOO
Применение сварных и паяных в вакууме конструкций деталей магнитных систем ЭРД МГ, выполняемых из железокобальтовых пер-мендюров 49КФ, 49К2Ф и магнитомягких сталей 100SS0, 16Х-БИ, экономически эффективно также на предприятиях приборостроения, электроники, электротехники.
Список литературы
1. Молотилов Б.В. Прецизионные сплавы. М., 1983.
2. Электротехнические материалы: Справочник / Под ред. Б.Б. Березина и H.C Прохорова. М., 1983.
3. Эспе В. Tехнология электровакуумных материалов. T. 1. М., 1962.
4. Тарасов А.Н., Мурашко В.М., Приданников С.Ю. Вакуумная термическая обработка сварных и паяных магнитопроводов// MиTOM. 1998. № 1. С. 23 — 27.
5. Tarasow A.N., Murashko V.M., Panfilov V.A. Main directions of application of new materials and technologies the manufacture of electric reastive eini-ges//Welding International. 2006. Vol 20. № 3. P. 240 — 242.
6. Тарасов А.Н., Мурашко В.М., Павловский Н.Р. Особенности применения магнитомягких железокобальтовых сплавов и магнитных системах ЭРД MГ//Tехнология машиностроения. 2005. № 7. С. 52—54.
7. Тарасов А. Н. и др. Способ изготовления и вакуумной термической обработки паяных деталей из железокобальтовых сплавов., кл. м.к.и. С 21 Д 1/78: Пат. № 2006115324/02 РФ.
8. ОСТ 92 — 1186 — 81. Сварка дуговая деталей из металлов и сплавов в защитной среде инертных газов. М., 1981.
Об авторах
A.Н. Тарасов — канд. техн. наук, ОКБ «Факел».
B. А. Панфилов — канд. техн. наук, ОКБ «Факел». Н.Р. Павловский — инж., ОКБ «Факел».
