Способ изготовления и термической обработки деталей из магнитомягких сталей магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению и термической обработке тонкостенных деталей магнитных систем стационарных плазменных двигателей малой тяги, также оно может найти применение в электротехнике, приборостроении, электронике. Техническим результатом изобретения является улучшение магнитных характеристик деталей и, как следствие, достижение более высоких эксплуатационных характеристик двигателей, а также снижение трудоемкости обработки на всех этапах изготовления тонкостенных деталей магнитных систем. Для достижения технического результата детали магнитных систем, например полюса наружные из листа стали 10880, после механической обработки, абразивноструйной обработки и химникелирования 8...15 мкм отжигали в вакууме при температуре на первой ступени 940...950^oС в течение 10 мин и после подстуживания со скоростью 0,5^oС/с до 850...860^oС выдерживали на второй ступени в течение 120 мин. Охлаждение до 180^oС вели со скоростью 70.. . 80^oС/ч, а выгрузку из вакуумной камеры проводили при 30^oС. Обработка позволила исключить неплоскостность по базовой поверхности, эллипсность по диаметру, а также получить поверхности с высокими прочностными свойствами сцепления напыляемых материалов с основой в случаях зонного одно- или многослойного нанесения эрозионно стойких, коррозионно защитных покрытий и покрытий с заданными оптическими свойствами. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению с проведением вакуумной термической обработки деталей магнитных систем стационарных двигателей малой тяги, и может найти применение также в электротехнике, приборостроении, электронике, где используются магнитомягкие стали типа 10880 и электротехническое железо. Известен способ вакуумного отжига сборных, сварных и паяных деталей магнитных систем, включающий нагрев в процессе вакуумного отжига или вакуумной пайки и отжига механически обработанных деталей с соотношением диаметров и толщин 50:1, 70:1 с регламентированными скоростями нагрева и охлаждения от температур 860...1100^oС в зависимости от марок сталей и схем армирования корпусов из сталей 10880, сталей 10 и 20, кольцами из сплава с повышенной температурой точки Кюри 18КХ или цельных без пайки и сварки (Tarasov A.N., Murashko V.M., Pridannikov S.Y. Vacuum heat treatment of welded and solderd magnetic circuts//Weldig Inter national 1999, 13(5), s. 409-412, England).

Известен способ изготовления деталей магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ) из магнитомягкой стали, включающий механическую обработку детали, вакуумный отжиг с нагревом выше точки Кюри, ступенчатое охлаждение с регламентированными скоростями до регламентированных температур в вакуумированном рабочем пространстве печи не ниже 10^-1.. .10^-2 Па. (RU 2087552C1, C21D8/12, 20.08.1997).

Однако способ недостаточно универсален применительно к магнитопроводам диаметром от 50 до 200 мм при толщинах стенок 1,5...2,5 мм, не исключает деформации и эллипсности по высоте стенок.

При создании изобретения решалась задача улучшения магнитных характеристик в малых и средних магнитных полях, в которых работают магнитопроводы ЭРД МТ, и, как следствие, достижения более высоких эксплуатационных характеристик, надежности и ресурса работы двигателей, при одновременном снижении трудоемкости изготовления и термической обработки на всех операциях изготовления деталей магнитных систем.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе, включающем механическую обработку, вакуумный отжиг с нагревом выше точки Кюри, ступенчатое охлаждение с регламентированными условиями нагрева в вакуумированном рабочем пространстве печи при вакууме не ниже 10^-1...10^-2 Па, механическую обработку деталей проводят окончательно или с припуском на доводку по посадочным поверхностям, вакуумный отжиг ведут на первой ступени при температуре на 120-330^oС выше точки Кюри, охлаждают со скоростью 0,3-1,5^oС/с до температуры на 20-100^oС выше точки Кюри, проводят выдержку в течение 60-120 мин и охлаждают детали со скоростью 40-110^oС/ч до 180-200^oС, затем проводят выгрузку деталей и развакуумирование печи при 30-50^oС на воздухе. При изготовлении каркасов катушек и полюсов в процессе вакуумного отжига на их поверхностях формируют коррозионно- и эрозионно стойкие покрытия.

