فرآیندهای پالایش دانه و بهبود عملکرد مغناطیسی در آهنرباهای ریخته‌گری آلنیکو

چکیده

آهنرباهای آلنیکو، به عنوان یکی از اولین مواد مغناطیسی دائمی توسعه یافته، مزایای منحصر به فردی در کاربردهای مغناطیسی با دمای بالا و پایداری بالا دارند. اصلاح دانه وسیله‌ای مهم برای بهبود خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو است. این مقاله تجزیه و تحلیل عمیقی از فرآیندهای اصلاح دانه آهنرباهای آلنیکو ریخته‌گری شده، از جمله عملیات شیمیایی، ارتعاش و هم زدن مکانیکی و عملیات میدان فیزیکی خارجی ارائه می‌دهد. همچنین تأثیر اصلاح دانه بر شاخص‌های کلیدی عملکرد مغناطیسی مانند وادارندگی، پسماند مغناطیسی و حداکثر انرژی مغناطیسی حاصل را بررسی می‌کند و مشتاقانه منتظر جهت‌گیری‌های تحقیقاتی آینده در این زمینه است.

کلمات کلیدی

آهنرباهای آلنیکو ریخته‌گری شده؛ اصلاح دانه؛ عملکرد مغناطیسی؛ عملیات شیمیایی؛ عملیات میدان فیزیکی خارجی

۱. مقدمه

آهنرباهای آلنیکو که توسط متالورژیست ژاپنی، میشیما توکوشیچی، در سال ۱۹۳۲ توسعه داده شدند، زمانی نیروی غالب در صنعت آهنربای دائمی قبل از ظهور مواد آهنربای دائمی عناصر خاکی کمیاب بودند. آهنرباهای آلنیکو به دلیل دمای کوری بالای خود تا ۸۹۰ درجه سانتیگراد شناخته می‌شوند که به آنها مقاومت و پایداری عالی در دمای بالا می‌دهد. آنها همچنین مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند که قابلیت اطمینان طولانی مدت را در محیط‌های سخت تضمین می‌کند. اگرچه سهم بازار آهنرباهای آلنیکو توسط فریت‌های متخلخل کم‌هزینه و آهنرباهای دائمی عناصر خاکی کمیاب با کارایی بالا فشرده شده است، اما آنها هنوز هم مزایای منحصر به فردی در کاربردهای دمای بالا بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد دارند و به طور گسترده در سناریوهایی که نیاز به پایداری و دوام بالا دارند، مانند بلندگوها، وات-ساعت‌سنج‌ها، موتورهای الکتریکی، ژنراتورها و آلترناتورها، استفاده می‌شوند.

خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو ارتباط نزدیکی با ریزساختار آنها دارد و اصلاح دانه‌بندی روشی مؤثر برای بهبود خواص مغناطیسی آنهاست. با کاهش اندازه دانه، تعداد مرزدانه‌ها افزایش می‌یابد که می‌تواند مانع حرکت دیواره‌های حوزه مغناطیسی شود و در نتیجه وادارندگی را بهبود بخشد. در عین حال، یک ریزساختار یکنواخت‌تر می‌تواند پسماند و حداکثر انرژی مغناطیسی حاصل از آهنربا را نیز افزایش دهد. بنابراین، مطالعه فرآیندهای اصلاح دانه‌بندی آهنرباهای آلنیکو ریخته‌گری شده برای بهبود عملکرد مغناطیسی آنها و گسترش دامنه کاربرد آنها از اهمیت بالایی برخوردار است.

۲. فرآیندهای پالایش دانه آهنرباهای آلنیکو ریخته‌گری شده

۲.۱ تصفیه شیمیایی

عملیات شیمیایی یک روش رایج برای اصلاح دانه‌ها در مواد فلزی است و همچنین به طور گسترده در تولید آهنرباهای آلنیکو ریخته‌گری شده استفاده می‌شود. این روش شامل افزودن مقدار کمی مواد شیمیایی، که به عنوان مواد تلقیحی یا اصلاح‌کننده شناخته می‌شوند، به مذاب فلز است. این مواد می‌توانند هسته‌زایی ناهمگن را در مذاب افزایش دهند، تعداد هسته‌ها را افزایش دهند و در نتیجه دانه‌ها را اصلاح کنند.

