حذف مؤثر آخال‌ها و تأثیر آنها بر خواص مغناطیسی در ذوب آهنربای آلنیکو

۱. مقدمه‌ای بر آهنرباهای آلنیکو و چالش‌های مربوط به گنجاندن آنها

آهنرباهای آلنیکو، که عمدتاً از آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni)، کبالت (Co) و آهن (Fe) تشکیل شده‌اند، به دلیل پایداری دمایی عالی، پسماند مغناطیسی بالا و مقاومت خوب در برابر خوردگی مشهور هستند. با این حال، وجود آخال‌های غیرفلزی (NMI) مانند اکسیدها، سولفیدها و کاربیدها در طول ذوب می‌تواند خواص مغناطیسی آنها، از جمله وادارندگی، پسماند مغناطیسی و پایداری مغناطیسی را به طور قابل توجهی کاهش دهد. این مقاله به بررسی فرآیندهای اکسیداسیون‌زدایی و سرباره‌زدایی در ذوب آلنیکو می‌پردازد و بر تکنیک‌های مؤثر حذف آخال و تأثیر آنها بر عملکرد مغناطیسی تمرکز می‌کند.

۲. منابع و انواع آخال‌ها در ذوب آلنیکو

۲.۱ منابع اولیه‌ی شمول‌ها

• مواد اولیه : ناخالصی‌های موجود در آلومینیوم، نیکل، کبالت و آهن با درجه صنعتی می‌توانند اکسیدها (مثلاً Al₂O₃، FeO) و سولفیدها (مثلاً FeS) را ایجاد کنند.
• محیط ذوب : واکنش با اکسیژن اتمسفر یا رطوبت در حین ذوب، اکسیدها و هیدریدها را تشکیل می‌دهد.
• فرسایش نسوز : برهمکنش بین فلز مذاب و مواد بوته (مثلاً بوته‌های MgO) می‌تواند باعث ایجاد آخال‌های نسوز شود.

2.2 انواع اجزاء

• اکسیدها (Al₂O₃، FeO، NiO) : به دلیل سختی و پایداری بالا، بیشترین ضرر را دارند.
• سولفیدها (FeS، CoS) : می‌توانند به عنوان متمرکزکننده‌های تنش عمل کنند و یکپارچگی مکانیکی را کاهش دهند.
• کاربیدها (TiC، NbC) : ممکن است در طول آلیاژسازی با Ti یا Nb تشکیل شوند و بر ساختار دانه تأثیر بگذارند.

۳. فرآیندهای اکسیداسیون زدایی و سرباره زدایی در ذوب آلنیکو

۳.۱ تکنیک‌های اکسیداسیون زدایی

اکسیداسیون، میزان اکسیژن موجود در مذاب را کاهش می‌دهد و از تشکیل اکسید جلوگیری می‌کند. روش‌های متداول عبارتند از:

۳.۱.۱ دی‌اکسیداسیون کربن

• اصل : کربن با اکسیژن واکنش می‌دهد و گاز CO تشکیل می‌دهد:

• رویه:
  • پودر کربن (مثلاً گرافیت) را پس از ذوب کامل فلزات پایه به مذاب اضافه کنید.
  • برای اطمینان از واکنش یکنواخت، کاملاً هم بزنید.
  • سرباره شناور را پس از فروکش کردن انتشار CO2 بردارید.
• مزایا : ساده، مقرون به صرفه و مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ.
• محدودیت‌ها : کربن اضافی می‌تواند کاربید تشکیل دهد که بر خواص مغناطیسی تأثیر می‌گذارد.

۳.۱.۲ دی‌اکسیداسیون کلسیم

• اصل : کلسیم با اکسیژن واکنش می‌دهد تا CaO تشکیل شود که به صورت سرباره حذف می‌شود:

• رویه:
  • آلیاژ CaSi (سیلیساید کلسیم) را به مذاب اضافه کنید.
  • برای افزایش واکنش، هم بزنید و در دمای بالا (۱۶۰۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد) نگه دارید.
  • سرباره CaO شناور را جدا کنید.
• مزایا : برای اکسیداسیون عمیق مؤثر است، در مقایسه با کربن، گاز کمتری تولید می‌کند.
• محدودیت‌ها : کلسیم با رطوبت واکنش می‌دهد و نیاز به جابجایی در شرایط خشک دارد.

