Procesos de refinamiento de grano y mejoras del rendimiento magnético en imanes de álnico fundido

Abstracto

Los imanes de álnico, uno de los primeros materiales magnéticos permanentes desarrollados, presentan ventajas únicas en aplicaciones magnéticas de alta temperatura y alta estabilidad. El refinamiento de grano es un método importante para mejorar las propiedades magnéticas de los imanes de álnico. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo de los procesos de refinamiento de grano de los imanes de álnico fundido, incluyendo el tratamiento químico, la vibración mecánica y la agitación, y el tratamiento con campos físicos externos. También explora el impacto del refinamiento de grano en indicadores clave de rendimiento magnético, como la coercitividad, la remanencia y el producto de energía magnética máxima, y ​​anticipa futuras líneas de investigación en este campo.

Palabras clave

Imanes de Alnico fundido; Refinamiento de grano; Rendimiento magnético; Tratamiento químico; Tratamiento de campo físico externo

1. Introducción

Los imanes de álnico, desarrollados por el metalúrgico japonés Mishima Tokushichi en 1932, fueron la fuerza dominante en la industria de los imanes permanentes antes de la aparición de los materiales de tierras raras. Los imanes de álnico son conocidos por su alta temperatura de Curie de hasta 890 °C, lo que les confiere una excelente resistencia y estabilidad a altas temperaturas. También presentan una buena resistencia a la corrosión, lo que garantiza una fiabilidad a largo plazo en entornos hostiles. Si bien la cuota de mercado de los imanes de álnico se ha visto reducida por las ferritas sinterizadas de bajo coste y los imanes permanentes de tierras raras de alto rendimiento, aún presentan ventajas únicas en aplicaciones de alta temperatura superiores a 500 °C y se utilizan ampliamente en entornos que requieren alta estabilidad y durabilidad, como altavoces, medidores de vatios-hora, motores eléctricos, generadores y alternadores.

Las propiedades magnéticas de los imanes de Alnico están estrechamente relacionadas con su microestructura, y el refinamiento de grano es una forma eficaz de mejorarlas. Al reducir el tamaño del grano, aumenta el número de límites de grano, lo que puede dificultar el movimiento de las paredes del dominio magnético, mejorando así la coercitividad. Al mismo tiempo, una microestructura más uniforme también puede mejorar la remanencia y el producto de energía magnética máxima del imán. Por lo tanto, el estudio de los procesos de refinamiento de grano de los imanes de Alnico fundidos es fundamental para mejorar su rendimiento magnético y ampliar su rango de aplicación.

2. Procesos de refinamiento de grano de imanes de álnico fundido

2.1 Tratamiento químico

El tratamiento químico es un método común para el refinamiento de grano en materiales metálicos, y también se utiliza ampliamente en la producción de imanes de álnico fundidos. Este método consiste en añadir una pequeña cantidad de sustancias químicas, conocidas como inoculantes o modificadores, a la masa fundida metálica. Estas sustancias pueden promover la nucleación heterogénea en la masa fundida, aumentar el número de núcleos y, por lo tanto, refinar los granos.

Para los imanes de álnico, la selección de inoculantes es crucial. Según la teoría del grado de desajuste de red y la teoría electrónica empírica, los diferentes inoculantes tienen distintos efectos en la nucleación heterogénea de δ-Fe y γ-Fe. Por ejemplo, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ y MgO tienen efectos significativos en la nucleación heterogénea de δ-Fe, mientras que ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ y CeO₂ son más eficaces para γ-Fe.

Al añadir inoculantes, es necesario asegurar que estén finos y bien dispersos en la masa fundida. De lo contrario, si se agregan, podrían no solo no refinar los granos, sino también afectar el rendimiento de los imanes de álnico. Además, la cantidad de inoculante añadido debe controlarse con precisión. Generalmente, una cantidad adecuada de inoculante puede lograr un buen refinamiento del grano, pero una adición excesiva puede provocar un aumento de inclusiones no metálicas en la masa fundida, lo que perjudica las propiedades magnéticas de los imanes.

2.2 Vibración mecánica y agitación

La vibración mecánica y la agitación son métodos físicos que pueden lograr el refinamiento del grano al provocar un movimiento relativo entre las fases líquida y sólida en la masa fundida del metal, promoviendo la rotura y proliferación de los brazos dendríticos.