برای آهنرباهای آلنیکو، انتخاب مواد تلقیحی بسیار مهم است. طبق نظریه درجه عدم تطابق شبکه و نظریه تجربی الکترون، مواد تلقیحی مختلف اثرات متفاوتی بر هسته‌زایی ناهمگن δ-Fe و γ-Fe دارند. به عنوان مثال، CaS، La₂O₃، TiN، Ce₂O₃، TiC، CeO₂، Ti₂O₃، TiO₂ و MgO اثرات قابل توجهی بر هسته‌زایی ناهمگن δ-Fe دارند، در حالی که ZrO₂، Ti₂O₃، MnS، SiO₂، CaO، Al₂O₃ و CeO₂ برای γ-Fe مؤثرتر هستند.

هنگام افزودن مواد تلقیحی، لازم است از ریز بودن و پراکندگی مناسب آنها در مذاب اطمینان حاصل شود. در غیر این صورت، اگر مواد تلقیحی تجمع یابند، نه تنها ممکن است در ریز کردن دانه‌ها موفق نباشند، بلکه بر عملکرد آهنرباهای آلنیکو نیز تأثیر می‌گذارند. علاوه بر این، مقدار ماده تلقیحی اضافه شده نیز باید دقیقاً کنترل شود. به طور کلی، مقدار مناسبی از ماده تلقیحی می‌تواند به ریز کردن دانه‌ها کمک کند، اما افزودن بیش از حد آن ممکن است منجر به افزایش آخال‌های غیرفلزی در مذاب شود که برای خواص مغناطیسی آهنرباها مضر است.

۲.۲ ارتعاش مکانیکی و هم زدن

ارتعاش مکانیکی و هم زدن روش‌های فیزیکی هستند که می‌توانند با ایجاد حرکت نسبی بین فازهای مایع و جامد در مذاب فلز، باعث ریز شدن دانه‌ها شوند و شکستگی و تکثیر بازوهای دندریتی را افزایش دهند.

۲.۲.۱ هم زدن مکانیکی

هم زدن مکانیکی می‌تواند درجات مختلفی از حرکت نسبی بین فازهای مایع و جامد در مذاب فلز ایجاد کند، یعنی حرکت همرفتی فلز مایع. این حرکت همرفتی می‌تواند باعث شکستن بازوهای دندریت شود و قطعات دندریت شکسته شده می‌توانند به عنوان هسته‌های جدید برای رشد کریستال عمل کنند و در نتیجه تعداد هسته‌ها را افزایش داده و دانه‌ها را تصفیه کنند.

با این حال، هم زدن مکانیکی معایبی نیز دارد. از یک طرف، هنگام هم زدن مذاب، ورود گاز به راحتی انجام می‌شود و اگر گاز نتواند به موقع توسط فلز مذاب تکمیل شود، ممکن است عیوبی مانند منافذ و تخلخل انقباضی ایجاد شود. از طرف دیگر، هنگام هم زدن مذاب فلزات با نقطه ذوب بالا، همزن مستعد ساییدگی و پارگی است که ممکن است مذاب فلز را آلوده کرده و مشکلات کیفی جدیدی ایجاد کند.

۲.۲.۲ ارتعاش مکانیکی

ارتعاش مکانیکی همچنین به حرکت همرفتی مذاب فلز برای شکستن دندریت‌ها و ایجاد تکثیر هسته‌زایی برای دستیابی به ریزدانه‌سازی متکی است. با این حال، در عمل، هنگامی که فرکانس ارتعاش مکانیکی افزایش می‌یابد، اثر ریزدانه‌سازی سیستم انجماد فلز (انجماد) ممکن است کاهش یابد و مشکلاتی مانند جدایش کاربید و سستی در شمش فولاد ممکن است جدی‌تر شود.

۲.۳ عملیات میدانی فیزیکی خارجی

عملیات میدانی فیزیکی خارجی یک فناوری نویدبخش برای اصلاح دانه است که مزایای سازگاری با محیط زیست و سهولت در کار را دارد. این روش عمدتاً شامل عملیات جریانی، عملیات میدان مغناطیسی و عملیات فراصوت می‌شود.

۲.۳.۱ درمان فعلی

وقتی یک جریان پالسی قوی با تغییرات سریع از مذاب فلز عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی پالسی قوی با تغییرات سریع در مذاب ایجاد می‌شود. برهمکنش بین جریان پالسی قوی و میدان مغناطیسی پالسی قوی، نیروی انقباضی قوی در مذاب فلز ایجاد می‌کند که باعث می‌شود مذاب به طور مکرر فشرده شود و در جهت عمود بر جریان به جلو و عقب حرکت کند. این حرکت رفت و برگشتی نه تنها می‌تواند کریستال‌های دندریتی را بشکند، بلکه باعث می‌شود مذاب به سرعت گرمای بیش از حد خود را از دست بدهد و سرعت هسته‌زایی را افزایش دهد. بنابراین، هرچه جریان پالسی قوی‌تر باشد، اثر اصلاح دانه‌ها قابل توجه‌تر است.

