Способ изготовления и вакуумной термической обработки паяных деталей из магнитомягких железокобальтовых сплавов

Изобретение может быть использовано при изготовлении паяных магнитопроводов и деталей магнитных систем из магнитомягких железокобальтовых сплавов 18КХ, 27КХ с повышенной температурой точки Кюри и магнитной проницаемостью, в частности, в производстве электрических реактивных двигателей малой тяги. Детали покрывают слоем фосфористого никеля, служащим одновременно припоем, переходящим в расплав при температурах вакуумного отжига при выбранных режимах. Выбранные условия нагрева и охлаждения при вакуумном отжиге исключают заметную тепловую деформацию тонкостенных деталей и необходимость последующей чистовой обработки, приводящей к снижению магнитных свойств. Используемые режимы обеспечивают получение крупнозернистой структуры основного металла с оптимальными магнитными свойствами, а также высокопрочного спая со степенью пропая 90-95%. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к вакуумной термической обработке магнитомягких материалов при изготовлении паяных магнитопроводов и деталей магнитных систем в производстве ЭРД МТ (электрических реактивных двигателей малой тяги), и может найти применение в электротехнике, приборостроении, электронике.

Известна технология изготовления и вакуумной термической обработки деталей из магнитомягких материалов, в том числе из железокобальтовых сплавов 18КХ, 27КХ, 49 КФ, предусматривающая вакуумный высокотемпературный отжиг после механической обработки при 850°С в течение 3 часов и стабилизирующий отжиг при 525°С в течение 3-7 часов (ОСТ 92-4821-83. Детали из магнитомягких материалов. Типовой технологический процесс термической обработки. - С.27, 35).

Недостатки технологии - высокая трудоемкость, невозможность применения для изготовления тонкостенных паяных деталей типа каркасов, магнитопроводов сложного сечения, недостаточная коррозионная стойкость обработанных узлов и деталей во влажной и агрессивной средах, низка эрозионная стойкость деталей в плазме.

Известно применение ленты сплавов 18КХ и 27КХ для изготовления витых сердечников электрических машин с вакуумным отжигом при 950°С для получения нормируемых магнитных свойств с замедленным охлаждением 50-100°С/ч (Б.В.Молотилов. Прецизионные сплавы. Справочник. М., Металлургия, 1983. - С.97).

Технология применима к отдельному виду сердечников, трудоемка, а также не обеспечивает высокой коррозионной стойкости деталей, нанесение защитных покрытий на ленточные детали практически затруднено.

Наиболее близким аналогом является способ изготовления и вакуумной термической обработки паяных деталей из магнитомягких железокобальтовых сплавов (SU 1135774 A1, МПК C21D 1/00, опубл. 23.01.1985), включающий механическую обработку и вакуумный отжиг, совмещенный с пайкой деталей.

Недостатками способа является то, что при отжиге паяных деталей из магнитомягких железокобальтовых сплавов не обеспечиваются достаточные прочностные свойства, коррозионная стойкость и износостойкость спаев.

Изобретение решает задачу изготовления и вакуумной термической обработки паяных деталей из магнитомягких железокобальтовых сплавов, получение высокопрочных спаев с повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью в ионно-плазменных потоках, упрощения и сокращения технологического процесса с одновременным снижением трудоемкости обработки деталей для получения оптимальных магнитных свойств.

Для обеспечения необходимого технического результата в известном способе изготовления и вакуумной термической обработки деталей из магнитомягких железокобальтовых сплавов, включающем механическую обработку и вакуумный отжиг, совмещенный с пайкой деталей, предлагается перед вакуумным отжигом и пайкой на детали наносить защитное покрытие слоем толщиной 20-25 мкм из фосфористого никеля Ni₃P, переходящее в расплав при температуре отжига, которое предлагается использовать в качестве припоя, при этом отжиг осуществлять путем нагрева деталей выше точки Кюри до 990-1000°С и выдержки в течение 0,4-0,5 часа, затем температуру снижать до 970-980°С и выдерживать в течение 1,5-2,0 часа, после чего охлаждать со скоростью 120-150°С/ч до 400-450°С, далее произвольно с печью. Нагрев для отжига предлагается вести со скоростью 520-550°С/ч.

