Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr 20 2000 Jerzy BAJOREK*, Józef KOLASA* stale niemagnetyczne, pomiary przenikalności magnetycznej, pomiary rezystywności STALE AUSTENITYCZNE W BUDOWIE MASZYN ELEKTRYCZNYCH WŁAŚCIWOŚCI, BADANIA Stosowane w budowie maszyn elektrycznych niemagnetyczne stale austenityczne o gwarantowanych właściwościach paramagnetycznych są drogie i trudno dostępne. Na rynku dominującą ilościowo grupę wśród stali austenitycznych stanowią stale austenityczne odporne na korozję. Ich właściwości elektryczne i magnetyczne nie są kontrolowane. W ramach prezentowanej pracy podjęto badania tych właściwości stali austenitycznych w gatunku 1H18N9T i 08H18N10T. Badania wykonano na próbkach materiałów według standardowych metod i procedur pomiarowych, określonych odpowiednimi normami. Otrzymane wyniki pomiarów kilkudziesięciu próbek mogą stanowić podstawę oceny przydatności materiałów wykonanych z wyżej wymienionych gatunków stali do budowy maszyn elektrycznych. Wyniki te stanowiły również podstawę do opracowania przez autorów rodziny przyrządów do kontroli, metodą nieniszczącą, przenikalności magnetycznej zarówno materiałów, jak i elementów maszyn z nich wykonywanych. 1. WSTĘP Stale austenityczne, oprócz dużej wytrzymałości mechanicznej, charakteryzuje: odporność na działanie żrące substancji chemicznych (odporność na korozję, nierdzewność, kwasoodporność), odporność na działanie wysokich temperatur (żaroodporność, żarowytrzymałość) oraz gorsze właściwości magnetyczne (niemagnetyczność). Wymienione cechy powodują, że elementy pomocnicze maszyn elektrycznych pracujące w silnych, przemiennych polach magnetycznych oraz przy dużych obciążeniach mechanicznych, jak np. pierścienie dociskowe magnetowodu turbogeneratora, są wykonywane ze stali austenitycznych. Straty na ciepło wywołane polem elektromagnetycznym działającym na określony element maszyny zależą w dużym stopniu od właściwości magnetycznych stali, a ściślej od ilości i wielkości obszarów o właściwościach ferromagnetycznych (np. ferrytu) występujących w austenicie. W budowie maszyn elektrycznych wymaga się, aby * Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław.
przenikalność magnetyczna względna elementów pomocniczych pracujących w przemiennych polach magnetycznych o dużym natężeniu ( 10 ka/m) nie przekraczała wartości 1,1, a elementów pracujących w polach o mniejszym natężeniu 3, rzadziej 5. Produkcja stali austenitycznej o gwarantowanych odpowiednich właściwościach jest droga. W handlu jest dostępna w stosunkowo dużych ilościach austenityczna stal odporna na korozję, ale jej właściwości elektryczne i magnetyczne nie są kontrolowane. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów przenikalności magnetycznej i konduktywności stali austenitycznej odpornej na korozję w gatunku 1H18N9T i 08H18N10T oraz ocenę przydatności do produkcji elementów maszyn elektrycznych. Omówiono również przyrządy przenośne, opracowane przez autorów, umożliwiające kontrolę metodą nieniszczącą przenikalności magnetycznej zarówno materiałów (np. prętów, blach), jak i gotowych elementów maszyn. 313 2. AUSTENITYCZNE STALE NIEMAGNETYCZNE Stale niemagnetyczne na potrzeby elektrotechniki powinny mieć właściwości paramagnetyczne, tzn. ich przenikalność magnetyczna względna powinna osiągać wartości nieco większe od jedności. Czyste żelazo w postaci alotropowej γ wykazuje właściwości paramagnetyczne jedynie w wysokich temperaturach w granicach od około 1180 K do ok. 1660 K. Żelazo techniczne, zawierające niewielkie ilości domieszek trudnych do całkowitego usunięcia, jest paramagnetyczne, gdy występuje w postaci mieszaniny eutektycznej złożonej z nasyconego roztworu stałego węgla w żelazie γ zwanej austenitem. W czystych stopach żelaza z węglem austenit występuje w temperaturze powyżej 996 K. Poniżej tej