۲.۳.۲ عملیات میدان مغناطیسی

وقتی فلز مذاب در یک میدان مغناطیسی متناوب منجمد می‌شود، یک جریان القایی در سیستم انجماد ایجاد می‌شود. برهمکنش بین میدان مغناطیسی و جریان القایی، یک نیروی الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که فلز را در امتداد جهت شعاعی به سمت محور فشار می‌دهد یا از آن دور می‌کند و باعث نوسانات منظم در سیستم انجماد می‌شود. این نوسان تأثیر مشابهی با همرفت افزایش‌یافته دارد که معمولاً استفاده می‌شود، بنابراین میدان مغناطیسی متناوب دارای اثر اصلاح دانه است.

از منظر اثر نوسان ناشی از میدان مغناطیسی، هرچه شدت القای مغناطیسی قوی‌تر باشد، فشار الکترومغناطیسی بیشتر و در نتیجه نوسان شدیدتر و اثر اصلاح دانه بهتر خواهد بود. با این حال، هنگامی که شدت القای مغناطیسی افزایش می‌یابد، جریان القایی نیز به طور متناسب افزایش می‌یابد که به طور متناظر اثر حرارتی را در سیستم انجماد افزایش می‌دهد، درجه فوق تبرید را کاهش می‌دهد و در نتیجه سرعت جوانه‌زنی را کاهش می‌دهد. بنابراین، منحنی رابطه بین شدت میدان مغناطیسی و اثر اصلاح دانه، منحنی‌ای با مقدار بی‌نهایت است.

علاوه بر این، میدان‌های مغناطیسی پالسی می‌توانند جریان‌های گردابی پالسی را در مذاب ایجاد کنند. برهمکنش بین جریان‌های گردابی و میدان مغناطیسی، نیروهای لورنتز و فشارهای مغناطیسی ایجاد می‌کند که به شدت در حال تغییر و بسیار قوی‌تر از فشار دینامیکی مذاب فلز هستند. این امر باعث لرزش شدید مذاب فلز، افزایش درجه فوق سرمایش در طول انجماد، بهبود سرعت هسته‌زایی و ایجاد همرفت اجباری در مذاب می‌شود و از رشد یا شکستن و خرد شدن دندریت‌ها جلوگیری می‌کند. ذرات دندریت شکسته شده در مایع در جبهه تبلور شناور می‌شوند و به هسته‌های رشد جدید تبدیل می‌شوند. بنابراین، هرچه شدت القای مغناطیسی پالسی قوی‌تر باشد، اثر اصلاح دانه‌ها قابل توجه‌تر است.

۲.۳.۳ عملیات فراصوت

عملیات اولتراسونیک از اثرات کاویتاسیون صوتی و جریان صوتی ایجاد شده هنگام انتشار امواج اولتراسونیک در مایع برای دستیابی به اصلاح دانه استفاده می‌کند. هنگامی که امواج اولتراسونیک بر روی مذاب فلز عمل می‌کنند، مولکول‌های مایع تحت تأثیر یک میدان صوتی متناوب دوره‌ای قرار می‌گیرند و اثرات کاویتاسیون صوتی و جریان صوتی ایجاد می‌کنند. این اثرات می‌توانند باعث ایجاد تغییراتی در میدان جریان، میدان فشار و میدان دما در مذاب شوند و اثرات دمای بالا و فشار بالای موضعی ایجاد کنند. ارتعاش مایع باعث می‌شود که بازوهای دندریت از جبهه انجماد جدا شوند و به عنوان هسته‌های هسته‌زایی ناهمگن در مذاب عمل کنند و اثر پراکندگی امواج اولتراسونیک بر روی مذاب باعث می‌شود ذرات به طور یکنواخت‌تری توزیع شوند. علاوه بر این، متالورژی اولتراسونیک همچنین می‌تواند گاز و سرباره را حذف کند که یک فناوری تصفیه مذاب است.