۳.۱.۳ تصفیه با گاز بی‌اثر (شناورسازی با حباب)

• اصل : تزریق گازهای بی‌اثر (مثلاً Ar، N₂) حباب‌هایی ایجاد می‌کند که هیدروژن و آخال‌ها را جذب کرده و آنها را به سطح شناور می‌کنند:

• رویه:
  • برای پخش یکنواخت حباب‌های گاز از یک پروانه دوار یا درپوش متخلخل استفاده کنید.
  • برای جلوگیری از تلاطم، سرعت جریان گاز (معمولاً 0.5 تا 2 لیتر در دقیقه به ازای هر کیلوگرم مذاب) را بهینه کنید.
• مزایا : برای حذف هیدروژن و آخال‌های ریز مؤثر است.
• محدودیت‌ها : هزینه بالاتر به دلیل مصرف گاز؛ اثربخشی کمتر برای آخال‌های زیر میکرونی

۳.۲ تکنیک‌های رسوب‌زدایی

سرباره‌زدایی، ناخالصی‌های غیرفلزی را از سطح مذاب حذف می‌کند. روش‌های کلیدی عبارتند از:

۳.۲.۱ حذف سرباره با کمک روان‌ساز

• اصل : افزودن یک ماده‌ی روان‌ساز (مثلاً بوراکس، مخلوط‌های NaCl-KCl) نقطه‌ی ذوب آخال‌ها را کاهش می‌دهد و باعث تجمع و شناور شدن آنها می‌شود.
• رویه:
  • پس از اکسیداسیون، روان‌ساز (۱ تا ۳ درصد وزن مذاب) اضافه کنید.
  • به آرامی هم بزنید تا شار به طور مساوی توزیع شود.
  • سرباره شناور را پس از ۵ تا ۱۰ دقیقه نگه داشتن، جدا کنید.
• مزایا : افزایش راندمان حذف آخال، به ویژه برای ذرات ریز.
• محدودیت‌ها : بقایای روان‌ساز ممکن است نیاز به تمیزکاری اضافی داشته باشند.

۳.۲.۲ فیلتراسیون

• اصل : عبور مذاب از یک فیلتر (مثلاً فیلترهای فوم سرامیکی، پارچه شیشه‌ای) آخال‌ها را به صورت مکانیکی به دام می‌اندازد.
• رویه:
  • در طول ریخته‌گری، فیلترها را در سیستم لباسشویی یا تاندیش نصب کنید.
  • اندازه منافذ فیلتر (معمولاً 10 تا 50 PPI) را بر اساس توزیع اندازه ناخالصی‌ها بهینه کنید.
• مزایا : برای تولید در مقیاس بزرگ بسیار مؤثر است؛ سازگار با محیط زیست.
• محدودیت‌ها : گرفتگی فیلتر ممکن است سرعت جریان را کاهش دهد؛ ممکن است به فیلتراسیون چند مرحله‌ای نیاز باشد.

۳.۲.۳ جداسازی الکترومغناطیسی

• اصل : اعمال میدان مغناطیسی، نیروهایی را بر روی آخال‌های فرومغناطیسی القا می‌کند و آنها را از مذاب غیرمغناطیسی جدا می‌کند.
• رویه:
  • از سیستم شستشوی الکترومغناطیس یا بوته سرد استفاده کنید.
  • قدرت میدان (0.1-1 تسلا) را بر اساس خواص آخال تنظیم کنید.
• مزایا : برای آخال‌های فرومغناطیسی (مثلاً Fe3O4، NiO) مؤثر است.
• محدودیت‌ها : محدود به آخال‌هایی با حساسیت مغناطیسی بالا.

۴. تأثیر آخال‌ها بر خواص مغناطیسی

۴.۱ نیروی وادارندگی (Hc)

• مکانیسم : آخال‌ها به عنوان محل‌های اتصال برای دیواره‌های حوزه عمل می‌کنند و مقاومت در برابر معکوس شدن مغناطش را افزایش می‌دهند.
• اثر : آخال‌های متوسط ​​می‌توانند وادارندگی را افزایش دهند، اما آخال‌های بیش از حد یا درشت، حرکت دیواره دامنه را مختل کرده و Hc را کاهش می‌دهند.
• مثال : آلنیکو ۵ با آخال‌های اکسیدی کمتر از ۵۰ ppm، جریان Hc حدود ۵۲ کیلوآمپر بر متر را نشان می‌دهد، در حالی که بیشتر از ۲۰۰ ppm جریان Hc را به حدود ۴۰ کیلوآمپر بر متر کاهش می‌دهد.

۴.۲ ماندگاری (Br)

• مکانیسم : آخال‌ها، هم‌ترازی حوزه‌های مغناطیسی را مختل می‌کنند و مغناطش خالص را کاهش می‌دهند.
• تأثیر : حتی آخال‌های کوچک (۱ تا ۵ میکرومتر) می‌توانند میزان Br را ۵ تا ۱۰ درصد کاهش دهند.
• مثال : آلنیکو ۸ با سولفیدهای کمتر از ۱۰ ppm، Br را به حدود ۱.۱ T می‌رساند، در حالی که >۵۰ ppm، Br را به حدود ۰.۹ T کاهش می‌دهد.