temperatury austenit jest nietrwały ulega eutektoidalnemu rozpadowi na mieszaninę ferrytu (Feα) i cementytu (Fe 3 C), a stop staje się ferromagnetykiem. Domieszki manganu, niklu i kobaltu rozszerzają w stopach z żelazem obszary fazy γ żelaza. Przy odpowiedniej zawartości domieszki stop ma jednofazową strukturę austenityczną, od temperatury solidusu (końca krzepnięcia) do temperatury otoczenia. Domieszki zaś chromu, wanadu, aluminium, krzemu, tytanu pomniejszają obszar fazy γ na korzyść fazy α żelaza. Tak więc odpowiednim doborem składników stopowych można kształtować właściwości fizyczne i chemiczne stopu warunkujące jego zastosowanie. Stale niemagnetyczne są stopami żelaza o strukturze austenitycznej, nie zawierającymi ferrytu oraz nie podlegającymi przemianie martenzytycznej w wyniku odkształceń plastycznych. Najczęściej jako stale paramagnetyczne stosuje się niskowęglowe stale chromowe lub stale chromowo-niklowe z dodatkiem manganu, stabilizującego austenit w niskich temperaturach; są to stale np. w gatunku G18H3 lub H12N11G6 [4]. Dodając chrom i nikiel do stopu żelaza z węglem kształtuje się nie tylko jego właściwości magnetyczne, ale również np. odporność na korozję lub odporność na wysokie temperatury. Stale austenityczne odporne na korozję zawierają najczęściej ok. 18% Cr i ok. 8% Ni, np. gatunek 1H18N9T. Stale austenityczne odporne na wysoką temperaturę mają większą zawartość dodatków: Cr do 26%, Ni do 36%. Właściwości magnetyczne stali austenitycznych odpornych na korozję lub wysoką temperaturę mogą spełniać wymagania stawiane stalom niemagnetycznym. Spośród stali austenitycznych na rynku występuje w największych ilościach stal odporna na korozję, ze względu na duże możliwości zastosowań.
314 3. PRZEDMIOT I WYNIKI BADAŃ Na podstawie rozeznania dokonanego przez autorów, do budowy elektrycznych maszyn wirujących i transformatorów dużej mocy niezbędny jest dość szeroki asortyment materiałów wykonanych ze stali niemagnetycznych. Są to przede wszystkim pręty (walcowane lub ciągnione) o przekroju poprzecznym w kształcie koła, sześciokąta lub prostokąta oraz blachy. Zróżnicowane są też wymiary geometryczne. Średnice prętów okrągłych są zawarte w przedziale (16 65) mm, a grubości blach (1 54) mm. Elementy o skomplikowanych kształtach lub dużych wymiarach geometrycznych, jak np. pierścienie dociskowe magnetowodu stojana turbogeneratora, są wykonywane metodą odlewania. Wszystkie elementy w procesie produkcji podlegają obróbce skrawaniem, a niektóre z nich są łączone poprzez spawanie. Obróbka skrawaniem i spawanie mogą wywołać zmiany eutektoidalne austenitu, a w konsekwencji pogorszenie właściwości paramagnetycznych. Ze stali niemagnetycznych wykonuje się elementy maszyny znajdujące się poza drogą głównego strumienia magnetycznego, ale poddane działaniu przemiennych magnetycznych pól rozproszenia o dużym natężeniu (do 10 ka/m). Wartości natężenia pól rozproszenia magnetycznego są zróżnicowane, dlatego należy dobierać materiał na wykonanie danego elementu pod względem właściwości magnetycznych i elektrycznych. Jak wykazało rozeznanie większość niemagnetycznych elementów maszyn wykonuje się ze stali odpornej na korozję w gatunku 1H18N9T i 08H18N10T, rzadziej ze stali niemagnetycznej w gatunku G18H3 lub odlewa ze staliwa odpornego na korozję w gatunku L0H18N10M. Na zlecenie firmy ABB Dolmel Ltd. i ABB Elta Ltd. autorzy wykonali pomiary przenikalności magnetycznej i konduktywności 54 próbek materiałów w gatunku 1H18N9T i 08H18N10T. Próbki pobrano z prętów (15 szt.) i z blach (39 szt.). Próbki pobrane z prętów miały przekrój poprzeczny w kształcie koła o średnicy 8 mm lub 16 mm i długość odpowiednio 200 mm i 300 mm. Próbki blach miały postać prętów o przekroju poprzecznym w kształcie prostokąta o wymiarach: (grubość blachy 34) mm i długość 400 mm. Badano blachy o