تأثیر قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد بر درجه جهت‌گیری در انجماد جهت‌دار (جهت‌گیری میدان مغناطیسی) آهنرباهای آلنیکو

آهنرباهای آلنیکو، به عنوان نوعی آهنربای دائمی با عملکرد عالی، به طور گسترده در زمینه‌های مختلفی مانند موتورها، حسگرها و تجهیزات صوتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. فرآیند انجماد جهت‌دار با جهت‌گیری میدان مغناطیسی، یک فناوری کلیدی برای تهیه آهنرباهای آلنیکو با عملکرد بالا است. این فرآیند می‌تواند به طور موثر جهت‌گیری کریستالی آلیاژ را کنترل کند و در نتیجه خواص مغناطیسی آن را بهبود بخشد. این مقاله به بررسی تأثیر قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد بر درجه جهت‌گیری در فرآیند انجماد جهت‌دار آهنرباهای آلنیکو می‌پردازد.

۱. اصول انجماد جهت‌دار با جهت‌گیری میدان مغناطیسی

۱.۱ اصول اساسی انجماد جهت‌دار

انجماد جهت‌دار، فرآیند انجمادی است که با ایجاد یک گرادیان دمایی خاص در فلز مذاب، جهت رشد کریستال‌ها را کنترل می‌کند. در این فرآیند، سطح مشترک جامد-مایع در یک جهت خاص حرکت می‌کند و کریستال‌ها را قادر می‌سازد تا ترجیحاً در امتداد یک جهت خاص رشد کنند و در نهایت یک ساختار ستونی یا تک کریستالی تشکیل دهند. این ساختار از نظر خواص مکانیکی و خواص مغناطیسی مزایای قابل توجهی دارد.

۱.۲ نقش جهت‌گیری میدان مغناطیسی

هنگامی که یک میدان مغناطیسی در طول فرآیند انجماد جهت‌دار اعمال می‌شود، کریستال‌های ناهمسانگرد مغناطیسی تحت تأثیر گشتاور مغناطیسی قرار می‌گیرند. به دلیل تفاوت در پذیرفتاری مغناطیسی در امتداد محورهای مختلف کریستال، کریستال‌ها تحت عمل گشتاور مغناطیسی می‌چرخند تا انرژی مغناطیسی خود را به حداقل برسانند و در نتیجه جهت‌گیری کنند. برای آلیاژهای آلنیکو، فازهای اصلی مانند α-Fe و NiAl ناهمسانگردی مغناطیسی آشکاری دارند که آنها را برای عملیات جهت‌گیری میدان مغناطیسی مناسب می‌کند.

۲. تأثیر قدرت میدان مغناطیسی بر درجه جهت‌گیری

۲.۱ تحلیل نظری تأثیر قدرت میدان مغناطیسی

گشتاور مغناطیسی که بر روی یک کریستال ناهمسانگرد مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی عمل می‌کند را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

کجا:

• τ گشتاور مغناطیسی است،
• μ0​ نفوذپذیری خلاء است،
• V حجم کریستال است،
• Δχ اختلاف پذیرفتاری مغناطیسی بین محورهای مختلف کریستال است،
• H قدرت میدان مغناطیسی است،
• θ زاویه بین محور مغناطیسی آسان کریستال و جهت میدان مغناطیسی است.

از فرمول می‌توان دریافت که گشتاور مغناطیسی با شدت میدان مغناطیسی H نسبت مستقیم دارد. با افزایش شدت میدان مغناطیسی، گشتاور مغناطیسی وارد بر کریستال نیز افزایش می‌یابد و این امر غلبه کریستال بر مقاومت فلز مذاب و چرخش آن برای همسو کردن محور مغناطیسی آسان خود با جهت میدان مغناطیسی را آسان‌تر می‌کند و در نتیجه درجه جهت‌گیری را بهبود می‌بخشد.

۲.۲ تأیید تجربی تأثیر قدرت میدان مغناطیسی

مطالعات تجربی نشان داده‌اند که در فرآیند انجماد جهت‌دار آلیاژهای آلنیکو، هنگامی که قدرت میدان مغناطیسی کم است (مثلاً کمتر از 1T)، درجه جهت‌گیری کریستال‌ها با افزایش قدرت میدان مغناطیسی به آرامی افزایش می‌یابد. دلیل این امر این است که در قدرت‌های میدان مغناطیسی کم، گشتاور مغناطیسی نسبتاً کوچک است و کریستال‌ها در معرض مقاومت بیشتری از فلز مذاب قرار دارند و چرخش مؤثر آن را دشوار می‌کند.

