Kornfeinungsprozesse und Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von gegossenen Alnico-Magneten

Abstrakt

Alnico-Magnete, eines der ersten entwickelten Permanentmagnetmaterialien, bieten einzigartige Vorteile für Hochtemperatur- und Hochstabilitätsanwendungen. Die Kornfeinung ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Alnico-Magneten. Diese Arbeit analysiert detailliert die Kornfeinungsprozesse von gegossenen Alnico-Magneten, einschließlich chemischer Behandlung, mechanischer Vibration und Rühren sowie der Behandlung mit einem externen physikalischen Feld. Sie untersucht außerdem den Einfluss der Kornfeinung auf wichtige magnetische Leistungskennzahlen wie Koerzitivfeldstärke, Remanenz und maximales magnetisches Energieprodukt und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen in diesem Bereich.

Schlüsselwörter

Gegossene Alnico-Magnete; Kornfeinung; Magnetische Eigenschaften; Chemische Behandlung; Behandlung mit einem externen physikalischen Feld

1. Einleitung

Alnico-Magnete, 1932 vom japanischen Metallurgen Mishima Tokushichi entwickelt, waren vor dem Aufkommen von Seltenerd-Permanentmagneten einst führend in der Permanentmagnetindustrie. Sie zeichnen sich durch ihre hohe Curie-Temperatur von bis zu 890 °C aus, die ihnen eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit und Stabilität verleiht. Zudem bieten sie eine gute Korrosionsbeständigkeit und gewährleisten so langfristige Zuverlässigkeit auch unter rauen Bedingungen. Obwohl der Marktanteil von Alnico-Magneten durch kostengünstige Sinterferrite und leistungsstarke Seltenerd-Permanentmagnete gesunken ist, bieten sie nach wie vor einzigartige Vorteile in Hochtemperaturanwendungen über 500 °C und werden häufig in Bereichen eingesetzt, die hohe Stabilität und Langlebigkeit erfordern, wie beispielsweise Lautsprecher, Wattstundenzähler, Elektromotoren, Generatoren und Wechselstromgeneratoren.

Die magnetischen Eigenschaften von Alnico-Magneten hängen eng mit ihrer Mikrostruktur zusammen, und die Kornfeinung ist ein effektiver Weg, diese Eigenschaften zu verbessern. Durch die Verringerung der Korngröße erhöht sich die Anzahl der Korngrenzen, was die Bewegung magnetischer Domänenwände behindern und somit die Koerzitivfeldstärke erhöhen kann. Gleichzeitig kann eine gleichmäßigere Mikrostruktur auch die Remanenz und das maximale magnetische Energieprodukt des Magneten steigern. Daher ist die Untersuchung der Kornfeinungsprozesse von gegossenen Alnico-Magneten von großer Bedeutung für die Verbesserung ihrer magnetischen Eigenschaften und die Erweiterung ihres Anwendungsbereichs.

2. Kornfeinungsprozesse von gegossenen Alnico-Magneten

2.1 Chemische Behandlung

Die chemische Behandlung ist ein gängiges Verfahren zur Kornfeinung von Metallwerkstoffen und findet breite Anwendung bei der Herstellung von gegossenen Alnico-Magneten. Dabei werden der Metallschmelze geringe Mengen chemischer Substanzen, sogenannte Impfmittel oder Modifikatoren, zugesetzt. Diese Substanzen fördern die heterogene Keimbildung in der Schmelze, erhöhen die Anzahl der Keime und verfeinern so das Korn.

Bei Alnico-Magneten ist die Wahl der Impfmittel entscheidend. Gemäß der Theorie des Gitterfehlanpassungsgrades und der empirischen Elektronentheorie beeinflussen verschiedene Impfmittel die heterogene Keimbildung von δ-Fe und γ-Fe unterschiedlich. Beispielsweise haben CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ und MgO einen signifikanten Einfluss auf die heterogene Keimbildung von δ-Fe, während ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ und CeO₂ für γ-Fe wirksamer sind.