Кроме того, предлагается создание на соединяемых пайкой поверхностях шероховатостей, соответствующих классу чистоты Р_a=0,3-0,5 мкм, методом шлифования с использованием абразивных кругов, а размещать детали при отжиге на оснастке из термостойкой борнитридной керамики БГП.

Сущность решения и влияние режимных факторов на формирование свойств магнитопроводов и деталей магнитных систем состоит в том, что они изготавливаются из железокобальтовых сплавов 18КХ, 27КХ с повышенной температурой точки Кюри и магнитной проницаемостью, соединяются пайкой между собой или с магиитомягкой сталью 10880, при этом покрываются коррозионностойким слоем химического никеля, служащего одновременно припоем, переходящим в расплав при температурах вакуумного отжига при выбранных режимах. Выбранные условия обеспечивают получение крупнозернистой структуры основного металла с оптимальными магнитными свойствами, а также высокопрочного спая со степенью пропая 90-95%.

На прилагаемых к описанию графических материалах и фотографиях изображено:

на фиг.1 - микроструктура паяного соединения сердечника и каркаса из сплава 18КХ, формирующаяся по предложенному способу в процессе вакуумного отжига после нанесения защитного покрытия на соединяемые детали;

на фиг.2 - эскиз каркаса из стали магнитомягкой 10880 и полюса наружного из сплава 18КХ со схемой нанесения покрытия Ni₃P по всем поверхностям и указанием паяного шва, получаемого в процессе вакуумной термической обработки;

на фиг.3 - изменение магнитной индукции в магнитных полях различной напряженности для трех магнитомягких материалов после вакуумного отжига в процессе создания паяной конструкции деталей типа каркас-полюс наружный, где 1 - сталь 10880, 2 - сплав 18КХ, обработанный по предложенному способу, 3 - сплав 18КХ при обработке по известному способу;

фиг.4 - микроструктура основного металла, сплава 18КХ после обработки по режиму примера 1;

фиг.5 - микроструктура сплава 49КФ перед пайкой с термической обработкой.

Как показали опыты и исследования, при вакуумном нагреве до температур 990-1000°С происходит плавление фосфористого никеля, нанесенного химическим никелированием на всех поверхностях обрабатываемых деталей, а вне контакта соединяемых деталей начинается растекание расплава под действием капиллярных сил равномерно по всей поверхности. В дальнейшем при длительной выдержке в интервале температур 970-980°С продолжается диффузионное формирование паяного шва, а в основном металле растет зерно, что после охлаждения с заданной скоростью позволяет одновременно получить высокопрочный спай деталей и лучшие магнитные свойства магнитопроводов в целом. При этом паяный шов, в отличие от известных вариантов пайки высокотемпературными припоями, является ферромагнитным и обеспечивает стабильность магнитного поля при работе деталей в составе изделия.

Выбранные условия нагрева и охлаждения при вакуумном отжиге исключают заметную тепловую деформацию тонкостенных деталей и необходимость последующей чистовой обработки, приводящей к снижению магнитных свойств.

Создание на поверхности деталей микронеровностей класса чистоты R_а=0,6-0,8 мкм позволяет улучшить условия растекания плавящегося покрытия из фосфористого никеля по соединяемым поверхностям, повышается степень пропая и прочность паяного шва. Применение в качестве оснастки для вакуумного отжига термостойкой, теплопроводной, нейтральной керамики БГП, содержащей нитрид бора и двуокись кремния, исключает схватывание опорной поверхности отжигаемых деталей оплавляющегося фосфористого никеля с керамической оснасткой, отпадает необходимость зачистки опорной поверхности.

