Введение
При разработке сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей (ВТП) важен выбор материала, применяемого при изготовлении сердечников. Данный материал должен иметь наибольшее значение магнитной проницаемости при малой напряженности магнитных полей. Это позволяет значительно увеличить локальность контроля и глубину проникновения поля, за счет чего становится возможным исследовать микроскопические структуры на большой глубине [1]. В связи с этим крайне актуально использование сплавов с максимальным значением начальной магнитной проницаемости [2]. Повышение значения магнитной проницаемости можно произвести при помощи использования различных режимов термообработки. При этом становится важным контролировать параметры девиации магнитной проницаемости с целью не допустить значительного разброса параметров у сердечников, подвергнутых термообработки. Повышение разброса значений магнитной проницаемости может привести к различным метрологическим характеристикам вихретоковых преобразователей, изготовленных на их основе и, как следствие, к усложнению процедуры калибровки датчиков.
В качестве материала с максимальной магнитной проницаемостью, был выбран сплав 81НМА, имеющий наивысшее значение магнитной проницаемости в слабых постоянных и переменных магнитных полях, а также пониженную чувствительность к механическим воздействиям и повышенную прочность.
Для данного материала, в соответствии с ГОСТ 8.377-80 (Табл.1) была разработана технологическая инструкция, определяющая режимы термообработки сплава (Табл. 2.).
№ режима | Марка сплава | Среда отжига | Температура отжига и скорость нагрева | Время выдержки, ч | Режим охлаждения | Нормативный документ |
1 | 81НМА | Вакуум с остаточным давлением не выше 10-2 Па | 850+25оС, не более 500оС/ч | 3 | До 600 оС со скоростью не более 200 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью не менее 400 оС/ч, далее с печью в вакууме до T<100оС | ГОСТ 10160-75 |
№ режима | Скорость нагрева, оС/ч | Режим охлаждения, оС/ч |
1 | 450 | До 600 оС со скоростью 200 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 400 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
2 | 400 | До 600 оС со скоростью 150 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 400 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
3 | 350 | До 600 оС со скоростью 100 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 400 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
4 | 300 | До 600 оС со скоростью 50 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 400 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
5 | 250 | До 600 оС со скоростью 200 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 500 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
6 | 200 | До 600 оС со скоростью 200 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 600 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
7 | 150 | До 600 оС со скоростью 100 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 500 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
8 | 100 | До 600 оС со скоростью 100 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 600 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
9 | 50 | До 600 оС со скоростью 50 оС/ч, от 600 оС до 400 оС со скоростью 600 оС/ч, до T<100оС со скоростью 100 оС/ч |
Методика измерений
Образцы изготавливались в виде пакетов штампованных колец с наружным диаметром в 34 мм, внутренним — 26 мм. Заусеницы более 0.02 мкм не допускались. Всего было изготовлено 40 пакетов образцов по 15 колец толщиной 0.1 мм, и по 30 колец толщиной 0.05 мм.
Перед термической обработкой все детали и контрольные образцы проходили процедуру обезжиривания в ультразвуковой мойке. Термообработка образцов проводилась по режиму, указанному в табл. 1, 2.
Отожженные образцы помещались в каркасы из электроизоляционного материала (полиэтиленовая пленка толщиной 100 мкм), на которые наносилась вторичная обмотка, изготовленная из провода диаметром 0.1-0.2 мм марки ПЭЛ. Вторичная обмотка состояла из 210 витков. Первичная обмотка располагалась поверх вторичной обмотки и состояла из одного витка. Диаметр провода первичной обмотки составлял 2.5 мм.
Измерения амплитудной магнитной проницаемости контрольных образцов производились при частоте 100 Гц. Схема измерения представлена на рис. 1. При использовании в качестве контрольных образцов пермаллоя 81НМА напряженность поля составляла 0.079 А/м.
Схема установки для измерения магнитных характеристик индукционным методом: Г — генератор; УПТ — усилитель постоянного тока; Т — трансформатор; R — резистор с известным сопротивлением; V1, V2 — вольтметры, К — пакет из колец с нанесенным обмотками (w1 – первичная обмотка, w2 – вторичная обмотка).