Bei der Zugabe von Impfmitteln ist darauf zu achten, dass diese fein und gut in der Schmelze dispergiert sind. Andernfalls, wenn die Impfmittel aggregieren, kann dies nicht nur die Kornfeinung beeinträchtigen, sondern auch die Leistung der Alnico-Magnete negativ beeinflussen. Darüber hinaus muss die zugegebene Impfmittelmenge präzise kontrolliert werden. Im Allgemeinen lässt sich mit einer angemessenen Menge eine gute Kornfeinung erzielen, eine übermäßige Zugabe kann jedoch zu einem Anstieg nichtmetallischer Einschlüsse in der Schmelze führen, was die magnetischen Eigenschaften der Magnete beeinträchtigt.

2.2 Mechanische Vibration und Rühren

Mechanische Vibration und Rühren sind physikalische Methoden, die eine Kornverfeinerung erreichen können, indem sie eine Relativbewegung zwischen der flüssigen und der festen Phase in der Metallschmelze bewirken und so das Aufbrechen und die Vermehrung von Dendritenarmen fördern.

2.2.1 Mechanisches Rühren

Mechanisches Rühren erzeugt unterschiedliche relative Bewegungen zwischen der flüssigen und der festen Phase in der Metallschmelze, die sogenannte Konvektionsströmung des flüssigen Metalls. Diese Konvektionsströmung kann zum Bruch von Dendritenarmen führen, und die Bruchstücke können als neue Kristallisationskeime dienen, wodurch die Anzahl der Keime zunimmt und das Gefüge verfeinert wird.

Die mechanische Rührtechnik weist jedoch auch Nachteile auf. Zum einen kann beim Rühren der Schmelze leicht Gas eingebracht werden. Wird dieses Gas nicht rechtzeitig durch das flüssige Metall ersetzt, können Defekte wie Poren und Schwindungsporosität entstehen. Zum anderen unterliegt der Rührer beim Rühren von hochschmelzenden Metallschmelzen einem Verschleiß, der die Schmelze verunreinigen und neue Qualitätsprobleme verursachen kann.

2.2.2 Mechanische Schwingungen

Mechanische Vibrationen nutzen die Konvektionsbewegung der Metallschmelze, um Dendriten aufzubrechen und die Keimbildung anzuregen, was zu einer Kornfeinung führt. In der Praxis kann jedoch mit steigender Vibrationsfrequenz die Kornfeinungswirkung des Erstarrungsprozesses abnehmen, und Probleme wie Karbidsegregation und Lockerheit im Stahlblock können sich verschärfen.

2.3 Externe physikalische Feldbehandlung

Die Behandlung mit externen physikalischen Feldern ist eine vielversprechende Technologie zur Kornfeinung, die umweltfreundlich und einfach anzuwenden ist. Sie umfasst im Wesentlichen Strombehandlung, Magnetfeldbehandlung und Ultraschallbehandlung.

2.3.1 Aktuelle Behandlung

Wenn ein schnell wechselnder, starker Impulsstrom durch die Metallschmelze fließt, entsteht in der Schmelze ein schnell wechselndes, starkes Impulsfeld. Die Wechselwirkung zwischen dem starken Impulsstrom und dem starken Impulsfeld erzeugt eine starke Kontraktionskraft in der Metallschmelze. Dadurch wird die Schmelze wiederholt komprimiert und bewegt sich senkrecht zur Stromrichtung hin und her. Diese Hin- und Herbewegung kann nicht nur dendritische Kristalle aufbrechen, sondern auch die Überhitzung der Schmelze schnell abbauen und die Keimbildungsrate erhöhen. Je stärker der Impulsstrom ist, desto ausgeprägter ist daher der Kornfeinungseffekt.