۳. تأثیر اصلاح دانه بر شاخص‌های عملکرد مغناطیسی آهنرباهای ریخته‌گری شده آلنیکو

۳.۱ اجبار

وادارندگی (Coercivity) یک شاخص مهم برای اندازه‌گیری توانایی یک آهنربای دائمی در مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی است. اصلاح دانه می‌تواند به طور قابل توجهی وادارندگی آهنرباهای آلنیکو را بهبود بخشد. در یک ساختار دانه درشت، دیواره‌های حوزه مغناطیسی می‌توانند به راحتی در مرزهای دانه حرکت کنند و آهنربا را بیشتر مستعد مغناطیس‌زدایی کنند. پس از اصلاح دانه، تعداد مرزهای دانه افزایش می‌یابد و مرزهای دانه می‌توانند به عنوان مراکز اتصال دیواره‌های حوزه مغناطیسی عمل کنند و مانع حرکت آنها شوند. بنابراین، برای حرکت دیواره‌های حوزه مغناطیسی، میدان مغناطیسی خارجی بیشتری مورد نیاز است، یعنی وادارندگی آهنربا افزایش می‌یابد.

برای مثال، در آهنرباهای آلنیکو ۵، از طریق فرآیندهای اصلاح دانه مناسب، می‌توان نیروی وادارندگی را از مقدار اولیه به سطح بالاتری افزایش داد و توانایی آهنربا را برای حفظ خواص مغناطیسی خود در حضور میدان‌های مغناطیسی معکوس یا اختلالات خارجی افزایش داد.

۳.۲ ماندگاری

پسماند مغناطیسی به شدت القایی مغناطیسی باقی مانده در آهنربا پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی به صفر اشاره دارد. اصلاح دانه نیز می‌تواند تأثیر مثبتی بر پسماند مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو داشته باشد. ریزساختار یکنواخت‌تر حاصل از اصلاح دانه می‌تواند پراکندگی گشتاورهای مغناطیسی را کاهش داده و گشتاورهای مغناطیسی را در یک جهت هم‌ترازتر کند و در نتیجه پسماند مغناطیسی را افزایش دهد.

علاوه بر این، اصلاح دانه می‌تواند تعداد عیوب مانند منافذ و ناخالصی‌ها را در آهنربا کاهش دهد. این عیوب می‌توانند هم‌ترازی حوزه‌های مغناطیسی را مختل کرده و پسماند مغناطیسی را کاهش دهند. با حذف یا کاهش این عیوب، پسماند مغناطیسی می‌تواند بیشتر بهبود یابد.

۳.۳ حاصلضرب حداکثر انرژی مغناطیسی

حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی، شاخص جامعی است که ظرفیت ذخیره انرژی یک آهنربای دائمی را نشان می‌دهد. این شاخص با حاصلضرب پسماند مغناطیسی و مجذور وادارندگی متناسب است. از آنجایی که اصلاح دانه می‌تواند هم وادارندگی و هم پسماند مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو را بهبود بخشد، ناگزیر منجر به افزایش حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی خواهد شد.

یک محصول انرژی مغناطیسی حداکثر بالاتر به این معنی است که آهنربا می‌تواند انرژی مغناطیسی بیشتری را در حجم یکسان ذخیره و تولید کند، که برای کاربردهایی که نیاز به خروجی انرژی مغناطیسی بالا دارند، مانند موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، بسیار مهم است. به عنوان مثال، در طراحی موتورهای الکتریکی با راندمان بالا، استفاده از آهنرباهای آلنیکو با محصول انرژی مغناطیسی حداکثر بالاتر می‌تواند اندازه و وزن موتور را کاهش داده و در عین حال عملکرد آن را بهبود بخشد.

۴. تحلیل موردی

۴.۱ مورد ۱: اصلاح دانه آهنرباهای آلنیکو ۵ با استفاده از عملیات شیمیایی

در یک شرکت تولید آهنربای آلنیکو، به منظور بهبود خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو ۵، از عملیات شیمیایی برای اصلاح دانه‌ها استفاده شد. ماده تلقیحی انتخابی ترکیبی حاوی عناصر Ti و B بود. در طول فرآیند تولید، مقدار مناسبی از ماده تلقیحی با توجه به وزن مذاب آلنیکو به مذاب اضافه شد.

پس از انجماد و عملیات حرارتی بعدی، ریزساختار آهنرباهای Alnico 5 با استفاده از میکروسکوپ متالوگرافی مشاهده شد. مشخص شد که اندازه دانه آهنرباهای تیمار شده با ماده تلقیحی به طور قابل توجهی کوچکتر از آهنرباهای تیمار نشده است. میانگین اندازه دانه از حدود 100 میکرومتر به حدود 30 میکرومتر کاهش یافت.

