Процеси на рафиниране на зърното и подобрения на магнитните характеристики в ляти алнико магнити

Резюме

Алнико магнитите, като едни от най-ранно разработените постоянни магнитни материали, имат уникални предимства при приложения с висока температура и висока стабилност. Рафинирането на зърната е важно средство за подобряване на магнитните свойства на Алнико магнитите. Тази статия предоставя задълбочен анализ на процесите на рафиниране на зърната на ляти Алнико магнити, включително химическа обработка, механични вибрации и разбъркване, както и обработка с външно физическо поле. В нея се изследва и влиянието на рафинирането на зърната върху ключови показатели за магнитни характеристики, като коерцитивност, остатъчна магнитна напрегнатост и максимален магнитен енергиен продукт, и се очакват бъдещи насоки на изследвания в тази област.

Ключови думи

Ляти алнико магнити; Рафиниране на зърното; Магнитни характеристики; Химическа обработка; Обработка с външно физическо поле

1. Въведение

Алнико магнитите, разработени от японския металург Мишима Токушичи през 1932 г., някога са били доминиращата сила в индустрията за постоянни магнити преди появата на редкоземните постоянни магнитни материали. Алнико магнитите са известни с високата си температура на Кюри до 890 °C, което им придава отлична устойчивост на високи температури и стабилност. Те също така имат добра устойчивост на корозия, осигуряваща дългосрочна надеждност в тежки условия. Въпреки че пазарният дял на Алнико магнитите е свит от евтините синтеровани ферити и високоефективните редкоземни постоянни магнити, те все още имат уникални предимства при приложения с висока температура над 500 °C и се използват широко в сценарии, които изискват висока стабилност и издръжливост, като например високоговорители, ватчасови измервателни уреди, електродвигатели, генератори и алтернатори.

Магнитните свойства на Alnico магнитите са тясно свързани с тяхната микроструктура, а рафинирането на зърната е ефективен начин за подобряване на техните магнитни свойства. Чрез намаляване на размера на зърната се увеличава броят на границите между зърната, което може да възпрепятства движението на магнитните доменни стени, като по този начин се подобрява коерцитивността. В същото време, по-равномерната микроструктура може също да подобри остатъчната магнитна напрегнатост и максималния магнитен енергиен продукт на магнита. Следователно, изучаването на процесите на рафиниране на зърната на лятите Alnico магнити е от голямо значение за подобряване на техните магнитни характеристики и разширяване на обхвата им на приложение.

2. Процеси на рафиниране на зърното на ляти алнико магнити

2.1 Химическа обработка

Химическата обработка е често срещан метод за рафиниране на зърната в металните материали и се използва широко и в производството на ляти алнико магнити. Този метод включва добавяне на малко количество химични вещества, известни като инокуланти или модификатори, към металната стопилка. Тези вещества могат да насърчат хетерогенното зародишообразуване в стопилката, да увеличат броя на ядрата и по този начин да рафинират зърната.

За Alnico магнитите, изборът на инокуланти е от решаващо значение. Според теорията за степента на несъответствие на решетката и емпиричната електронна теория, различните инокуланти имат различно въздействие върху хетерогенното зародишообразуване на δ-Fe и γ-Fe. Например, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ и MgO имат значително влияние върху хетерогенното зародишообразуване на δ-Fe, докато ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ и CeO₂ са по-ефективни за γ-Fe.

При добавяне на инокуланти е необходимо да се гарантира, че те са фини и добре диспергирани в стопилката. В противен случай, ако инокулантите се агрегират, те може не само да не успеят да рафинират зърната, но и да повлияят на производителността на магнитите Alnico. Освен това, количеството на добавения инокулант също трябва да бъде прецизно контролирано. Обикновено, подходящо количество инокулант може да постигне добър ефект на рафиниране на зърната, но прекомерното добавяне може да доведе до увеличаване на неметалните включвания в стопилката, което е вредно за магнитните свойства на магнитите.

2.2 Механични вибрации и разбъркване

Механичните вибрации и разбъркването са физични методи, които могат да постигнат рафиниране на зърната, като предизвикват относително движение между течната и твърдата фаза в металната стопилка, насърчавайки счупването и разпространението на дендритни рамена.