grubości znamionowej: 6, 8, 10, 12, 16, 20 i 25 mm. Pomiary konduktywności wykonano metodą pośrednią mierząc, śrubą mikrometryczną wymiary geometryczne próbki oraz rezystancję próbki mostkiem prądu stałego. Błąd względny pomiaru konduktywności nie przekraczał wartości ±1%. Przenikalność magnetyczną względną próbki mierzono metodą indukcyjną w układzie przedstawionym w amerykańskiej normie [1]. W wyniku pomiaru otrzymywano wartość magnetyzacji B w próbki i wartość natężenia pola magnesującego H. Wartość przenikalności magnetycznej względnej obliczano ze wzoru B w µ r = 1 + (1) µ H Błąd względny pomiaru przenikalności µ r przyjmuje wartość od ±4% do ±10% zależnie od wartości µ r. Pomiary przenikalności wykonano w polach magnetycznych stałych i przemiennych o częstotliwości 50 Hz. Przykładowe wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 1 i przedstawiono na wykresach rys. 1. Wartość konduktywności próbek jest zawarta w przedziale (1,30 1,45) MS/m i nie wykazuje związku z przenikalnością magnetyczną µ r próbki. Z wykresów przedstawionych 0
na rys. 1 można zauważyć, że kształt krzywych µ r = f(h) uzyskanych dla badanych próbek stali austenitycznej przypomina kształt krzywej uzyskiwanej dla materiałów ferromagnetycznych. Jednocześnie daje się zauważyć, że przy rosnącej wartości maksimum przenikalności magnetycznej występuje ono przy coraz mniejszej wartości natężenia pola magnetycznego. Tabela 1. Dane i wyniki pomiarów konduktywności i przenikalności magnetycznej wybranych próbek stali austenitycznej Dane próbki γ µ r H µ r gatunek wymiary w mm max µ r,max pocz. 10 ka/m 30 ka/m 90 ka/m stali nr a(d) b l MS/m ka/m 3 φ 16 299 1,35 1,0080 24,0 1,0060 1,0077 1,0064 1,0092 6 φ 16 299 1,43 2,37 1,50 1,99 1,75 1,44 1,20 13 φ 16 303 1,34 1,017 4,50 1,012 1,0144 1,0120 1,0090 1H18N9T 20 8 34 400 1,44 1,075 17,5 1,035 1,067 1,066 1,040 23 10 34 400 1,43 1,21 2,10 1,15 1,16 1,10 1,060 29 16 34 400 1,37 3,78 3,10 2,70 2,90 2,30 1,64 38 8 34 400 1,28 1,0039 22,5 1,0030 1,0037 1,0034 1,0022 42 10 34 400 1,40 1,21 9,80 1,12 1,21 1,17 1,11 44 12 34 400 1,32 2,00 4,90 1,73 1,88 1,64 1,35 08H18N10T 46 16 34 400 1,42 1,033 7,00 1,022 1,033 1,026 1,014 48 16 34 400 1,42 1,017 17,5 1,010 1,016 1,017 1,0090 50 20 34 400 1,43 1,050 6,90 1,038 1,049 1,045 1,029 53 25 34 400 1,30 1,56 4,90 1,39 1,51 1,42 1,28 315 a) b) 1.08 µ r 4.0 µ r 1.07 1.06 1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 1.00 0 10 20 30 46 20 50 13 48 3 38 H ka/m 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 6 29 44 53 42 23 0 10 20 30 H ka/m Rys. 1. Zależność przenikalności magnetycznej względnej wybranych próbek stali austenitycznej: a µ r w przedziale (1,0 1,1); b µ r w przedziale (1,1 4,0). Uwaga. Liczby przy krzywych oznaczają numer kolejny próbki (tabela 1) Fig. 1. The relationship of the relative magnetic permeability of the selected austenite steel samples: a µ r in the range of (1,0 1,1), b µ r in the range of (1,1 4,0). Caution. The numbers next to the curves
316 indicate the serial number of a sample (table 1) Zaobserwowane cechy krzywej µ r = f(h) badanych próbek zdają się świadczyć o występowaniu niewielkich obszarów o właściwościach ferromagnetycznych zmieniających wypadkową przenikalność stali austenitycznej. Maksymalna wartość przenikalności jest bardzo zróżnicowana i jest zawarta w przedziale (1,003 3,78). Różnice między wynikami pomiarów przenikalności magnetycznej określonej próbki otrzymane podczas magnesowania prądem stałym i przemiennym o częstotliwości 50 Hz nie przekraczają błędów pomiaru. Nie zauważono również zmian przenikalności magnetycznej wskutek frezowania i szlifowania próbek oraz wyżarzania w temperaturze ok. 700 K w czasie 10 godzin. 