Viljanjalostusprosessit ja magneettisen suorituskyvyn parannukset valetuissa Alnico-magneeteissa

Abstrakti

Alnico-magneetit ovat yksi varhaisimmista kehitetyistä kestomagneettisista materiaaleista, ja niillä on ainutlaatuisia etuja korkeissa lämpötiloissa ja erittäin stabiileissa magneettisissa sovelluksissa. Rakeiden hienontaminen on tärkeä keino parantaa Alnico-magneettien magneettisia ominaisuuksia. Tässä artikkelissa analysoidaan perusteellisesti valettujen Alnico-magneettien rakeiden hienontamisprosesseja, mukaan lukien kemiallinen käsittely, mekaaninen tärinä ja sekoitus sekä ulkoinen fysikaalinen kenttäkäsittely. Artikkelissa tutkitaan myös rakeiden hienontamisen vaikutusta keskeisiin magneettisiin suorituskykyindikaattoreihin, kuten koersitiivisuuteen, remanenssiin ja maksimimagneettiseen energiatuloon, ja ennakoidaan tulevia tutkimussuuntia tällä alalla.

Avainsanat

Valetut Alnico-magneetit; Rakeiden hienosäätö; Magneettinen suorituskyky; Kemiallinen käsittely; Ulkoinen fysikaalinen kenttäkäsittely

1. Johdanto

Japanilaisen metallurgin Mishima Tokushichin vuonna 1932 kehittämät Alnico-magneetit olivat aikoinaan kestomagneettiteollisuuden hallitseva voima ennen harvinaisten maametallien kestomagneettimateriaalien syntymistä. Alnico-magneetit tunnetaan jopa 890 °C:n Curie-lämpötilastaan, mikä antaa niille erinomaisen lämmönkestävyyden ja vakauden. Niillä on myös hyvä korroosionkestävyys, mikä varmistaa pitkäaikaisen luotettavuuden vaativissa olosuhteissa. Vaikka Alnico-magneettien markkinaosuutta ovat pienentäneet edulliset sintratut ferriitit ja tehokkaat harvinaisten maametallien kestomagneetit, niillä on silti ainutlaatuisia etuja yli 500 °C:n lämpötiloissa, ja niitä käytetään laajalti tilanteissa, jotka vaativat suurta vakautta ja kestävyyttä, kuten kaiuttimissa, wattituntimittareissa, sähkömoottoreissa, generaattoreissa ja vaihtovirtageneraattoreissa.

Alnico-magneettien magneettiset ominaisuudet liittyvät läheisesti niiden mikrorakenteeseen, ja raekoon pienentäminen on tehokas tapa parantaa niiden magneettisia ominaisuuksia. Rakekoon pienentäminen lisää raerajojen määrää, mikä voi estää magneettisten domeeniseinien liikkumista ja parantaa siten koersitiivisuutta. Samalla tasaisempi mikrorakenne voi myös parantaa magneetin remanenssia ja maksimaalista magneettista energiatuloa. Siksi valettujen Alnico-magneettien raekoon pienentämisprosessien tutkiminen on erittäin tärkeää niiden magneettisen suorituskyvyn parantamiseksi ja sovellusalueen laajentamiseksi.

2. Valettujen Alnico-magneettien raekokojalostusprosessit

2.1 Kemiallinen käsittely

Kemiallinen käsittely on yleinen menetelmä metallimateriaalien raekoon parantamiseksi, ja sitä käytetään laajalti myös valettujen Alnico-magneettien valmistuksessa. Tässä menetelmässä metallisulaan lisätään pieni määrä kemiallisia aineita, joita kutsutaan inokulantteiksi tai modifioijiksi. Nämä aineet voivat edistää heterogeenistä ydintymistä sulassa, lisätä ydinten määrää ja siten hienontaa rakeita.

Alnico-magneettien kohdalla inokulanttien valinta on ratkaisevan tärkeää. Hilan epäsuhta-asteteorian ja empiirisen elektroniteorian mukaan eri inokulanteilla on erilaiset vaikutukset δ-Fe:n ja γ-Fe:n heterogeeniseen ydintymiseen. Esimerkiksi CaS:lla, La₂O₃:lla, TiN:llä, Ce₂O₃:lla, TiC:llä, CeO₂:lla, Ti₂O₃:lla, TiO₂:lla ja MgO:lla on merkittäviä vaikutuksia δ-Fe:n heterogeeniseen ydintymiseen, kun taas ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ ja CeO₂ ovat tehokkaampia γ-Fe:lle.

Inokulantin lisäyksessä on varmistettava, että ne ovat hienojakoisia ja hyvin sulassa dispergoituneet. Muuten, jos inokulantit kasaantuvat, ne voivat paitsi epäonnistua rakeiden hienontamisessa myös vaikuttaa Alnico-magneettien suorituskykyyn. Lisäksi lisätyn inokulantin määrää on valvottava tarkasti. Yleensä sopiva määrä inokulanttia voi saavuttaa hyvän rakeiden hienontamisen, mutta liiallinen lisäys voi johtaa ei-metallisten sulkeumien lisääntymiseen sulassa, mikä on haitallista magneettien magneettisille ominaisuuksille.