2.3.2 Magnetfeldbehandlung

Wenn eine Metallschmelze in einem Wechselfeld erstarrt, wird im Erstarrungssystem ein induzierter Strom erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und induziertem Strom erzeugt eine elektromagnetische Kraft, die das Metall radial zur Achse hin oder von ihr weg drückt und so regelmäßige Fluktuationen im Erstarrungssystem verursacht. Diese Fluktuation hat einen ähnlichen Effekt wie die üblicherweise genutzte verstärkte Konvektion, wodurch das Wechselfeld eine Kornfeinung bewirkt.

Aus Sicht der durch das Magnetfeld hervorgerufenen Fluktuationseffekte gilt: Je stärker die magnetische Flussdichte, desto größer der elektromagnetische Druck und damit die Fluktuation, was wiederum zu einer besseren Kornfeinung führt. Allerdings steigt mit zunehmender magnetischer Flussdichte auch der induzierte Strom proportional an, was den thermischen Effekt im Erstarrungssystem verstärkt, den Unterkühlungsgrad verringert und somit die Keimbildungsrate senkt. Daher weist die Kurve für den Zusammenhang zwischen Magnetfeldstärke und Kornfeinungseffekt einen Extremwert auf.

Darüber hinaus können gepulste Magnetfelder auch gepulste Wirbelströme in der Schmelze erzeugen. Die Wechselwirkung zwischen den Wirbelströmen und dem Magnetfeld erzeugt Lorentzkräfte und magnetische Drücke, die sich stark verändern und deutlich stärker sind als der dynamische Druck der Metallschmelze. Dies führt zu intensiven Vibrationen der Metallschmelze, wodurch der Unterkühlungsgrad während der Erstarrung erhöht, die Keimbildungsrate verbessert und eine erzwungene Konvektion in der Schmelze verursacht wird. Dadurch wird das Wachstum der Dendriten gehemmt oder diese werden abgebrochen und zerdrückt. Die abgebrochenen Dendritenpartikel schwimmen an der Kristallisationsfront in der Schmelze und bilden neue Wachstumskerne. Je stärker die gepulste magnetische Induktion ist, desto ausgeprägter ist daher der Kornfeinungseffekt.

2.3.3 Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallbehandlung nutzt die Effekte der akustischen Kavitation und des akustischen Strömungsverhaltens, die bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen in einer Flüssigkeit entstehen, um eine Kornfeinung zu erzielen. Wenn Ultraschallwellen auf die Metallschmelze einwirken, werden die Flüssigkeitsmoleküle einem periodisch wechselnden Schallfeld ausgesetzt, wodurch Kavitation und akustisches Strömungsverhalten entstehen. Diese Effekte können Veränderungen des Strömungs-, Druck- und Temperaturfelds in der Schmelze bewirken und lokale Überhitzung und Überdruck erzeugen. Die Vibration der Flüssigkeit führt dazu, dass sich Dendritenarme von der Erstarrungsfront lösen und als heterogene Keimbildungszentren in der Schmelze wirken. Die dispergierende Wirkung der Ultraschallwellen auf die Schmelze bewirkt eine gleichmäßigere Verteilung der Partikel. Darüber hinaus kann die Ultraschallmetallurgie auch Gase und Schlacke entfernen und stellt somit eine Schmelzreinigungstechnologie dar.

3. Einfluss der Kornfeinung auf die magnetischen Leistungskennwerte von gegossenen Alnico-Magneten

3.1 Koerzitivfeldstärke

Die Koerzitivfeldstärke ist ein wichtiger Indikator für die Entmagnetisierungsbeständigkeit eines Permanentmagneten. Durch Kornfeinung lässt sich die Koerzitivfeldstärke von Alnico-Magneten deutlich verbessern. In einem grobkörnigen Gefüge können sich magnetische Domänenwände leicht über die Korngrenzen bewegen, wodurch der Magnet anfälliger für Entmagnetisierung wird. Nach der Kornfeinung erhöht sich die Anzahl der Korngrenzen, die als Verankerungspunkte für die magnetischen Domänenwände wirken und deren Bewegung behindern. Daher ist ein stärkeres externes Magnetfeld erforderlich, um die magnetischen Domänenwände zu bewegen, d. h. die Koerzitivfeldstärke des Magneten steigt.