وقتی قدرت میدان مغناطیسی تا محدوده خاصی (مثلاً ۱-۵T) افزایش می‌یابد، درجه جهت‌گیری کریستال‌ها با افزایش قدرت میدان مغناطیسی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. در این محدوده، گشتاور مغناطیسی برای غلبه بر مقاومت فلز مذاب کافی است و کریستال‌ها را قادر می‌سازد تا به طور مؤثر بچرخند و هم‌تراز شوند.

با این حال، هنگامی که قدرت میدان مغناطیسی خیلی زیاد باشد (مثلاً بیشتر از 5T)، افزایش درجه جهت‌گیری کریستال‌ها کند می‌شود یا حتی تمایل به تثبیت دارد. دلیل این امر این است که وقتی قدرت میدان مغناطیسی به سطح خاصی می‌رسد، کریستال‌ها اساساً جهت‌گیری خود را تکمیل کرده‌اند و افزایش بیشتر قدرت میدان مغناطیسی، درجه جهت‌گیری را به طور قابل توجهی بهبود نمی‌بخشد. علاوه بر این، قدرت میدان مغناطیسی بیش از حد بالا نیز ممکن است برخی اثرات منفی مانند افزایش هزینه تجهیزات و مصرف انرژی فرآیند را به همراه داشته باشد.

۲.۳ اثر آستانه‌ای قدرت میدان مغناطیسی

در فرآیند انجماد جهت‌دار آلیاژهای آلنیکو، یک قدرت میدان مغناطیسی آستانه برای جهت‌گیری فازهای مختلف وجود دارد. به عنوان مثال، برای فاز AlNi در آلیاژهای آلنیکو، قدرت میدان مغناطیسی آستانه جهت‌گیری آن با افزایش محتوای نیکل در آلیاژ افزایش و با افزایش دمای گرمایش نیمه جامد کاهش می‌یابد. این نشان می‌دهد که جهت‌گیری فاز AlNi تحت تأثیر عواملی مانند تعداد، اندازه و ویسکوزیته فلز مایع قرار دارد.

۳. تأثیر سرعت انجماد بر درجه جهت‌گیری

۳.۱ تحلیل نظری تأثیر نرخ انجماد

نرخ انجماد به سرعتی اشاره دارد که فصل مشترک جامد-مایع در طول فرآیند انجماد حرکت می‌کند. این سرعت تأثیر قابل توجهی بر ریزساختار و درجه جهت‌گیری آلیاژ دارد. طبق نظریه انجماد، نرخ انجماد با تأثیرگذاری بر گرادیان دما و نرخ خنک شدن در فصل مشترک جامد-مایع، بر مورفولوژی رشد و جهت‌گیری کریستال‌ها تأثیر می‌گذارد.

وقتی نرخ انجماد پایین است، گرادیان دما در سطح مشترک جامد-مایع نسبتاً کم و نرخ سرمایش آهسته است. در این حالت، کریستال‌ها زمان کافی برای رشد و چرخش دارند که برای بهبود درجه جهت‌گیری مفید است. با این حال، نرخ انجماد خیلی پایین نیز ممکن است منجر به مشکلاتی مانند دانه‌های درشت و جدایش جدی شود که برای بهبود عملکرد کلی آلیاژ مفید نیستند.

وقتی سرعت انجماد بالا باشد، گرادیان دما در سطح مشترک جامد-مایع نسبتاً زیاد و سرعت سرد شدن سریع است. در این حالت، زمان رشد کریستال‌ها کوتاه می‌شود و چرخش محدود می‌شود که ممکن است درجه جهت‌گیری را کاهش دهد. با این حال، سرعت انجماد بالا می‌تواند دانه‌ها را ریز کرده و جدایش را کاهش دهد که برای بهبود خواص مکانیکی آلیاژ مفید است.

۳.۲ تأیید تجربی تأثیر نرخ انجماد

مطالعات تجربی نشان داده است که در فرآیند انجماد جهت دار آلیاژهای آلنیکو، رابطه بین سرعت انجماد و درجه جهت گیری خطی نیست. وقتی سرعت انجماد در محدوده خاصی باشد، درجه جهت گیری نسبتاً بالا است. وقتی سرعت انجماد کمتر یا بیشتر از این محدوده باشد، درجه جهت گیری کاهش خواهد یافت.

برای مثال، در انجماد جهت‌دار آلیاژهای آلنیکو ۸، هنگامی که سرعت انجماد در حدود ۱۰ تا ۵۰ میکرومتر بر ثانیه کنترل می‌شود، می‌توان به درجه جهت‌گیری نسبتاً بالایی دست یافت. هنگامی که سرعت انجماد کمتر از ۱۰ میکرومتر بر ثانیه باشد، اگرچه کریستال‌ها زمان کافی برای چرخش دارند، دانه‌های درشت و جدایش شدید ناشی از سرعت انجماد پایین، عملکرد کلی آلیاژ، از جمله خواص مغناطیسی را کاهش می‌دهد. هنگامی که سرعت انجماد بالاتر از ۵۰ میکرومتر بر ثانیه باشد، چرخش محدود کریستال‌ها به دلیل سرعت انجماد سریع، منجر به کاهش درجه جهت‌گیری خواهد شد.

