Kornforfiningsprocesser og forbedringer af magnetisk ydeevne i støbte Alnico-magneter
Abstrakt
Alnico-magneter, som et af de tidligst udviklede permanente magnetiske materialer, har unikke fordele i magnetiske anvendelser med høj temperatur og høj stabilitet. Kornforfining er et vigtigt middel til at forbedre de magnetiske egenskaber ved Alnico-magneter. Denne artikel giver en dybdegående analyse af kornforfiningsprocesserne i støbte Alnico-magneter, herunder kemisk behandling, mekanisk vibration og omrøring samt behandling i eksternt fysisk felt. Den undersøger også virkningen af kornforfining på centrale magnetiske ydeevneindikatorer såsom koercitivitet, remanens og maksimalt magnetisk energiprodukt og ser frem til fremtidige forskningsretninger inden for dette felt.
Nøgleord
Støbte Alnico-magneter; Kornforfining; Magnetisk ydeevne; Kemisk behandling; Ekstern fysisk feltbehandling
1. Introduktion
Alnico-magneter, udviklet af den japanske metallurg Mishima Tokushichi i 1932, var engang den dominerende kraft i permanentmagnetindustrien før fremkomsten af permanentmagnetmaterialer af sjældne jordarter. Alnico-magneter er kendt for deres høje Curie-temperatur på op til 890 °C, hvilket giver dem fremragende modstandsdygtighed og stabilitet ved høje temperaturer. De har også god korrosionsbestandighed, hvilket sikrer langvarig pålidelighed i barske miljøer. Selvom markedsandelen for Alnico-magneter er blevet reduceret af billige sintrede ferritter og højtydende permanentmagneter af sjældne jordarter, har de stadig unikke fordele i højtemperaturapplikationer over 500 °C og anvendes i vid udstrækning i scenarier, der kræver høj stabilitet og holdbarhed, såsom højttalere, watt-timemålere, elmotorer, generatorer og generatorer.
Alnico-magneters magnetiske egenskaber er tæt forbundet med deres mikrostruktur, og kornforfining er en effektiv måde at forbedre deres magnetiske egenskaber på. Ved at reducere kornstørrelsen øges antallet af korngrænser, hvilket kan hindre bevægelsen af magnetiske domænevægge og derved forbedre koercitiviteten. Samtidig kan en mere ensartet mikrostruktur også forbedre magnetens remanens og maksimale magnetiske energiprodukt. Derfor er det af stor betydning at studere kornforfiningsprocesserne for støbte Alnico-magneter for at forbedre deres magnetiske ydeevne og udvide deres anvendelsesområde.
2. Kornforfiningsprocesser for støbte Alnico-magneter
2.1 Kemisk behandling
Kemisk behandling er en almindelig metode til kornforfining i metalmaterialer, og den anvendes også i vid udstrækning i produktionen af støbte Alnico-magneter. Denne metode involverer tilsætning af en lille mængde kemiske stoffer, kendt som inokulanter eller modifikatorer, til metalsmelten. Disse stoffer kan fremme heterogen kimdannelse i smelten, øge antallet af kerner og dermed forfine kornene.
For Alnico-magneter er valget af inokulanter afgørende. Ifølge gittermismatch-gradsteorien og den empiriske elektronteori har forskellige inokulanter forskellige effekter på den heterogene kimdannelse af δ-Fe og γ-Fe. For eksempel har CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ og MgO betydelige effekter på den heterogene kimdannelse af δ-Fe, mens ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ og CeO₂ er mere effektive for γ-Fe.
Når man tilsætter inokulanter, er det nødvendigt at sikre, at de er fine og godt dispergerede i smelten. Ellers kan inokulanterne, hvis de aggregerer, ikke blot ikke forfine kornene, men også påvirke Alnico-magneternes ydeevne. Derudover skal mængden af tilsat inokulant også kontrolleres præcist. Generelt kan en passende mængde inokulant opnå en god kornforfiningseffekt, men overdreven tilsætning kan føre til en stigning i ikke-metalliske indeslutninger i smelten, hvilket er skadeligt for magneternes magnetiske egenskaber.
2.2 Mekanisk vibration og omrøring
Mekanisk vibration og omrøring er fysiske metoder, der kan opnå kornforfining ved at forårsage relativ bevægelse mellem de flydende og faste faser i metalsmelten, hvilket fremmer brud og spredning af dendritarme.