Практическое осуществление способа в условиях опытного, мелкосерийного производства ЭРД МТ (электрических реактивных двигателей малой тяги), иллюстрируется примерами, при этом были использованы листовые заготовки сплавов 18КХ-ВИ, 27КХ-ВИ по ГОСТ 10994-74, по ТУ 14-1-4188-86, а также прутки магнитомягкой стали 10880 по ГОСТ 10160-75.

Конкретные примеры осуществления способа.

Пример 1. Каркасы внутреннего набора магнитопровода изготавливали и обрабатывали в вакууме по предложенному способу. Вначале, после механической обработки катушек и полюсов внутренних из сплава 18КХ-ВИ, наносили слой Ni₃P толщиной 25 мкм способом химического никелирования в ванне, содержащей сернокислый никель, фосфит натрия, уксуснокислый натрий и тиокарбамид при температуре раствора 85-90°С. Затем устанавливали детали на подставку из керамики БГП и помещали в вакуумную печь СГВ-2.4/15И2 для отжига. Прогрев садков в вакууме 10^-3 Па до температуры 990°С проводили со скоростью 550°С/ч, выдерживали в течение 0,5 часа и снижали температуру до 970°С, осуществляя выдержку еще в течение 1,5 часов. После окончания выдержки охлаждение проводили со скоростью 150°С/ч до 450°С, далее произвольно до 80°С и выгружали на воздух.

В процессе отжига протекал процесс оплавления слоя фосфористого никеля по всем поверхностям деталей и формировался спай по соединяемым поверхностям, при этом основной металл - сплав 18КХ-ВИ имел крупнозернистое строение и максимальную магнитную индукцию В₂₅₀₀=1,82-Ж, 1,83 Тл. Прочность спая составляла 450-470 МПа или в 1,2 раза выше, чем при пайке по стандартным технологиям с применением высокотемпературных припоев. Равномерный защитный слой с основой никеля обеспечил повышение коррозионной стойкости деталей на порядок, при этом трудоемкость обработки в сравнении с известным способом сократилась в 2,5 раза, а ресурс работы полюса внутреннего из сплава 18КХ-ВИ в ионной ксеноновой плазме возрос на 25% при повышении стабильности магнитного поля анодного блока двигателя. На фиг.3 и в табл. 1 приведены свойства сплава 18КХ-ВИ при обработке по различным режимам.

Пример 2.

Сердечники магнитопровода изготавливали из сплава 27КХ с магнитными вставками из этого же сплава и обрабатывали по предложенному способу - отжигали в вакууме после нанесения слоя фосфористого никеля толщиной 20 мкм на механически обработанные токарной обработкой и шлифованные поверхности. Температура отжига была 1000°С, нагревали со скоростью 520°С/ч, выдержка 0,4 часа, затем снижали температуру до 970°С и после выдержки в течение 2 часов проводилось охлаждение со скоростью 120°С/ч до 400°С, далее с печью произвольно.

Обработка позволила получить детали с магнитной индукцией насыщения В₅=14-2, 16Т, с высокопрочным спаем при степени пропая 95-96% (фиг.5) и прочности не хуже 440-470 МПа. Детали имели коррозионную стойкость во влажной атмосфере на уровне 1-2 балла шкалы ГОСТ 13819-81, одновременно повысилась в 1,3 раза эрозионная стойкость рабочих кромок. Трудоемкость механической, термической и гальванической обработки сократилась в сравнении с известным способом обработки в 1,8 раза, при этом количество технологических операций сократилось с 7-8 в известном способе до 4-5 в предложенном варианте изготовления и отжига деталей.

Пример 3.