2.2.1 Agitación mecánica

La agitación mecánica puede generar diferentes grados de movimiento relativo entre las fases líquida y sólida en el metal fundido, es decir, el movimiento convectivo del metal líquido. Este movimiento convectivo puede provocar la rotura de los brazos dendríticos, y los fragmentos dendríticos rotos pueden actuar como nuevos núcleos para el crecimiento de cristales, aumentando así el número de núcleos y refinando los granos.

Sin embargo, la agitación mecánica también presenta algunas desventajas. Por un lado, al agitar la masa fundida, es fácil introducir gas, y si este no se complementa a tiempo con el metal fundido, pueden formarse defectos como poros y porosidad por contracción. Por otro lado, al agitar masas fundidas de metal con alto punto de fusión, el agitador es propenso al desgaste, lo que puede contaminar la masa fundida y causar nuevos problemas de calidad.

2.2.2 Vibración mecánica

La vibración mecánica también depende del movimiento convectivo del metal fundido para romper las dendritas y provocar la proliferación de la nucleación, logrando así el refinamiento del grano. Sin embargo, en la práctica, al aumentar la frecuencia de la vibración mecánica, el efecto de refinamiento del grano del sistema de solidificación del metal puede disminuir, y problemas como la segregación de carburo y la holgura en el lingote de acero pueden agravarse.

2.3 Tratamiento del campo físico externo

El tratamiento de campo físico externo es una tecnología prometedora de refinamiento de grano, con las ventajas de ser ecológico y fácil de operar. Incluye principalmente tratamiento por corriente, tratamiento por campo magnético y tratamiento ultrasónico.

2.3.1 Tratamiento actual

Cuando una corriente pulsada fuerte y rápidamente variable atraviesa el metal fundido, se genera un campo magnético pulsado fuerte y rápidamente variable en el metal fundido. La interacción entre la corriente pulsada fuerte y el campo magnético pulsado fuerte produce una fuerte fuerza de contracción en el metal fundido, lo que provoca que este se comprima repetidamente y se mueva de un lado a otro en dirección perpendicular a la corriente. Este movimiento de vaivén no solo puede romper los cristales dendríticos, sino que también hace que el metal fundido pierda rápidamente su sobrecalentamiento y aumente la tasa de nucleación. Por lo tanto, cuanto más intensa sea la corriente pulsada, mayor será el efecto de refinamiento del grano.

2.3.2 Tratamiento del campo magnético

Cuando el metal fundido se solidifica en un campo magnético alterno, se genera una corriente inducida en el sistema de solidificación. La interacción entre el campo magnético y la corriente inducida produce una fuerza electromagnética que empuja el metal hacia el eje o lo aleja del mismo en dirección radial, provocando fluctuaciones regulares en el sistema de solidificación. Esta fluctuación tiene un efecto similar a la convección mejorada que se utiliza habitualmente, por lo que el campo magnético alterno tiene un efecto de refinamiento del grano.

Desde la perspectiva del efecto de fluctuación generado por el campo magnético, cuanto mayor sea la intensidad de la inducción magnética, mayor será la presión electromagnética y, por lo tanto, mayor será la fluctuación y mejor será el efecto de refinamiento del grano. Sin embargo, al aumentar la intensidad de la inducción magnética, la corriente inducida también aumenta proporcionalmente, lo que a su vez aumentará el efecto térmico en el sistema de solidificación, reducirá el grado de sobreenfriamiento y, por consiguiente, la tasa de nucleación. Por lo tanto, la curva de relación entre la intensidad del campo magnético y el efecto de refinamiento del grano presenta un valor extremo.

Además, los campos magnéticos pulsados ​​también pueden generar corrientes de Foucault pulsadas en la masa fundida. La interacción entre las corrientes de Foucault y el campo magnético produce fuerzas de Lorentz y presiones magnéticas, que varían considerablemente y son mucho más fuertes que la presión dinámica de la masa fundida metálica. Esto provoca una intensa vibración de la masa fundida metálica, lo que aumenta el grado de sobreenfriamiento durante la solidificación, mejora la velocidad de nucleación y genera convección forzada en la masa fundida, impidiendo el crecimiento de las dendritas o su rotura y aplastamiento. Las partículas de dendritas rotas flotan en el líquido en el frente de cristalización y se convierten en nuevos núcleos de crecimiento. Por lo tanto, cuanto mayor sea la intensidad de la inducción magnética pulsada, mayor será el efecto de refinamiento del grano.