2.2.1 Механично разбъркване

Механичното разбъркване може да създаде различна степен на относително движение между течната и твърдата фаза в металната стопилка, т.е. конвективно движение на течния метал. Това конвективно движение може да причини счупване на дендритните рамена, а счупените дендритни фрагменти могат да действат като нови ядра за растеж на кристали, като по този начин увеличават броя на ядрата и рафинират зърната.

Механичното разбъркване обаче има и някои недостатъци. От една страна, при разбъркване на стопилката е лесно да се въведе газ и ако газът не може да бъде допълнен своевременно от разтопения метал, могат да се образуват дефекти като пори и свиваща се порьозност. От друга страна, при разбъркване на метални стопилки с висока точка на топене, бъркалката е склонна към износване, което може да замърси металната стопилка и да причини нови проблеми с качеството.

2.2.2 Механични вибрации

Механичните вибрации също разчитат на конвективното движение на металната стопилка, за да разрушат дендритите и да предизвикат пролиферация на зародиши, за да се постигне рафиниране на зърната. Въпреки това, на практика, когато честотата на механичните вибрации се увеличи, ефектът на рафиниране на зърната на металната система (втвърдяване) може да намалее и проблеми като сегрегация на карбиди и разхлабване в стоманения слитък могат да станат по-сериозни.

2.3 Лечение с външно физическо поле

Обработката с външно физическо поле е обещаваща технология за рафиниране на зърното, която има предимствата да е екологична и лесна за работа. Тя включва главно токова обработка, обработка с магнитно поле и ултразвукова обработка.

2.3.1 Текущо лечение

Когато бързо променящ се силен импулсен ток преминава през металната стопилка, в нея се генерира бързо променящо се силно импулсно магнитно поле. Взаимодействието между силния импулсен ток и силното импулсно магнитно поле ще създаде силна свиваща сила в металната стопилка, което ще доведе до многократно компресиране на стопилката и движение напред-назад в посока, перпендикулярна на тока. Това движение напред-назад може не само да разруши дендритните кристали, но и да накара стопилката бързо да загуби прегряване и да увеличи скоростта на нуклеация. Следователно, колкото по-силен е импулсният ток, толкова по-значителен е ефектът на рафиниране на зърната.

2.3.2 Лечение с магнитно поле

Когато металната стопилка се втвърди в променливо магнитно поле, в системата за втвърдяване ще се генерира индуциран ток. Взаимодействието между магнитното поле и индуцирания ток ще създаде електромагнитна сила, която ще притиска метала към или ще го издърпва от оста по радиалната посока, причинявайки регулярни колебания в системата за втвърдяване. Това колебание има подобен ефект на обикновено използваната засилена конвекция, така че променливото магнитно поле има ефект на изтъняване на зърната.

От гледна точка на флуктуационния ефект, породен от магнитното поле, колкото по-силен е интензитетът на магнитната индукция, толкова по-голямо е електромагнитното налягане и следователно толкова по-интензивно е флуктуирането и толкова по-добър е ефектът на пречистване на зърната. Въпреки това, когато интензитетът на магнитната индукция се увеличи, индуцираният ток също се увеличава пропорционално, което съответно ще увеличи топлинния ефект в системата на втвърдяване, ще намали степента на преохлаждане и по този начин ще намали скоростта на зародишообразуване. Следователно, кривата на зависимостта между интензитета на магнитното поле и ефекта на пречистване на зърната е крива с екстремна стойност.

Освен това, импулсните магнитни полета могат да генерират и импулсни вихрови токове в стопилката. Взаимодействието между вихровите токове и магнитното поле създава сили на Лоренц и магнитно налягане, които се променят интензивно и са много по-силни от динамичното налягане на металната стопилка. Това причинява интензивни вибрации на металната стопилка, увеличавайки степента на преохлаждане по време на втвърдяване, подобрявайки скоростта на нуклеация и предизвиквайки принудителна конвекция в стопилката, предотвратявайки растежа или счупването и смачкването на дендритите. Счупените дендритни частици плуват в течността на фронта на кристализация и се превръщат в нови ядра на растеж. Следователно, колкото по-силна е интензивността на импулсната магнитна индукция, толкова по-значителен е ефектът на рафиниране на зърната.