Beispielsweise kann bei Alnico-5-Magneten durch geeignete Kornfeinungsprozesse die Koerzitivfeldstärke vom ursprünglichen Wert auf ein höheres Niveau erhöht werden, wodurch die Fähigkeit des Magneten verbessert wird, seine magnetischen Eigenschaften bei Vorhandensein umgekehrter Magnetfelder oder externer Störungen beizubehalten.

3.2 Remanenz

Die Remanenz bezeichnet die magnetische Flussdichte, die im Magneten verbleibt, nachdem das äußere Magnetfeld auf null reduziert wurde. Kornfeinung kann die Remanenz von Alnico-Magneten positiv beeinflussen. Eine durch Kornfeinung erzielte gleichmäßigere Mikrostruktur verringert die Streuung der magnetischen Momente und führt zu deren besserer Ausrichtung in dieselbe Richtung, wodurch die Remanenz des Magneten erhöht wird.

Darüber hinaus kann die Kornfeinung auch die Anzahl von Defekten wie Poren und Einschlüssen im Magneten verringern. Diese Defekte können die Ausrichtung der magnetischen Domänen stören und die Remanenz verringern. Durch die Beseitigung oder Verringerung dieser Defekte kann die Remanenz des Magneten weiter verbessert werden.

3.3 Maximales magnetisches Energieprodukt

Das maximale magnetische Energieprodukt ist ein umfassender Indikator, der die Energiespeicherkapazität eines Permanentmagneten widerspiegelt. Es ist proportional zum Produkt aus Remanenz und dem Quadrat der Koerzitivfeldstärke. Da eine Kornfeinung sowohl die Koerzitivfeldstärke als auch die Remanenz von Alnico-Magneten verbessern kann, führt sie zwangsläufig zu einer Erhöhung des maximalen magnetischen Energieprodukts.

Ein höheres maximales magnetisches Energieprodukt bedeutet, dass der Magnet bei gleichem Volumen mehr magnetische Energie speichern und abgeben kann. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die eine hohe magnetische Energieabgabe erfordern, wie beispielsweise Elektromotoren und Generatoren. So kann beispielsweise bei der Entwicklung hocheffizienter Elektromotoren durch den Einsatz von Alnico-Magneten mit einem höheren maximalen magnetischen Energieprodukt die Größe und das Gewicht des Motors reduziert und gleichzeitig seine Leistung verbessert werden.

4. Fallanalyse

4.1 Fallbeispiel 1: Kornfeinung von Alnico-5-Magneten durch chemische Behandlung

In einem Unternehmen zur Herstellung von Alnico-Magneten wurde zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Alnico-5-Magneten eine chemische Behandlung zur Kornfeinung eingesetzt. Als Impfmittel wurde eine Verbindung mit Titan und Bor verwendet. Während des Produktionsprozesses wurde der Alnico-Schmelze entsprechend ihrem Gewicht eine geeignete Menge des Impfmittels zugesetzt.

Nach der Erstarrung und der anschließenden Wärmebehandlung wurde das Mikrogefüge der Alnico-5-Magnete mit einem metallografischen Mikroskop untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Korngröße der mit dem Impfmittel behandelten Magnete deutlich kleiner war als die der unbehandelten Magnete. Die durchschnittliche Korngröße verringerte sich von etwa 100 μm auf etwa 30 μm.

Magnetische Eigenschaftenprüfungen zeigten, dass die Koerzitivfeldstärke der kornverfeinerten Alnico-5-Magnete von 52 kA/m auf 60 kA/m, die Remanenz von 1,2 T auf 1,25 T und das maximale magnetische Energieprodukt von 40 kJ/m³ auf 48 kJ/m³ anstiegen. Dies deutet darauf hin, dass eine chemische Behandlung mit einem geeigneten Impfmittel die Körner von Alnico-5-Magneten effektiv verfeinern und deren magnetische Eigenschaften deutlich verbessern kann.