Величина напряжения на первичной обмотке составляла 53 мВ. В ходе экспериментов измерялась величина напряжения, индуцированная во вторичной обмотке (U2). Амплитудная магнитная проницаемость рассчитывалась по формуле.
,
где К — коэффициент, величина которого изменяется в зависимости от толщины листов, применяющихся при изготовлении образцов (таблица 3).
Толщина листа, мм | Количество колец в образце, n | К |
0.05 | 30 | 18.8. 103 |
0.1 | 15 | 21. 103 |
0.15 | 15 | 12.6. 103 |
0.2 | 10 | 14.4. 103 |
Результаты экспериментов
Результаты проведенных экспериментов, представлены в таблицах 3, 4. В таблице 3 представлены результаты термообработки образцов, имеющие разные значения начальной магнитной проницаемости до отжига. Термообработка таких образцов производилась в соответствии с температурным режимом, указанным в табл. 1.
№ образца | Толщина ленты, мкм | Магнитная проницаемость без термообработки | Магнитная проницаемость после отжига |
1 | 100 | 170 | 12300 |
2 | 100 | 2100 | 38850 |
3 | 100 | 540 | 11550 |
4 | 100 | 630 | 25200 |
5 | 100 | 630 | 21000 |
6 | 100 | 210 | 16080 |
7 | 100 | 580 | 20700 |
8 | 100 | 840 | 22000 |
9 | 100 | 620 | 16500 |
Данные, представленные в таблице, показывают значительное влияние термообработки на значение начальной магнитной проницаемости сплава 81НМА.
Установлено явное влияние отжига на магнитную проницаемость образцов. Увеличение значения магнитной проницаемости составляло от 18.5 раз (образец №2 с максимальным значением начальной магнитной проницаемости), до 76.5 раз (образец №6). В среднем, магнитная проницаемость образцов под влиянием отжига увеличивалась в 30-40 раз.
В таблице 4 представлены результаты термообработки образцов, отобранных по одинаковой величине начальной магнитной проницаемости до отжига.
Каждый образец подвергался температурной обработке в соответствии с режимами, указанными в табл. 2. Номер образца соответствовал номеру режиму.
№ образца | Толщина ленты, мкм | Магнитная проницаемость без термообработки | Магнитная проницаемость при температуре отжига 870 С0 |
1 | 100 | 420 | 15000 |
2 | 100 | 420 | 18900 |
3 | 100 | 420 | 21300 |
4 | 100 | 420 | 37800 |
5 | 100 | 420 | 36580 |
6 | 100 | 420 | 31200 |
7 | 100 | 420 | 20700 |
8 | 100 | 420 | 20800 |
9 | 100 | 420 | 12500 |
В результате проведенных экспериментов установлено, что наивысшее значение магнитной проницаемости можно достичь с использованием температурного режима № 4. Значение магнитной проницаемости при этом составило 36580 и увеличилось в 90 раз. При этом, охлаждение в соответствии с температурным режимом 9 позволило достичь увеличения магнитной проницаемости лишь в 30 раз. Результаты увеличения магнитной проницаемости в зависимости от степени температурной обработки представлены на рис. 2.
Заключение
Для повышения разрешающей способности вихретоковых преобразователей необходимо добиться наибольшего значения магнитной проницаемости сердечника ВТП. Это позволяет значительно увеличить индукцию магнитного поля, на генерации которого основан метод вихретокового контроля и, как следствие, повысить глубину проникновения и локальность контроля вихретокового преобразователя. Отжиг пермаллоя 81НМА позволяет добиться высокого значения магнитной проницаемости(до 60 раз выше, по сравнению с используемыми ранее ферритами). Однако при отжиге 81НМА крайне важно подобрать правильный температурный режим нагрева и охлаждения. Изменение скорости нагрева и последующего охлаждения всего на 50оС/ч, в некоторых случаях(режимы 3 и 4) способно привести к изменению итогового значения магнитной проницаемости почти в два раза. Таким образом, крайне важно контролировать скорость нагрева и охлаждения при отжиге 81НМА для дальнейшего эффективного использования в вихретоковых преобразователях.