2.3.3 Tratamiento ultrasónico

El tratamiento ultrasónico aprovecha los efectos de cavitación acústica y transmisión acústica generados al propagarse las ondas ultrasónicas en un líquido para lograr el refinamiento del grano. Cuando las ondas ultrasónicas actúan sobre el metal fundido, las moléculas del líquido se someten a la acción de un campo sonoro alterno periódico, lo que genera cavitación acústica y transmisión acústica. Estos efectos pueden provocar cambios en el campo de flujo, el campo de presión y el campo de temperatura en el metal fundido, generando efectos locales de alta temperatura y alta presión. La vibración del líquido provoca que los brazos dendríticos se desprendan del frente de solidificación y actúen como núcleos de nucleación heterogéneos en el metal fundido. El efecto dispersor de las ondas ultrasónicas sobre el metal fundido permite una distribución más uniforme de las partículas. Además, la metalurgia ultrasónica también puede eliminar gases y escorias, lo que constituye una tecnología de purificación del metal fundido.

3. Impacto del refinamiento del grano en los indicadores de rendimiento magnético de los imanes de álnico fundido

3.1 Coercitividad

La coercitividad es un indicador importante para medir la capacidad de un imán permanente para resistir la desmagnetización. El refinamiento de grano puede mejorar significativamente la coercitividad de los imanes de Alnico. En una estructura de grano grueso, las paredes del dominio magnético pueden moverse fácilmente a través de los límites de grano, lo que aumenta la susceptibilidad del imán a la desmagnetización. Tras el refinamiento de grano, el número de límites de grano aumenta, y estos pueden actuar como puntos de fijación para las paredes del dominio magnético, dificultando su movimiento. Por lo tanto, se requiere un mayor campo magnético externo para mover las paredes del dominio magnético; es decir, aumenta la coercitividad del imán.

Por ejemplo, en los imanes Alnico 5, a través de procesos adecuados de refinamiento de grano, se puede aumentar la coercitividad desde el valor original a un nivel superior, mejorando la capacidad del imán para mantener sus propiedades magnéticas en presencia de campos magnéticos inversos o perturbaciones externas.

3.2 Remanencia

La remanencia se refiere a la intensidad de inducción magnética que permanece en el imán después de que el campo magnético externo se reduce a cero. El refinamiento del grano también puede tener un impacto positivo en la remanencia de los imanes de Alnico. Una microestructura más uniforme obtenida mediante el refinamiento del grano puede reducir la dispersión de los momentos magnéticos y hacer que estos estén más alineados en la misma dirección, aumentando así la remanencia del imán.

Además, el refinamiento del grano también puede reducir la cantidad de defectos, como poros e inclusiones, en el imán. Estos defectos pueden alterar la alineación de los dominios magnéticos y reducir la remanencia. Al eliminar o reducir estos defectos, se puede mejorar aún más la remanencia del imán.

3.3 Producto de energía magnética máxima

El producto de energía magnética máxima es un indicador integral que refleja la capacidad de almacenamiento de energía de un imán permanente. Es proporcional al producto de la remanencia por el cuadrado de la coercitividad. Dado que el refinamiento del grano puede mejorar tanto la coercitividad como la remanencia de los imanes de Alnico, inevitablemente conducirá a un aumento del producto de energía magnética máxima.

Un mayor producto de energía magnética máxima significa que el imán puede almacenar y emitir más energía magnética en el mismo volumen, lo cual es fundamental para aplicaciones que requieren una alta salida de energía magnética, como motores y generadores eléctricos. Por ejemplo, en el diseño de motores eléctricos de alta eficiencia, el uso de imanes de Alnico con un mayor producto de energía magnética máxima permite reducir el tamaño y el peso del motor, a la vez que mejora su rendimiento.

4. Análisis de casos

4.1 Caso 1: Refinamiento de grano de imanes de Alnico 5 mediante tratamiento químico

En una empresa productora de imanes de Alnico, para mejorar las propiedades magnéticas de los imanes de Alnico 5, se adoptó un tratamiento químico para el refinamiento del grano. El inóculo seleccionado fue un compuesto que contenía elementos Ti y B. Durante el proceso de producción, se añadió una cantidad adecuada del inóculo a la masa fundida de Alnico según su peso.