۴.۳ پایداری مغناطیسی

• مکانیسم : آخال‌ها می‌توانند تحت تنش حرارتی یا مکانیکی جابجا شوند و باعث مغناطیس‌زدایی موضعی شوند.
• اثر : آهنرباهای آلنیکو با محتوای ناخالصی بالا، در طول چرخه‌های دمایی، تلفات برگشت‌ناپذیر بیشتری نشان می‌دهند.
• مثال : آلنیکو ۹ با اکسیدهای کمتر از ۲۰ ppm، پس از ۱۰۰ سیکل در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد، کمتر از ۱٪ افت را حفظ می‌کند، در حالی که >۱۰۰ ppm، بیش از ۵٪ افت را نشان می‌دهد.

۴.۴ ساختار دانه و ناهمسانگردی

• مکانیسم : آخال‌ها مانع تجزیه اسپینودال در طول عملیات حرارتی می‌شوند و بر تشکیل ذرات کشیده Fe-Co (منبع ناهمسانگردی) تأثیر می‌گذارند.
• اثر : آخال‌های درشت منجر به رشد نامنظم دانه می‌شوند و ناهمسانگردی مغناطیسی و حداکثر حاصلضرب انرژی (BH) را کاهش می‌دهند.
• مثال : آلنیکو ۶ با آخال‌های کمتر از ۳۰ ppm به حداکثر BH حدود ۴۸ کیلوژول بر متر مکعب می‌رسد، در حالی که >۱۰۰ ppm آن را به حدود ۳۵ کیلوژول بر متر مکعب کاهش می‌دهد.

۵. بهترین روش‌ها برای کنترل آخال در ذوب آلنیکو

۵.۱ انتخاب مواد اولیه

• برای به حداقل رساندن محتوای اولیه آخال، از فلزات با خلوص بالا (مثلاً 99.9٪ Al، ​​Ni، Co) استفاده کنید.
• از مواد بازیافتی با سطح آلودگی بالا اجتناب کنید، مگر اینکه به درستی فرآوری شده باشند.

۵.۲ کنترل محیط ذوب

• برای جلوگیری از اکسیداسیون، یک فضای خنثی (مثلاً محافظ آرگون) را حفظ کنید.
• از بوته‌های گرافیتی یا MgO با نرخ فرسایش کم استفاده کنید.
• برای حذف رطوبت و کاهش تجمع گاز، بوته‌ها را پیش‌گرم کنید.

۵.۳ بهینه‌سازی فرآیند

• برای اثرات سینرژیک، روش‌های اکسیداسیون زدایی (مثلاً پاکسازی CaSi + Ar) را با هم ترکیب کنید.
• برای حذف کارآمد ناخالصی‌ها، فیلتراسیون چند مرحله‌ای (مثلاً فیلترهای 30 PPI + 50 PPI) را پیاده‌سازی کنید.
• پارامترهای عملیات حرارتی (مثلاً سرعت سرمایش، شدت میدان) را برای افزایش رشد همگن دانه بهینه کنید.

۵.۴ نظارت بر کیفیت

• از طیف‌سنج‌های آنلاین برای نظارت بر میزان اکسیژن و آخال در طول ذوب استفاده کنید.
• برای تجزیه و تحلیل اندازه و توزیع آخال، میکروسکوپ معمولی (SEM/EDS) انجام دهید.
• برای اعتبارسنجی بهبودهای فرآیند، آزمایش خواص مغناطیسی (مثلاً ردیاب حلقه BH) انجام دهید.

۶. نتیجه‌گیری

حذف مؤثر آخال‌ها در طول ذوب آلنیکو برای دستیابی به عملکرد مغناطیسی بالا بسیار مهم است. تکنیک‌هایی مانند دی‌اکسیداسیون کربن/کلسیم، پاکسازی با گاز بی‌اثر، سرباره‌زدایی با کمک شار و فیلتراسیون در کاهش محتوای آخال‌ها مؤثر بوده‌اند. وجود آخال‌ها بر وادارندگی، پسماند، پایداری مغناطیسی و ساختار دانه تأثیر منفی می‌گذارد و اقدامات کنترلی دقیقی را ضروری می‌سازد. با بهینه‌سازی انتخاب مواد اولیه، شرایط ذوب و مراحل پس از پردازش، تولیدکنندگان می‌توانند آهنرباهای آلنیکو را با خواص مغناطیسی برتر و قابلیت اطمینان تولید کنند. پیشرفت‌های آینده در جداسازی الکترومغناطیسی و فناوری‌های پیشرفته فیلتراسیون، نویدبخش افزایش بیشتر کنترل آخال‌ها در تولید آلنیکو است.