4. KONTROLA PRZENIKALNOŚCI MAGNETYCZNEJ MATERIAŁÓW I ELEMENTÓW MASZYN WYKONANYCH ZE STALI NIEMAGNETYCZNEJ Wyniki pomiarów przenikalności magnetycznej przedstawione w punkcie 3 wskazują na możliwość występowania znacznych różnic właściwości magnetycznych w ramach jednego gatunku stali odpornej na korozję. Ponadto wartość przenikalności zależy nieliniowo od wartości natężenia pola magnesującego. Optymalny dobór materiału do wykonania danego elementu może nastąpić na podstawie kontroli właściwości magnetycznych materiału lub półproduktu wyjściowego. Istnieje również potrzeba kontroli właściwości magnetycznych na poszczególnych etapach procesu produkcji elementu, podyktowana możliwością pogorszenia tych właściwości poza dopuszczalne granice. Jednocześnie przez użytkowników są preferowane metody nieniszczące, nie wymagające poboru próbek. W wielu przypadkach wymaga się kontroli lokalnej, określonych fragmentów elementu. Dotyczy to w szczególności elementów o dużych wymiarach geometrycznych, w których mogą występować lokalne obszary o zwiększonej przenikalności magnetycznej, powodujące miejscowe przegrzanie elementu. Autorzy opracowali, wykonali i wdrożyli do praktyki przemysłowej kilkanaście różnych modeli analogowych i cyfrowych przyrządów do kontroli przenikalności stali niemagnetycznych metodą nieniszczącą [2, 3]. Przyrządy mają czujnik reluktancyjny o otwartym obwodzie magnetycznym (rys. 2). Sygnał wyjściowy czujnika, gdy czujnik znajduje się w powietrzu, jest kompensowany do zera. Ustawienie czujnika G U/I N p S Object Obiekt N s PS A DA LR F A/D Rys. 2. Schemat blokowy przyrządu z czujnikiem reluktancyjnym do kontroli przenikalności magnetycznej stali niemagnetycznej; G generator, U/I przetwornik napięcie prąd, S czujnik, PS przesuwnik fazowy, A wzmacniacz, DA wzmacniacz różnicowy, LR prostownik liniowy, F filtr dolnoprzepustowy, A/D przetwornik analogowo-cyfrowy, LCD wskażnik ciekłokrystaliczny Fig. 2. Block diagram of the device with reluctance sensor designed to measure the magnetic permeability of weakly magnetic steel; G the generator, U/I voltage-current converter, S the sensor, PS phase shifter, LCD
A the amplifier, DA differential amplifier, LR linear rectifier, F low-pass filter, A/D analoguedigital converter, LCD liquidcrystal display nabiegunnikami na obiekcie badanym powoduje pojawienie się na wyjściu czujnika napięcia proporcjonalnego do przenikalności magnetycznej obiektu. Zakres pomiaru przenikalności magnetycznej względnej przyrządu jest zależny od typu i wynosi najczęściej: 1 3 przy rozdzielczości 0,01. Błąd pomiaru przenikalności zależy od wartości mierzonej przenikalności i mieści się w przedziale (5 10)%. Wzorcowanie przyrządu jest wykonywane za pomocą kilku wzorców materiałowych o różnej przenikalności. Wzorce materiałowe mają postać pręta o przekroju poprzecznym w kształcie prostokąta lub kwadratu o wymiarach np. (10 10 300) mm i są wykonane z tego samego gatunku stali co badany materiał lub element. Taki kształt wzorca umożliwia wyznaczenie jego charakterystyki µ r = f(h) metodą indukcyjną, zgodnie z normą [1]. Robocze natężenie pola magnetycznego czujnika w powietrzu wynosi (0,5 1) ka/m, zależnie od typu przyrządu. Powierzchnia styku magnetowodu czujnika z obiektem badanym mieści się w zarysie o wymiarach: (1 3) 8 mm, zależnie od czujnika. Najmniejszą powierzchnię styku mają czujniki przeznaczone do kontroli spawów stali niemagnetycznych. Małe wymiary czujnika umożliwiają kontrolę rozkładu przenikalności obiektu badanego. Wadą czujnika reluktancyjnego o małych wymiarach jest mała głębokość wnikania pola magnetycznego czujnika do obiektu badanego oraz pewna zależność rozkładu przestrzennego pola magnetycznego od przenikalności obiektu. Wady te są częściowo pomniejszane w procesie wzorcowania za pomocą wzorców materiałowych. Możliwość zasilania bateryjnego przyrządu stwarza warunki wykonywania pomiarów na składowiskach materiałów już u wytwórcy, a w konsekwencji wybór materiału spełniającego wymagania nabywcy. Stosowanie kontroli międzyoperacyjnych umożliwia eliminowanie z procesu produkcji elementy o przenikalności magnetycznej przekraczającej dopuszczalne granice. 