2.2.1 Mekanisk omrøring
Mekanisk omrøring kan skabe forskellige grader af relativ bevægelse mellem den flydende og faste fase i metalsmelten, det vil sige den konvektive bevægelse af det flydende metal. Denne konvektive bevægelse kan forårsage brud på dendritarme, og de knuste dendritfragmenter kan fungere som nye kerner for krystalvækst, hvorved antallet af kerner øges og kornene forfines.
Mekanisk omrøring har dog også nogle ulemper. På den ene side er det let at tilføre gas, når man omrører smelten, og hvis gassen ikke kan suppleres rettidigt med det smeltede metal, kan der dannes defekter som porer og krympningsporøsitet. På den anden side er omrøreren tilbøjelig til slid, når man omrører metalsmelter med højt smeltepunkt, hvilket kan forurene metalsmelten og forårsage nye kvalitetsproblemer.
2.2.2 Mekanisk vibration
Mekanisk vibration er også afhængig af den konvektive bevægelse af metalsmelten for at bryde dendritterne og forårsage kimdannelsesproliferation for at opnå kornforfining. I praktisk drift kan kornforfiningseffekten af metalstørkningssystemet (størkningssystemet) dog falde, når den mekaniske vibrationsfrekvens stiger, og problemer som hårdmetalafskillelse og løshed i stålbarren kan blive mere alvorlige.
2.3 Ekstern fysisk feltbehandling
Ekstern fysisk feltbehandling er en lovende kornforfiningsteknologi, som har fordelene ved at være miljøvenlig og nem at betjene. Den omfatter primært strømbehandling, magnetfeltbehandling og ultralydsbehandling.
2.3.1 Nuværende behandling
Når en hurtigt skiftende stærk pulserende strøm passerer gennem metalsmelten, vil der blive genereret et hurtigt skiftende stærkt pulserende magnetfelt i smelten. Samspillet mellem den stærke pulserende strøm og det stærke pulserende magnetfelt vil producere en stærk sammentrækningskraft i metalsmelten, hvilket får smelten til gentagne gange at blive komprimeret og bevæge sig frem og tilbage i en retning vinkelret på strømmen. Denne frem-og-tilbage-bevægelse kan ikke kun bryde de dendritiske krystaller, men også få smelten til hurtigt at miste sin overhedning og øge kimdannelseshastigheden. Derfor, jo stærkere pulsstrømmen er, desto mere betydelig er kornforfiningseffekten.
2.3.2 Magnetfeltbehandling
Når metalsmelten størkner i et vekslende magnetfelt, vil der blive genereret en induceret strøm i størkningssystemet. Samspillet mellem magnetfeltet og den inducerede strøm vil producere en elektromagnetisk kraft, som vil presse metallet mod eller trække det væk fra aksen langs den radiale retning, hvilket forårsager regelmæssige fluktuationer i størkningssystemet. Denne fluktuation har en lignende effekt som den forstærkede konvektion, der normalt anvendes, så det vekslende magnetfelt har en kornforfiningseffekt.
Fra perspektivet af den fluktuationseffekt, der forårsages af magnetfeltet, gælder det, at jo stærkere den magnetiske induktionsintensitet er, desto større er det elektromagnetiske tryk, og dermed desto mere intens er fluktuationen, og desto bedre er kornforfiningseffekten. Men når den magnetiske induktionsintensitet stiger, stiger den inducerede strøm også proportionalt, hvilket tilsvarende vil øge den termiske effekt i størkningssystemet, reducere superkølingsgraden og dermed mindske kimdannelseshastigheden. Derfor er forholdskurven mellem magnetfeltintensiteten og kornforfiningseffekten en kurve med en ekstremværdi.
Derudover kan pulserende magnetfelter også generere pulserende hvirvelstrømme i smelten. Samspillet mellem hvirvelstrømmene og magnetfeltet producerer Lorentz-kræfter og magnetiske tryk, som er intenst ændrende og meget stærkere end det dynamiske tryk i metalsmelten. Dette forårsager intens vibration af metalsmelten, hvilket øger superkølingsgraden under størkning, forbedrer kimdannelseshastigheden og forårsager tvungen konvektion i smelten, hvilket forhindrer dendritterne i at vokse eller bryde og knuse dem. De knuste dendritpartikler flyder i væsken ved krystallisationsfronten og bliver til nye vækstkerner. Derfor, jo stærkere den pulserende magnetiske induktionsintensitet er, desto mere signifikant er kornforfiningseffekten.