آزمایش‌های خواص مغناطیسی نشان داد که وادارندگی آهنرباهای آلنیکو ۵ اصلاح‌شده از ۵۲ کیلوآمپر بر متر به ۶۰ کیلوآمپر بر متر، پسماند مغناطیسی از ۱.۲ تسلا به ۱.۲۵ تسلا و حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی از ۴۰ کیلوژول بر متر مکعب به ۴۸ کیلوژول بر متر مکعب افزایش یافته است. این نشان می‌دهد که عملیات شیمیایی با یک ماده تلقیحی مناسب می‌تواند به طور مؤثر دانه‌های آهنرباهای آلنیکو ۵ را اصلاح کرده و خواص مغناطیسی آنها را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

۴.۲ مورد ۲: اصلاح دانه آهنرباهای آلنیکو ۸ با استفاده از عملیات فراصوت

در یک پروژه تحقیقاتی دیگر، عملیات فراصوت برای اصلاح دانه‌بندی آهنرباهای آلنیکو ۸ اعمال شد. در طول فرآیند انجماد مذاب آلنیکو ۸، یک پروب فراصوت وارد مذاب شد و امواج فراصوت با توان و فرکانس مشخص برای مدت زمان مشخصی اعمال شدند.

آنالیز متالوگرافی نشان داد که دانه‌های آهنرباهای Alnico 8 که با امواج فراصوت تیمار شده بودند، بسیار ریزتر از آهنرباهای تیمار نشده بودند. عملیات فراصوت باعث شکستن دندریت‌ها در مذاب، افزایش تعداد هسته‌ها و ریز شدن دانه‌ها شد.

اندازه‌گیری‌های خواص مغناطیسی نشان داد که وادارندگی آهنرباهای Alnico 8 تحت عملیات فراصوت از 140 kA/m به 160 kA/m، پسماند مغناطیسی از 1.0 T به 1.05 T و حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی از 60 kJ/m³ به 70 kJ/m³ افزایش یافته است. این نشان می‌دهد که عملیات فراصوت یک روش مؤثر برای اصلاح دانه‌بندی آهنرباهای Alnico 8 است و می‌تواند عملکرد مغناطیسی آنها را به طور قابل توجهی افزایش دهد.

۵. نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

اصلاح دانه‌ها وسیله‌ای مهم برای بهبود خواص مغناطیسی آهنرباهای ریخته‌گری شده آلنیکو است. عملیات شیمیایی، ارتعاش و هم زدن مکانیکی و عملیات میدان فیزیکی خارجی، همگی فرآیندهای موثر اصلاح دانه هستند. در میان آنها، عملیات شیمیایی به سادگی انجام می‌شود و اثر اصلاح قابل توجهی دارد، اما انتخاب و مقدار افزودن مواد تلقیحی باید به شدت کنترل شود. ارتعاش و هم زدن مکانیکی می‌تواند از طریق روش‌های فیزیکی به اصلاح دانه‌ها منجر شود، اما ممکن است برخی نقص‌ها را ایجاد کند. عملیات میدان فیزیکی خارجی، مانند عملیات جریان، عملیات میدان مغناطیسی و عملیات اولتراسونیک، مزایای سازگار با محیط زیست و سهولت در کار را دارد و پتانسیل زیادی برای توسعه دارد.

اصلاح دانه می‌تواند وادارندگی، پسماند مغناطیسی و حداکثر حاصلضرب انرژی مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو را بهبود بخشد و آنها را برای کاربردهای مغناطیسی با کارایی بالا مناسب‌تر کند. در تحقیقات آینده، جنبه‌های زیر را می‌توان بیشتر بررسی کرد:

• بهینه‌سازی فرآیندهای اصلاح دانه، مانند مطالعه پارامترهای بهینه عملیات شیمیایی، ارتعاش و همزدن مکانیکی و عملیات میدان فیزیکی خارجی برای دستیابی به بهترین اثر اصلاح دانه.
• برای بهبود راندمان تصفیه و کاهش هزینه‌ها، مواد تلقیحی یا عوامل پالایش دانه جدید و مؤثرتری را توسعه دهید.
• روش‌های مختلف اصلاح دانه را با هم ترکیب کنید تا از مزایای مربوط به آنها به طور کامل استفاده شود و خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو بیشتر بهبود یابد.
• رابطه بین ریزدانه‌سازی و سایر عوامل مانند عملیات حرارتی، ترکیب آلیاژ و فناوری فرآوری را برای بهبود جامع عملکرد آهنرباهای آلنیکو بررسی کنید.

در نتیجه، از طریق تحقیقات و نوآوری‌های مداوم در فرآیندهای اصلاح دانه، می‌توان خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو ریخته‌گری شده را به طور مداوم بهبود بخشید، دامنه کاربرد آنها را گسترش داد و توسعه صنعت آهنربای دائمی را ارتقا داد.