Практическое осуществление способ нашел на деталях ЭРД МТ - полюсах наружных и внутренних, магнитопроводах, катушках намагничивания, изготавливаемых из стали 10880 по ГОСТ 10160-75 из прутков, листов, поковок, штамповок различной конфигурации. Для вакуумной термической обработки использованы двухколпаковые электропечи СГВ-2,4/15-И2, элеваторные ОКБ-8085, малоэнергоемкие СНОЛ-ВНЦ, СШОЛ-ВНЦ. Нанесение химникелевых покрытий проводилось в ваннах, содержащих тиофосфат натрия по технологиям ОСТ 92-1010-77, плазменно-дуговое напыление барьерных покрытий интерметаллидов и керамик проводили на установках УПН-2М, УПУ-М-3Г. Измерение магнитных характеристик проводили на баллистических установках БУ-3 и методом веберметра на установках У-5051 в полях различной напряженности. Оптические терморадиационные свойства поверхностей магнитопроводов после вакуумного отжига измеряли на терморадиометрах и фотометрах ФМ-59 и ТРМ-1.

Изобретение иллюстрируется фотографией магнитной системы ЭРД МТ после ресурсных испытаний (см.чертеж).

Способ осуществляют следующим образом: Пример 1. Магнитопроводы ЭРД МТ диаметром 70...100...140 мм изготавливали механически, обрабатывая поковки и горячекатанные прутки из стали 10880 в окончательный размер по диаметру и толщине стенки и отжигали в вакууме с автоматическим регулированием режимов по лекалам. Нагрев в вакууме 10^-2Па проводили при температуре на 220^oС выше температуры точки Кюри при 990^oС на первой ступени, затем, после выдержки 60 мин, охлаждали со скоростью 110^oС/ч до 180^oС, предусматривая для магнитопровода диаметром 70...100 мм подстуживание до 800^oС в вакуумной печи. Выгрузку деталей проводили развакуумированием печи при температуре 30...50^oС, перенося детали на воздух.

Обработка позволила получить оптимальные магнитные свойства, исключить деформацию тонкостенных 1,2...2,0 мм магнитопроводов по диаметру. Магнитная индукция составляла ₅₀= 0,08...0,10 Тл, B₂₀₀=0,60...0,80 Тл, B₄₀₀=1,35... 1,42 Тл, во всех интервалах на 10...15% выше, чем в известном способе. Коэрцитивная сила была в пределах Н_с=56...60 А/м, не хуже стандартизованной по ГОСТ 10160-75. Была обеспечена стабильная напряженность магнитного поля всех типоразмеров магнитопроводов ЭРД МТ, улучшены тяговые характеристики.

Пример 2. Полюса наружные толщиной 2,0 мм из стали 10880 механически обрабатывают с классом чистоты Р_а=0,65 мкм, наносят покрытие 3Р толщиной 8.. . 15 мкм и отжигают в вакууме на 120^oС выше точки Кюри при 890^oС в течение 120 мин, а затем охлаждают со скоростью 1,5^oС/с до температуры на 20^oС выше точки Кюри, 790^oС и далее охлаждают садку со скоростью 40^oС/ч до 180^oС, а развакуумирование и выгрузку на воздух ведут при 30^oС.

Практически исключена деформация по плоскости, улучшена прочность соединения с основой до 350...370 МПа, магнитная индукция составляла В₁₀₀=0,41... 0,43 Тл, В₂₀₀=1,05...1,15 Тл, при этом трудоемкость сократилась в сравнении с известным способом на 25%, а коэффициент теплового старения улучшился на 30%. Покрытие имело высокую коррозионную стойкость на уровне 1...2 балла стандартной шкалы при испытании в атмосфере 98% влажности.