2.3.3 Ултразвуково третиране

Ултразвуковата обработка използва ефектите на акустичната кавитация и акустичното стрийминг, генерирани при разпространението на ултразвукови вълни в течност, за да се постигне рафиниране на зърната. Когато ултразвуковите вълни действат върху металната стопилка, молекулите на течността са подложени на действието на периодично променливо звуково поле, генерирайки акустична кавитация и акустично стрийминг ефекти. Тези ефекти могат да причинят промени в полето на потока, полето на налягане и температурното поле в стопилката, генерирайки локални ефекти на висока температура и високо налягане. Вибрацията на течността кара дендритните рамена да се отделят от фронта на втвърдяване и да действат като хетерогенни ядра на зародиши в стопилката, а диспергиращият ефект на ултразвуковите вълни върху стопилката прави частиците разпределени по-равномерно. Освен това, ултразвуковата металургия може също да премахва газове и шлака, което е технология за пречистване на стопилката.

3. Влияние на рафинирането на зърната върху магнитните показатели на лятите алнико магнити

3.1 Принуда

Коерцитивността е важен индикатор за измерване на способността на постоянния магнит да се съпротивлява на размагнетизиране. Пречистването на зърната може значително да подобри коерцитивността на Alnico магнитите. В едрозърнеста структура, магнитните доменни стени могат лесно да се движат през границите на зърната, което прави магнита по-податлив на размагнетизиране. След пречистване на зърната, броят на границите на зърната се увеличава и границите на зърната могат да действат като центрове за закрепване на магнитните доменни стени, възпрепятствайки тяхното движение. Следователно, е необходимо по-голямо външно магнитно поле, за да се движат магнитните доменни стени, т.е. коерцитивността на магнита се увеличава.

Например, в магнитите Alnico 5, чрез подходящи процеси на рафиниране на зърната, коерцитивността може да се увеличи от първоначалната стойност до по-високо ниво, подобрявайки способността на магнита да поддържа магнитните си свойства при наличие на обратни магнитни полета или външни смущения.

3.2 Реманентност

Остатъчното магнитно поле се отнася до интензитета на магнитната индукция, оставащ в магнита, след като външното магнитно поле се отстрани до нула. Пречистването на зърната също може да има положителен ефект върху остатъчното магнитно поле на Alnico магнитите. По-равномерната микроструктура, получена чрез пречистване на зърната, може да намали разсейването на магнитните моменти и да направи магнитните моменти по-подравнени в една и съща посока, като по този начин увеличи остатъчното магнитно поле на магнита.

Освен това, рафинирането на зърната може да намали броя на дефектите, като пори и включвания в магнита. Тези дефекти могат да нарушат подравняването на магнитните домени и да намалят остатъчната магнитна емисия. Чрез елиминиране или намаляване на тези дефекти, остатъчната магнитна емисия може да бъде допълнително подобрена.

3.3 Максимално произведение на магнитната енергия

Максималният магнитен енергиен продукт е всеобхватен индикатор, който отразява капацитета за съхранение на енергия на постоянен магнит. Той е пропорционален на произведението на остатъчната магнитна сила и квадрата на коерцитивността. Тъй като рафинирането на зърната може да подобри както коерцитивността, така и остатъчната магнитна сила на Alnico магнитите, това неизбежно ще доведе до увеличаване на максималния магнитен енергиен продукт.

По-високият максимален магнитен енергиен продукт означава, че магнитът може да съхранява и отдава повече магнитна енергия при същия обем, което е много важно за приложения, които изискват висок магнитен енергиен изход, като например електрически двигатели и генератори. Например, при проектирането на високоефективни електрически двигатели, използването на Alnico магнити с по-висок максимален магнитен енергиен продукт може да намали размера и теглото на двигателя, като същевременно подобри неговата производителност.

4. Анализ на случая

4.1 Случай 1: Рафиниране на зърната на магнити Alnico 5 чрез химическа обработка

В едно предприятие за производство на магнити Alnico, за да се подобрят магнитните свойства на магнитите Alnico 5, е приложена химическа обработка за рафиниране на зърната. Избраният инокулант е съединение, съдържащо елементи Ti и B. По време на производствения процес, към стопилката Alnico е добавено подходящо количество инокулант, в зависимост от теглото на стопилката.