۳.۳ تأثیر سرعت انجماد بر فاصله دندریت‌ها

سرعت انجماد همچنین بر فاصله دندریت‌های آلیاژ تأثیر می‌گذارد. فاصله دندریت‌ها به فاصله بین دندریت‌های مجاور اشاره دارد. به طور کلی، فاصله دندریت‌ها با افزایش سرعت انجماد کاهش می‌یابد. وقتی سرعت انجماد کم است، فاصله دندریت‌ها زیاد است و کریستال‌ها فضای بیشتری برای رشد و چرخش دارند که این امر برای بهبود درجه جهت‌گیری مفید است. با این حال، وقتی سرعت انجماد زیاد است، فاصله دندریت‌ها کم است و رشد و چرخش کریستال‌ها محدود می‌شود که ممکن است درجه جهت‌گیری را کاهش دهد.

با این حال، باید توجه داشت که اگرچه فاصله کم دندریت‌ها ممکن است چرخش کریستال‌ها را تا حدی محدود کند، اما می‌تواند با ریز کردن دانه‌ها، خواص مکانیکی آلیاژ را نیز بهبود بخشد. بنابراین، در تولید عملی، باید با کنترل منطقی سرعت انجماد، بین درجه جهت‌گیری و خواص مکانیکی مصالحه ایجاد شود.

۴. اثر کوپلینگ قدرت میدان مغناطیسی و نرخ انجماد بر درجه جهت‌گیری

۴.۱ اثر هم‌افزایی

در فرآیند انجماد جهت‌دار آلیاژهای آلنیکو، قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد اثر جفت‌شوندگی بر درجه جهت‌گیری دارند. هنگامی که قدرت میدان مغناطیسی ثابت باشد، افزایش مناسب در سرعت انجماد می‌تواند گرادیان دما در سطح مشترک جامد-مایع را بهبود بخشد، که منجر به تشکیل یک سطح مشترک جامد-مایع پایدار و رشد کریستال‌های جهت‌دار می‌شود. با این حال، اگر سرعت انجماد خیلی زیاد باشد، چرخش محدود کریستال‌ها به دلیل سرعت انجماد سریع، اثر مثبت جهت‌گیری میدان مغناطیسی را خنثی می‌کند و منجر به کاهش درجه جهت‌گیری می‌شود.

به طور مشابه، هنگامی که نرخ انجماد ثابت است، افزایش مناسب در قدرت میدان مغناطیسی می‌تواند گشتاور مغناطیسی اعمال شده بر کریستال‌ها را افزایش داده و چرخش و هم‌ترازی آنها را بهبود بخشد. با این حال، اگر قدرت میدان مغناطیسی خیلی زیاد باشد، اثرات منفی مانند افزایش هزینه تجهیزات و مصرف انرژی ممکن است بر اثر مثبت بهبود درجه جهت‌گیری غلبه کند.

۴.۲ بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند

برای دستیابی به درجه جهت‌گیری بالا در فرآیند انجماد جهت‌دار آلیاژهای آلنیکو، بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند مانند قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد ضروری است. از طریق تعداد زیادی آزمایش و شبیه‌سازی، می‌توان ترکیب بهینه قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد را بر اساس ترکیب خاص و الزامات عملکردی آلیاژ تعیین کرد.

برای مثال، برای آلیاژهای آلنیکو ۸، از طریق تحقیقات تجربی، مشخص شده است که وقتی قدرت میدان مغناطیسی در حدود ۳-۵ تسلا و سرعت انجماد در حدود ۲۰-۴۰ میکرومتر بر ثانیه کنترل شود، می‌توان درجه جهت‌گیری نسبتاً بالایی و عملکرد جامع خوبی را به دست آورد.

۵. تحلیل موردی

۵.۱ تنظیمات آزمایشی

برای بررسی تأثیر قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد بر درجه جهت‌گیری در فرآیند انجماد جهت‌دار آلیاژهای آلنیکو، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها انجام شد. تجهیزات آزمایشگاهی عمدتاً شامل یک کوره انجماد جهت‌دار، یک دستگاه تولید میدان مغناطیسی و یک سیستم کنترل دما بود.

مواد آزمایشی، آلیاژهای آلنیکو ۸ با ترکیب خاص بودند. نمونه‌ها در یک بوته قرار داده شده و در کوره انجماد جهت‌دار تا حالت مذاب حرارت داده شدند. سپس، یک میدان مغناطیسی با قدرت مشخص اعمال شد و نمونه‌ها با سرعت انجماد مشخصی منجمد شدند.