2.2 Mekaaninen värähtely ja sekoitus

Mekaaninen värähtely ja sekoittaminen ovat fysikaalisia menetelmiä, joilla voidaan saavuttaa rakeiden hienostuminen aiheuttamalla suhteellisen liikkeen nestemäisen ja kiinteän faasin välillä metallisulassa, mikä edistää dendriittihaarojen katkeamista ja lisääntymistä.

2.2.1 Mekaaninen sekoitus

Mekaaninen sekoitus voi luoda erilaisia ​​suhteellisia liikeasteita nestemäisen ja kiinteän faasin välille metallisulassa, eli nestemäisen metallin konvektiivista liikettä. Tämä konvektiivinen liike voi aiheuttaa dendriittihaarojen katkeamisen, ja katkenneet dendriittifragmentit voivat toimia uusina ytiminä kiteen kasvulle, mikä lisää ytimien määrää ja jalostaa jyviä.

Mekaanisella sekoituksella on kuitenkin myös joitakin haittoja. Toisaalta sulaa sekoitettaessa kaasua on helppo lisätä, ja jos sulaa metallia ei voida täydentää ajoissa kaasulla, voi muodostua vikoja, kuten huokosia ja kutistumishuokoisuutta. Toisaalta korkean sulamispisteen omaavien metallisulajen sekoituksessa sekoitin on altis kulumiselle, mikä voi saastuttaa metallisulaa ja aiheuttaa uusia laatuongelmia.

2.2.2 Mekaaninen värähtely

Mekaaninen värähtely perustuu myös metallisulan konvektiiviseen liikkeeseen, joka rikkoo dendriittejä ja aiheuttaa ydintymisproliferaatiota raekoon hienontamiseksi. Käytännössä mekaanisen värähtelyn taajuuden kasvaessa metallin jähmettymisjärjestelmän raekoon hienontuminen voi kuitenkin heikentyä ja ongelmat, kuten kovametallin erottuminen ja löysyys teräsharkossa, voivat pahentua.

2.3 Ulkoinen fyysinen kenttäkäsittely

Ulkoinen fysikaalinen kenttäkäsittely on lupaava viljanjalostustekniikka, jonka etuna on ympäristöystävällisyys ja helppokäyttöisyys. Se sisältää pääasiassa virtakäsittelyn, magneettikenttäkäsittelyn ja ultraäänikäsittelyn.

2.3.1 Nykyinen hoito

Kun nopeasti muuttuva, voimakas pulssimainen virta kulkee metallisulateen läpi, sulaan syntyy nopeasti muuttuva, voimakas pulssimainen magneettikenttä. Voimakkaan pulssimaisen virran ja voimakkaan pulssimaisen magneettikentän välinen vuorovaikutus tuottaa metallisulaan voimakkaan supistumisvoiman, joka aiheuttaa sulan toistuvaa puristumista ja edestakaisin liikkumista virran suuntaan nähden kohtisuorassa suunnassa. Tämä edestakainen liike voi paitsi rikkoa dendriittikiteitä, myös saada sulan menettämään nopeasti ylikuumenemisensa ja lisäämään ydintymisnopeutta. Siksi mitä voimakkaampi pulssimainen virta on, sitä merkittävämpi on raekoon hienontuminen.

2.3.2 Magneettikentän käsittely

Kun metallisula jähmettyy vaihtuvassa magneettikentässä, jähmettymisjärjestelmässä syntyy indusoitu virta. Magneettikentän ja indusoidun virran välinen vuorovaikutus tuottaa sähkömagneettisen voiman, joka painaa metallia kohti akselia tai vetää sitä poispäin akselista säteittäisen suunnan suuntaisesti, aiheuttaen säännöllisiä vaihteluita jähmettymisjärjestelmässä. Tällä vaihtelulla on samanlainen vaikutus kuin yleensä käytetyllä tehostetulla konvektiolla, joten vaihtuva magneettikenttä hienontaa rakeita.

Magneettikentän aiheuttaman vaihtelun näkökulmasta mitä voimakkaampi magneettisen induktion intensiteetti on, sitä suurempi on sähkömagneettinen paine ja siten sitä voimakkaampi vaihtelu on ja sitä parempi on raekoon hienontuminen. Kuitenkin, kun magneettisen induktion intensiteetti kasvaa, indusoitu virta kasvaa myös suhteessa, mikä vastaavasti lisää lämpövaikutusta jähmettymisjärjestelmässä, vähentää alijäähtymisastetta ja siten vähentää ydintymisnopeutta. Siksi magneettikentän voimakkuuden ja raekoon hienontumisen vaikutuksen välinen suhdekäyrä on ääriarvoinen käyrä.