След втвърдяване и последваща термична обработка, микроструктурата на магнитите Alnico 5 беше наблюдавана с помощта на металографски микроскоп. Установено е, че размерът на зърната на магнитите, третирани с инокуланта, е значително по-малък от този на необработените магнити. Средният размер на зърната намаля от около 100 μm до около 30 μm.

Тестовете за магнитни свойства показаха, че коерцитивността на рафинираните с магнити Alnico 5 се е увеличила от 52 kA/m до 60 kA/m, остатъчната магнитна напрегнатост се е увеличила от 1,2 T до 1,25 T, а максималният магнитен енергиен продукт се е увеличил от 40 kJ/m³ до 48 kJ/m³. Това показва, че химическата обработка с подходящ инокулант може ефективно да рафинира зърната на магнитите Alnico 5 и значително да подобри техните магнитни свойства.

4.2 Случай 2: Рафиниране на зърната на магнити Alnico 8 чрез ултразвукова обработка

В друг изследователски проект е приложена ултразвукова обработка за рафиниране на зърната на магнити Alnico 8. По време на процеса на втвърдяване на стопилката Alnico 8, в стопилката е поставена ултразвукова сонда и ултразвукови вълни с определена мощност и честота са прилагани за определен период от време.

Металографският анализ показа, че зърната на магнитите Alnico 8, обработени с ултразвук, са много по-фини от тези на необработените магнити. Ултразвуковата обработка разрушава дендритите в стопилката, увеличава броя на ядрата и постига изтъняване на зърната.

Измерванията на магнитните свойства показаха, че коерцитивността на ултразвуково обработените магнити Alnico 8 се е увеличила от 140 kA/m на 160 kA/m, остатъчната магнитна напрегнатост се е увеличила от 1,0 T на 1,05 T, а максималният магнитен енергиен продукт се е увеличил от 60 kJ/m³ на 70 kJ/m³. Това показва, че ултразвуковата обработка е ефективен метод за рафиниране на зърната за магнитите Alnico 8 и може значително да подобри техните магнитни характеристики.

5. Заключение и перспектива

Рафинирането на зърната е важно средство за подобряване на магнитните свойства на лятите Alnico магнити. Химическата обработка, механичната вибрация и разбъркването, както и обработката с външно физическо поле са ефективни процеси за рафиниране на зърната. Сред тях химическата обработка е лесна за изпълнение и има значителен ефект на рафиниране, но изборът и количеството на добавяните инокуланти трябва да бъдат стриктно контролирани. Механичната вибрация и разбъркването могат да постигнат рафиниране на зърната чрез физически средства, но те могат да доведат до някои дефекти. Обработката с външно физическо поле, като например обработка с ток, обработка с магнитно поле и ултразвукова обработка, има предимствата да е екологична и лесна за изпълнение, и има голям потенциал за развитие.

Пречистването на зърната може да подобри коерцитивността, остатъчната магнитна напрегнатост и максималния магнитен енергиен продукт на Alnico магнитите, което ги прави по-подходящи за високопроизводителни магнитни приложения. В бъдещи изследвания могат да бъдат допълнително проучени следните аспекти:

• Оптимизирайте процесите на рафиниране на зърната, като например изучаване на оптималните параметри на химическа обработка, механични вибрации и разбъркване, както и външна физическа полева обработка, за да постигнете най-добър ефект на рафиниране на зърната.
• Разработване на нови и по-ефективни инокуланти или агенти за рафиниране на зърното, за да се подобри ефективността на рафиниране и да се намалят разходите.
• Комбинирайте различни методи за рафиниране на зърната, за да се възползвате максимално от съответните им предимства и допълнително да подобрите магнитните свойства на Alnico магнитите.
• Проучете връзката между рафинирането на зърната и други фактори, като например термична обработка, състав на сплавта и технология на обработка, за да подобрите цялостно производителността на Alnico магнитите.

В заключение, чрез непрекъснати изследвания и иновации в процесите на рафиниране на зърната, магнитните свойства на лятите Alnico магнити могат да бъдат непрекъснато подобрявани, разширявайки обхвата им на приложение и насърчавайки развитието на индустрията за постоянни магнити.