2.3.3 Ultralydbehandling
Ultralydbehandling udnytter den akustiske kavitation og akustiske strømningseffekter, der genereres, når ultralydbølger udbreder sig i en væske, for at opnå kornforfining. Når ultralydbølger virker på metalsmelten, udsættes væskemolekylerne for et periodisk alternerende lydfelt, hvilket genererer akustisk kavitation og akustiske strømningseffekter. Disse effekter kan forårsage ændringer i strømningsfeltet, trykfeltet og temperaturfeltet i smelten, hvilket genererer lokale højtemperatur- og højtrykseffekter. Væskens vibrationer får dendritarmene til at løsne sig fra størkningsfronten og fungere som heterogene kimdannelseskerner i smelten, og den dispergerende effekt af ultralydbølger på smelten får partiklerne til at fordele sig mere ensartet. Derudover kan ultralydmetallurgi også fjerne gas og slagge, hvilket er en smelterensningsteknologi.
3. Virkning af kornforfining på magnetiske ydeevneindikatorer for støbte Alnico-magneter
3.1 Tvang
Koercitivitet er en vigtig indikator for at måle en permanent magnets evne til at modstå afmagnetisering. Kornforfining kan forbedre Alnico-magneters koercitivitet betydeligt. I en grovkornet struktur kan magnetiske domænevægge let bevæge sig på tværs af korngrænser, hvilket gør magneten mere modtagelig for afmagnetisering. Efter kornforfining øges antallet af korngrænser, og korngrænserne kan fungere som fastgørelsescentre for magnetiske domænevægge og dermed hindre deres bevægelse. Derfor kræves et større eksternt magnetfelt for at bevæge de magnetiske domænevægge, dvs. magnetens koercitivitet øges.
For eksempel kan koercitiviteten i Alnico 5-magneter øges fra den oprindelige værdi til et højere niveau gennem passende kornforfiningsprocesser, hvilket forbedrer magnetens evne til at opretholde sine magnetiske egenskaber i nærvær af omvendte magnetfelter eller eksterne forstyrrelser.
3.2 Remanens
Remanens refererer til den magnetiske induktionsintensitet, der er tilbage i magneten, efter at det eksterne magnetfelt er fjernet til nul. Kornforfining kan også have en positiv indvirkning på remanensen af Alnico-magneter. En mere ensartet mikrostruktur opnået gennem kornforfining kan reducere spredningen af magnetiske momenter og gøre de magnetiske momenter mere justeret i samme retning, hvorved magnetens remanens øges.
Derudover kan kornforfining også reducere antallet af defekter såsom porer og indeslutninger i magneten. Disse defekter kan forstyrre justeringen af magnetiske domæner og reducere remanensen. Ved at eliminere eller reducere disse defekter kan magnetens remanens forbedres yderligere.
3.3 Maksimal magnetisk energiprodukt
Det maksimale magnetiske energiprodukt er en omfattende indikator, der afspejler en permanentmagnets energilagringskapacitet. Den er proportional med produktet af remanensen og kvadratet af koercitiviteten. Da kornforfining kan forbedre både koercitiviteten og remanensen af Alnico-magneter, vil det uundgåeligt føre til en stigning i det maksimale magnetiske energiprodukt.
Et højere maksimalt magnetisk energiprodukt betyder, at magneten kan lagre og udsende mere magnetisk energi under samme volumen, hvilket er meget vigtigt for applikationer, der kræver høj magnetisk energiudgang, såsom elmotorer og generatorer. For eksempel kan brugen af Alnico-magneter med et højere maksimalt magnetisk energiprodukt i design af højeffektive elmotorer reducere motorens størrelse og vægt, samtidig med at dens ydeevne forbedres.
4. Caseanalyse
4.1 Case 1: Kornforfining af Alnico 5-magneter ved kemisk behandling
I en bestemt Alnico-magnetproduktionsvirksomhed blev der anvendt kemisk behandling til kornforfining for at forbedre de magnetiske egenskaber af Alnico 5-magneter. Det valgte inokulant var en forbindelse indeholdende Ti- og B-elementer. Under produktionsprocessen blev en passende mængde inokulant tilsat Alnico-smelten i henhold til smeltens vægt.