317 5. UWAGI I WNIOSKI KOŃCOWE Stale austenityczne są wykorzystywane do produkcji materiałów i półwyrobów o właściwościach specjalnych, takich jak np. odporność na korozję, odporność na wysokie temperatury, niemagnetyczność itp. Jak wykazały badania stali austenitycznych odpornych na korozję w gatunku 1H18N9T i 08H18N10T występują znaczne różnice właściwości magnetycznych. Wartości przenikalności magnetycznej względnej 54 próbek badanych mieszczą się w przedziale 1,003 3,8. Stwierdzono nieliniową zależność przenikalności magnetycznej stali od natężenia pola magnetycznego, przy czym próbki o większej przenikalności charakteryzuje większa nieliniowość. Kształt krzywej µ r = f (H) badanych stali austenitycznych jest podobny do kształtu tej krzywej uzyskiwanej dla ferromagnetyków. Im większa jest przenikalność badanego materiału, tym wyraźniej zarysowuje się maksimum krzywej. Ponad 11% próbek badanych ma wartość przenikalności magnetycznej względnej mniejszą niż 1,01, a ponad 35% mniejszą niż 1,1. Można więc wśród wyrobów ze stali odpornej na korozję znaleźć takie, których właściwości
318 magnetyczne spełniają wymagania stawiane stalom niemagnetycznym przeznaczonym do budowy maszyn elektrycznych. Kontrolę właściwości magnetycznych i wybór odpowiednich materiałów najlepiej wykonywać już u wytwórcy. W celu eliminacji z procesu produkcji elementów, których przenikalność wzrosła ponad dopuszczalne granice, należy wykonywać kontrolę międzyoperacyjną. Autorzy opracowali, wykonali i wdrożyli do praktyki przemysłowej kilkanaście różnych modeli przyrządów, analogowych i cyfrowych, umożliwiających kontrolę przenikalności magnetycznej materiałów i wyrobów ze stali austenitycznej. Przyrządy te mają na ogół zakres przenikalności magnetycznej względnej od 1 do 3, rozdzielczość 0,01, a błąd pomiaru ±(4 10)%, zależnie od wartości przenikalności. Pomiar jest wykonywany metodą nieniszczącą. LITERATURA [1] ASTM A342, Standards Methods of Test for Permeability of Feebly Magnetic Materials, 1995. [2] BAJOREK J., KOLASA J., Cyfrowy miernik przenikalności magnetycznej względnej stali niemagnetycznych, III Krajowe Sympozjum Pomiarów Magnetycznych, Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej, Elektryka E26, Kielce 1991, s. 15 18. [3] BAJOREK J., KOLASA J., Miernik przenikalności magnetycznej względnej spawów stali niemagnetycznych metodą nieniszczącą, V Krajowe Sympozjum Pomiarów Magnetycznych, Zeszyty naukowe Politechniki Świętokrzyskiej, Elektryka, Kielce, 1997, s. 28 33. [4] REINBOTH H., Technologie und Anwendung magnetischer Werkstoffe, VEB Verlag Technik, Berlin, 1970. AUSTENITE STEELS IN BUILDING OF ELECTRICAL MASCHINES PROPERTIES AND TESTING The non-magnetic austenite steel with guaranteed paramagnetic properties, applied in building of electrical machines, are expensive and barely accessible. The corrosion-resistant austenite steels are the quantitatively prevailing among austenite steels. Their magnetic and electrical properties are not controlled. The scope of presented work deals with these properties of the austenite steels with grades of 1H18N9T and 08H18N10T. The measurements were performed for the material samples according to the standard methods and measurement procedures, determined by adequate standards. The obtained results of measurements of several dozen of samples can be used to evaluate the usability of materials, made of steel grade mentioned above, for building the electrical machines. The authors have made the set of the devices designed to measure magnetic permeability of both materials and machine elements by means of non-destructive method.