Tras la solidificación y el posterior tratamiento térmico, se observó la microestructura de los imanes de Alnico 5 con un microscopio metalográfico. Se observó que el tamaño de grano de los imanes tratados con el inoculante era significativamente menor que el de los imanes sin tratar. El tamaño de grano promedio disminuyó de aproximadamente 100 μm a aproximadamente 30 μm.

Las pruebas de propiedades magnéticas mostraron que la coercitividad de los imanes de Alnico 5 con grano refinado aumentó de 52 kA/m a 60 kA/m, la remanencia de 1,2 T a 1,25 T y el producto de energía magnética máxima de 40 kJ/m³ a 48 kJ/m³. Esto indica que el tratamiento químico con un inóculo adecuado puede refinar eficazmente los granos de los imanes de Alnico 5 y mejorar significativamente sus propiedades magnéticas.

4.2 Caso 2: Refinamiento de grano de imanes de Alnico 8 mediante tratamiento ultrasónico

En otro proyecto de investigación, se aplicó un tratamiento ultrasónico al refinamiento de grano de imanes de Alnico 8. Durante el proceso de solidificación de la masa fundida de Alnico 8, se insertó una sonda ultrasónica en la masa fundida y se aplicaron ondas ultrasónicas de una potencia y frecuencia determinadas durante un tiempo determinado.

El análisis metalográfico mostró que los granos de los imanes de Alnico 8 tratados con ultrasonidos eran mucho más finos que los de los imanes sin tratar. El tratamiento ultrasónico rompió las dendritas en la masa fundida, aumentó el número de núcleos y logró un refinamiento del grano.

Las mediciones de las propiedades magnéticas revelaron que la coercitividad de los imanes de Alnico 8 tratados con ultrasonidos aumentó de 140 kA/m a 160 kA/m, la remanencia de 1,0 T a 1,05 T y el producto de energía magnética máxima de 60 kJ/m³ a 70 kJ/m³. Esto demuestra que el tratamiento ultrasónico es un método eficaz de refinamiento de grano para los imanes de Alnico 8 y puede mejorar significativamente su rendimiento magnético.

5. Conclusión y perspectivas

El refinamiento de grano es un método importante para mejorar las propiedades magnéticas de los imanes de álnico fundido. El tratamiento químico, la vibración mecánica y la agitación, y el tratamiento por campo físico externo son procesos eficaces para el refinamiento de grano. Entre ellos, el tratamiento químico es sencillo de operar y tiene un efecto de refinamiento significativo, pero la selección y la cantidad de inóculos a añadir deben controlarse estrictamente. La vibración mecánica y la agitación pueden lograr el refinamiento de grano por medios físicos, pero pueden introducir algunos defectos. El tratamiento por campo físico externo, como el tratamiento con corriente, el tratamiento con campo magnético y el tratamiento ultrasónico, presenta las ventajas de ser ecológico y fácil de operar, y presenta un gran potencial de desarrollo.

El refinamiento del grano puede mejorar la coercitividad, la remanencia y el producto de energía magnética máxima de los imanes de Alnico, haciéndolos más adecuados para aplicaciones magnéticas de alto rendimiento. En futuras investigaciones, se podrán explorar más a fondo los siguientes aspectos:

• Optimizar los procesos de refinamiento de grano, como el estudio de los parámetros óptimos de tratamiento químico, vibración mecánica y agitación, y tratamiento de campo físico externo para lograr el mejor efecto de refinamiento de grano.
• Desarrollar inoculantes o agentes de refinamiento de granos nuevos y más efectivos para mejorar la eficiencia del refinamiento y reducir costos.
• Combine diferentes métodos de refinamiento de grano para aprovechar al máximo sus respectivas ventajas y mejorar aún más las propiedades magnéticas de los imanes de Alnico.
• Estudiar la relación entre el refinamiento del grano y otros factores como el tratamiento térmico, la composición de la aleación y la tecnología de procesamiento para mejorar de manera integral el rendimiento de los imanes de Alnico.

En conclusión, a través de la investigación continua y la innovación en los procesos de refinamiento de grano, las propiedades magnéticas de los imanes de Alnico fundido se pueden mejorar continuamente, ampliando su rango de aplicación y promoviendo el desarrollo de la industria de los imanes permanentes.