4.2 Fallbeispiel 2: Kornfeinung von Alnico-8-Magneten durch Ultraschallbehandlung

In einem weiteren Forschungsprojekt wurde die Kornfeinung von Alnico-8-Magneten mittels Ultraschallbehandlung untersucht. Während des Erstarrungsprozesses der Alnico-8-Schmelze wurde eine Ultraschallsonde in die Schmelze eingeführt und Ultraschallwellen mit definierter Leistung und Frequenz über einen bestimmten Zeitraum angewendet.

Metallographische Analysen zeigten, dass die Körner der mit Ultraschall behandelten Alnico-8-Magnete deutlich feiner waren als die der unbehandelten Magnete. Die Ultraschallbehandlung brach die Dendriten in der Schmelze auf, erhöhte die Anzahl der Keime und führte so zu einer Kornverfeinerung.

Magnetische Messungen ergaben, dass die Koerzitivfeldstärke der ultraschallbehandelten Alnico-8-Magnete von 140 kA/m auf 160 kA/m, die Remanenz von 1,0 T auf 1,05 T und das maximale magnetische Energieprodukt von 60 kJ/m³ auf 70 kJ/m³ anstiegen. Dies belegt, dass die Ultraschallbehandlung eine effektive Methode zur Kornfeinung von Alnico-8-Magneten darstellt und deren magnetische Eigenschaften deutlich verbessern kann.

5. Fazit und Ausblick

Die Kornfeinung ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von gegossenen Alnico-Magneten. Chemische Behandlung, mechanische Vibration und Rühren sowie die Behandlung mit externen physikalischen Feldern sind allesamt effektive Kornfeinungsverfahren. Die chemische Behandlung ist einfach durchzuführen und erzielt eine signifikante Verfeinerung, jedoch müssen die Auswahl und die Zugabemenge der Impfmittel streng kontrolliert werden. Mechanische Vibration und Rühren ermöglichen eine physikalische Kornfeinung, können aber Defekte verursachen. Die Behandlung mit externen physikalischen Feldern, wie z. B. Strom-, Magnetfeld- und Ultraschallbehandlung, ist umweltfreundlich, einfach durchzuführen und birgt großes Entwicklungspotenzial.

Durch Kornfeinung lassen sich die Koerzitivfeldstärke, die Remanenz und das maximale magnetische Energieprodukt von Alnico-Magneten verbessern, wodurch diese besser für Hochleistungsanwendungen geeignet sind. Zukünftige Forschungsarbeiten können folgende Aspekte weiter untersuchen:

• Optimieren Sie die Kornfeinungsprozesse, indem Sie die optimalen Parameter der chemischen Behandlung, der mechanischen Vibration und des Rührens sowie der externen physikalischen Feldbehandlung untersuchen, um den besten Kornfeinungseffekt zu erzielen.
• Entwicklung neuer und effektiverer Impfmittel oder Getreideveredelungsmittel zur Verbesserung der Veredelungseffizienz und Kostensenkung.
• Durch die Kombination verschiedener Kornfeinungsmethoden können deren jeweilige Vorteile voll ausgeschöpft und die magnetischen Eigenschaften von Alnico-Magneten weiter verbessert werden.
• Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Kornfeinung und anderen Faktoren wie Wärmebehandlung, Legierungszusammensetzung und Verarbeitungstechnologie, um die Leistung von Alnico-Magneten umfassend zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch kontinuierliche Forschung und Innovation bei den Kornfeinungsverfahren die magnetischen Eigenschaften von gegossenen Alnico-Magneten stetig verbessert werden können, wodurch sich ihr Anwendungsbereich erweitert und die Entwicklung der Permanentmagnetindustrie gefördert wird.