Пример 3. Каркасы паяные из стали 10880, соединяемые припоем ВПР-4 с основанием из титана ВТ1-0, нагревали в вакууме при температуре 1090^oС на 330^oС выше точки Кюри и после растекания припоя охлаждали со скоростью 1,5^oС/с до температуры 870^oС на 100^oС выше точки Кюри и после выдержки в течение 75 мин вели охлаждение со скоростью 110^oС/ч до температуры 200^oС, затем после снижения температуры в колпаке печи СГВ-2,4/15-И2 до 50^oС выгружали детали на воздух.

Обработка позволила достичь при снижении энергозатрат в 1,5 раза высоких магнитных характеристик индукции B₅₀ =0,120 Тл, В₁₀₀₀=1,61 Тл, коэрцитивной силы Н_c= 70...72 А/м. Одновременно достигались оптимальные значения степени черноты Е=0,70...0,74 и коэффициента поглощения солнечной радиации A_s=0,64.. .0,65. В сравнении с известным способом были улучшены также прочностные характеристики спая, повысилась вибропрочность соединения магнитопровода, улучшились тяговые характеристики модуля в целом.

Пример 4. Полюса внутренние изготавливали из прутка диаметром 60 мм стали 10880 и после механической обработки наносили слой химникеля 3...5 мкм для улучшения формирования в последующем вакуумном нагреве соединения порошка карбида бора на Ni₃P. Вакуумный нагрев проводили при температуре 1050^oС на 280^oС выше точки Кюри и после выдержки 5 мин охлаждали садку со скоростью 1^oС/с до температуры 870^oС на 100^oС выше точки Кюри и после выдержки в течение 120 мин вели охлаждение со скоростью 70^oС/ч до 200^oС, далее произвольно до 30^oC с выгрузкой на воздух. При этом припуск по опорной поверхности полюса в 20 мкм снимали чистовым шлифованием перед сборкой узла.

Обработка позволила получить детали с высокими магнитными свойствами индукцией B₅₀=0,06 Тл, В₁₀₀=0,33 Тл, B₂₀₀=0,82 Тл, В₃₀₀=1,05 Тл, В₄₀₀=1,18 Тл при коэрцитивной силе Н_c=0,65 А/м и одновременно сформировать твердый эрозионностойкий слой боридов и никельборидов с микротвердостью Н_0,5H=1890... 2140, что недостижимо в известном способе изготовления и обработки магнитомягких деталей. В результате повысился ресурс работы детали в 1,5 раза. На чертеже показан внешний вид и характер износа полюсов внутренних и наружных из стали 10880, прошедших вакуумную термообработку по предложенному способу, прошедших все операции изготовления, нанесения покрытий и отжиг. Ресурс работы ЭРД МТ достиг более 7000 ч, улучшилась стабильность работы двигателя.

Формула изобретения

1. Способ изготовления деталей магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги из магнитомягкой стали, включающий механическую обработку детали, вакуумный отжиг с нагревом выше точки Кюри, ступенчатое охлаждение с регламентированными условиями нагрева в вакуумированном рабочем пространстве печи не ниже 10^-1-10^-2 Па, отличающийся тем, что механическую обработку проводят окончательно или с припуском на доводку по посадочным поверхностям, вакуумный отжиг осуществляют на первой ступени при температуре на 120-330^oС выше точки Кюри, охлаждают со скоростью 0,3-1,5^oС/с до температуры на 20-100^oС выше точки Кюри, проводят выдержку в течение 60-120 мин и охлаждают детали со скоростью 40-110^oС/ч до 180-200^oС, затем проводят выгрузку деталей и развакуумирование печи при 30-50^oС на воздухе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении каркасов катушек и полюсов в процессе вакуумного отжига на их поверхностях формируют коррозионно-стойкие и эрозионно-стойкие покрытия.

РИСУНКИ

Рисунок 1