Катушки намагничивания сборные изготовляли из двух магнитомягких не-коррозионностойких материалов железокобальтового сплава 49КФ и магнитомягкой стали 10880. Изготовление и термическую обработку вели по предложенному способу. Вначале на механически обработанные детали наносили покрытие фосфористым никелем Ni₃P слоем 22 мкм, затем отжигали в вакууме с установкой на керамические приспособления, устанавливая соединяемыми поверхностями друг на друга. Нагрев вели в печи СГВ-2.4/15И2 со скоростью 520°С/ч до 990°С и после выдержки 0,5 ч выдерживали при температуре 970°С в течение 2 часов, а затем охлаждали садку со скоростью 130°С/ч до 450°С, далее произвольно до 70-80°С.

В результате обработки в вакууме на всех поверхностях катушек имелся слой оплавленного фосфористого никеля с высокой твердостью до НУ_0,5Н = 570-600 и высокой коррозионной стойкостью. Магнитные характеристики основного металла превышали стандартизованные значения на 10-20%, магнитная индукция сплава 49КФ достигала значения Н₂₅₀₀ = 2,40 Тл. Спай торцевой части из сплава 49КФ и сердечника из стали 10880 был высокопрочен и выдерживал все испытания на вибронагрузки. В сравнении с известным способом изготовления и упрочнения ресурс работы деталей в составе двигателя повысился в 1,4 раза, а снижение трудоемкости составило 1,7 раза.

Таблица 1
Способ обработки. Число операций обработки	Толщина слоя Ni3P, мкм	Режим термической обработки, х)	Магнитные свойства	Твердость слоя, НУ0,5H xx)	Коррозионная стойкость, г/см2	Трудоемкость
		°С	ч				°С	ч
В2500, Тл	Нc, А/м
Предложенный сплав 18КХ-ВИ чистота поверхности, Ra=0,8 мкм, 4 операции	20 25 20 25	990 1000 1000 990	0,4 0,5 0,5 0,4	970 980 980 970	1,5 2,0 1,5 2,0	1,93 2,01 1,91 1,94	110 95 105 90	604 590 611 603	0,4·10-9 0,3·10-9 0,3·10-9 0,2·10-9	0,4 0,5 0,4 0,5
Известный сплав 18КХ-ВИ Ra=0,4 мкм, Нитроцементация в жидкой плазме 4 мин, 7 операций	-	940	3,0	240	3,1	1,88	120	748	6,3·10-8	1,0
х) охлаждение в вакууме со скоростью 120°С/ч хх) прочность паяного соединения 460-470 МПа

Проведенные испытания и исследования показали, что предложенный способ не только эффективен, технологичен, прост в осуществлении, универсален и применим для паяных деталей и цельных деталей типа магнитопроводов, корпусов, сердечников из магнитомягких некоррозионностойких сплавов и сталей. Он позволяет получать детали магнитных систем с высокими эксплуатационными свойствами при существенном упрощении технологии и снижении трудоемкости изготовления и обработки деталей.

1. Способ изготовления и вакуумной термической обработки паяных деталей из магнитомягких железокобальтовых сплавов, включающий механическую обработку и вакуумный отжиг, совмещенный с пайкой деталей, отличающийся тем, что перед вакуумным отжигом и пайкой на детали наносят защитное покрытие слоем толщиной 20-25 мкм из фосфористого никеля Ni₃P, переходящее в расплав при температуре отжига, которое используют в качестве припоя, при этом отжиг осуществляют путем нагрева деталей выше точки Кюри до 990-1000°С и выдержки в течение 0,4-0,5 ч, затем снижают температуру до 970-980°С и выдерживают 1,5-2,0 ч, после чего охлаждают со скоростью 120-150°С/ч до 400-450°С, далее произвольно с печью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев для отжига ведут со скоростью 520-550°С/ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на соединяемых пайкой поверхностях деталей методом шлифования абразивными кругами создают шероховатость, соответствующую классу чистоты R_a=0,3-0,5 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что детали для вакуумного отжига размещают на оснастке из термостойкой, нейтральной борнитридной керамики БГП.