Efter størkning og efterfølgende varmebehandling blev mikrostrukturen af Alnico 5-magneterne observeret ved hjælp af et metallografisk mikroskop. Det blev konstateret, at kornstørrelsen af de magneter, der var behandlet med inokulanten, var betydeligt mindre end de ubehandlede magneters. Den gennemsnitlige kornstørrelse faldt fra ca. 100 μm til ca. 30 μm.
Test af magnetiske egenskaber viste, at koercitiviteten af de kornraffinerede Alnico 5-magneter steg fra 52 kA/m til 60 kA/m, remanensen steg fra 1,2 T til 1,25 T, og det maksimale magnetiske energiprodukt steg fra 40 kJ/m³ til 48 kJ/m³. Dette indikerer, at kemisk behandling med et passende inokulant effektivt kan raffinere kornene i Alnico 5-magneter og forbedre deres magnetiske egenskaber betydeligt.
4.2 Case 2: Kornforfining af Alnico 8-magneter ved ultralydsbehandling
I et andet forskningsprojekt blev ultralydsbehandling anvendt til kornforfining af Alnico 8-magneter. Under størkningsprocessen af Alnico 8-smelten blev en ultralydssonde indsat i smelten, og ultralydbølger med en bestemt effekt og frekvens blev påført i en bestemt periode.
Metallografisk analyse viste, at kornene i de Alnico 8-magneter, der var behandlet med ultralyd, var meget finere end kornene i de ubehandlede magneter. Ultralydsbehandlingen brød dendritterne i smelten, øgede antallet af kerner og opnåede kornforfining.
Målinger af magnetiske egenskaber viste, at koercitiviteten af de ultralydbehandlede Alnico 8-magneter steg fra 140 kA/m til 160 kA/m, remanensen steg fra 1,0 T til 1,05 T, og det maksimale magnetiske energiprodukt steg fra 60 kJ/m³ til 70 kJ/m³. Dette viser, at ultralydsbehandling er en effektiv metode til kornforfining af Alnico 8-magneter og kan forbedre deres magnetiske ydeevne betydeligt.
5. Konklusion og fremtidsudsigter
Kornforfining er et vigtigt middel til at forbedre de magnetiske egenskaber af støbte Alnico-magneter. Kemisk behandling, mekanisk vibration og omrøring samt ekstern fysisk feltbehandling er alle effektive kornforfiningsprocesser. Blandt disse er kemisk behandling enkel at betjene og har en betydelig forfiningseffekt, men udvælgelsen og tilsætningsmængden af inokulanter skal kontrolleres strengt. Mekanisk vibration og omrøring kan opnå kornforfining gennem fysiske midler, men de kan medføre nogle defekter. Ekstern fysisk feltbehandling, såsom strømbehandling, magnetfeltbehandling og ultralydsbehandling, har fordelene ved at være miljøvenlig og nem at betjene og har et stort udviklingspotentiale.
Kornforfining kan forbedre koercitiviteten, remanensen og det maksimale magnetiske energiprodukt af Alnico-magneter, hvilket gør dem mere egnede til højtydende magnetiske applikationer. I fremtidig forskning kan følgende aspekter undersøges yderligere:
- Optimer kornforfiningsprocesserne, såsom undersøgelse af de optimale parametre for kemisk behandling, mekanisk vibration og omrøring samt ekstern fysisk feltbehandling for at opnå den bedste kornforfiningseffekt.
- Udvikle nye og mere effektive inokulanter eller kornforfiningsmidler for at forbedre forfiningseffektiviteten og reducere omkostningerne.
- Kombinér forskellige kornforfiningsmetoder for at udnytte deres respektive fordele fuldt ud og forbedre Alnico-magneternes magnetiske egenskaber yderligere.
- Undersøg forholdet mellem kornforfining og andre faktorer såsom varmebehandling, legeringssammensætning og forarbejdningsteknologi for at forbedre Alnico-magneters ydeevne omfattende.
Afslutningsvis kan de magnetiske egenskaber ved støbte Alnico-magneter løbende forbedres gennem kontinuerlig forskning og innovation inden for kornforfining, hvilket udvider deres anvendelsesområde og fremmer udviklingen af permanentmagnetindustrien.