۵.۲ نتایج تجربی و تحلیل

۵.۲.۱ تأثیر قدرت میدان مغناطیسی

نتایج آزمایش نشان داد که وقتی سرعت انجماد روی 30 میکرومتر بر ثانیه ثابت شد، با افزایش قدرت میدان مغناطیسی از 1T به 5T، درجه جهت‌گیری کریستال‌ها به طور قابل توجهی افزایش یافت. وقتی قدرت میدان مغناطیسی 1T بود، درجه جهت‌گیری نسبتاً پایین بود، تنها حدود 60٪. وقتی قدرت میدان مغناطیسی به 3T افزایش یافت، درجه جهت‌گیری به حدود 80٪ افزایش یافت. وقتی قدرت میدان مغناطیسی بیشتر به 5T افزایش یافت، درجه جهت‌گیری به حدود 90٪ رسید و سپس تمایل به تثبیت داشت.

۵.۲.۲ تأثیر نرخ انجماد

وقتی قدرت میدان مغناطیسی در 4T ثابت شد، با افزایش سرعت انجماد از 10 میکرومتر بر ثانیه به 50 میکرومتر بر ثانیه، درجه جهت‌گیری ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت. وقتی سرعت انجماد 10 میکرومتر بر ثانیه بود، درجه جهت‌گیری حدود 75٪ بود. وقتی سرعت انجماد به 30 میکرومتر بر ثانیه افزایش یافت، درجه جهت‌گیری به حداکثر مقدار خود یعنی حدود 90٪ رسید. وقتی سرعت انجماد بیشتر به 50 میکرومتر بر ثانیه افزایش یافت، درجه جهت‌گیری به حدود 80٪ کاهش یافت.

۵.۲.۳ اثر کوپلینگ

با تجزیه و تحلیل بیشتر داده‌های تجربی، مشخص شد که ترکیب بهینه‌ای از قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد برای دستیابی به بالاترین درجه جهت‌گیری وجود دارد. در این آزمایش، هنگامی که قدرت میدان مغناطیسی 4T و سرعت انجماد 30 میکرومتر بر ثانیه بود، درجه جهت‌گیری به حداکثر مقدار خود یعنی حدود 90٪ رسید. این امر تأثیر جفت شدن قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد بر درجه جهت‌گیری را تأیید کرد.

۶. نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

۶.۱ نتیجه‌گیری

در فرآیند انجماد جهت‌دار آهنرباهای آلنیکو، قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد تأثیرات قابل توجهی بر درجه جهت‌گیری دارند. افزایش مناسب قدرت میدان مغناطیسی می‌تواند گشتاور مغناطیسی مؤثر بر کریستال‌ها را افزایش داده و چرخش و هم‌ترازی آنها را بهبود بخشد، اما قدرت میدان مغناطیسی بیش از حد بالا ممکن است اثرات منفی به همراه داشته باشد. افزایش مناسب سرعت انجماد می‌تواند گرادیان دما را در سطح مشترک جامد-مایع بهبود بخشد، که برای رشد کریستال‌های جهت‌دار مفید است، اما سرعت انجماد بیش از حد بالا، چرخش کریستال‌ها را محدود کرده و درجه جهت‌گیری را کاهش می‌دهد. یک اثر کوپلینگ بین قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد وجود دارد و می‌توان از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌ها، ترکیب بهینه‌ای از این دو را برای دستیابی به بالاترین درجه جهت‌گیری تعیین کرد.

۶.۲ چشم‌انداز

در آینده، با توسعه مداوم علم مواد و فناوری الکترومغناطیسی، فرآیند انجماد جهت‌دار با جهت‌گیری میدان مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو، بهینه‌تر خواهد شد. از یک سو، تحقیقات روی دستگاه‌های جدید تولید میدان مغناطیسی و فناوری‌های کنترل می‌تواند شرایط میدان مغناطیسی دقیق‌تر و پایدارتری را برای فرآیند انجماد جهت‌دار فراهم کند. از سوی دیگر، ترکیب شبیه‌سازی عددی و تحقیقات تجربی می‌تواند مکانیسم تأثیر قدرت میدان مغناطیسی و سرعت انجماد بر درجه جهت‌گیری را عمیق‌تر آشکار کند و مبنای علمی‌تری برای بهینه‌سازی فرآیند فراهم کند. علاوه بر این، بررسی ترکیبات جدید آلیاژ آلنیکو و کاربرد فناوری‌های جدید آماده‌سازی نیز به بهبود مستمر عملکرد آهنرباهای آلنیکو کمک خواهد کرد.