Lisäksi pulssimaiset magneettikentät voivat synnyttää pulssimaisia ​​pyörrevirtoja sulassa. Pyörrevirtojen ja magneettikentän välinen vuorovaikutus tuottaa Lorentzin voimia ja magneettisia paineita, jotka muuttuvat voimakkaasti ja ovat paljon voimakkaampia kuin metallisulan dynaaminen paine. Tämä aiheuttaa metallisulan voimakasta värähtelyä, mikä lisää alijäähtymisastetta jähmettymisen aikana, parantaa ydintymisnopeutta ja aiheuttaa pakotettua konvektiota sulassa, estäen dendriittien kasvun tai rikkoutumisen ja murskaantumisen. Rikkoutuneet dendriittihiukkaset kelluvat nesteessä kiteytymisrintamalla ja muodostavat uusia kasvuytimiä. Siksi mitä voimakkaampi pulssimaisen magneettisen induktion intensiteetti on, sitä merkittävämpi on raekoon hienontumisen vaikutus.

2.3.3 Ultraäänihoito

Ultraäänikäsittelyssä hyödynnetään nesteessä etenevien ultraääniaaltojen aiheuttamia akustisia kavitaatio- ja virtausvaikutuksia rakeisuuden hienontamiseksi. Kun ultraääniaallot vaikuttavat metallisulaan, nesteen molekyylit altistuvat jaksolliselle vaihtuvalle äänikentälle, mikä synnyttää akustisia kavitaatio- ja virtausvaikutuksia. Nämä vaikutukset voivat aiheuttaa muutoksia sulan virtauskentässä, painekentässä ja lämpötilakentässä, mikä synnyttää paikallisia korkean lämpötilan ja paineen vaikutuksia. Nesteen värähtely saa dendriittivarret irtoamaan jähmettymisrintamasta ja toimimaan heterogeenisinä ydintymisytiminä sulassa, ja ultraääniaaltojen dispersiovaikutus sulaan saa hiukkaset jakautumaan tasaisemmin. Lisäksi ultraäänimetallurgia voi poistaa myös kaasua ja kuonaa, mikä on sulan puhdistustekniikka.

3. Viljan hienostumisen vaikutus valettujen Alnico-magneettien magneettisiin suorituskykyindikaattoreihin

3.1 Pakkovaikutus

Koersitiivisuus on tärkeä indikaattori, jolla mitataan kestomagneetin kykyä vastustaa demagnetisaatiota. Rakeiden hienontaminen voi parantaa merkittävästi Alnico-magneettien koersitiivisuutta. Karkearakeisessa rakenteessa magneettiset domeeniseinämät voivat helposti liikkua raerajojen yli, mikä tekee magneetista alttiimman demagnetisaatiolle. Rakeiden hienontamisen jälkeen raerautojen määrä kasvaa, ja raerajat voivat toimia magneettisten domeeniseinien kiinnityskeskuksina estäen niiden liikettä. Siksi tarvitaan suurempi ulkoinen magneettikenttä magneettisten domeeniseinien liikuttamiseksi, eli magneetin koersitiivisuus kasvaa.

Esimerkiksi Alnico 5 -magneeteissa koersitiivisuutta voidaan nostaa alkuperäisestä arvosta korkeammalle tasolle sopivien raekokonaisuuksien jalostusprosessien avulla, mikä parantaa magneetin kykyä säilyttää magneettiset ominaisuutensa käänteisten magneettikenttien tai ulkoisten häiriöiden läsnä ollessa.

3.2 Jäännös

Jäännösmagneetilla tarkoitetaan magneettisen induktion voimakkuutta, joka jää magneetin ulkoisen magneettikentän poistamisen jälkeen nollaan. Myös rakeisuuden hienontamisella voi olla positiivinen vaikutus Alnico-magneettien jäännösmagneetteihin. Rakeiden hienontamisella saavutettu tasaisempi mikrorakenne voi vähentää magneettisten momenttien sirontaa ja saada magneettiset momentit suuntautumaan paremmin samaan suuntaan, mikä lisää magneetin jäännösmagneettia.

Lisäksi raekoon parantaminen voi vähentää magneetissa olevien virheiden, kuten huokosten ja sulkeumien, määrää. Nämä virheet voivat häiritä magneettisten domeenien kohdistusta ja vähentää remanenssia. Poistamalla tai vähentämällä näitä virheitä magneetin remanenssia voidaan parantaa entisestään.

3.3 Suurin magneettinen energiatulo

Maksimaalinen magneettinen energiatulo on kattava indikaattori, joka heijastaa kestomagneetin energian varastointikapasiteettia. Se on verrannollinen remanenssin ja koersitiivisuuden neliön tuloon. Koska raekoon hienontaminen voi parantaa sekä Alnico-magneettien koersitiivisuutta että remanenssia, se johtaa väistämättä maksimimagneettisen energiatulon kasvuun.

Suurempi magneettinen maksimienergiatulo tarkoittaa, että magneetti voi varastoida ja tuottaa enemmän magneettista energiaa samassa tilavuudessa, mikä on erittäin tärkeää sovelluksissa, jotka vaativat suurta magneettista energiatuottoa, kuten sähkömoottoreissa ja generaattoreissa. Esimerkiksi tehokkaiden sähkömoottoreiden suunnittelussa Alnico-magneettien käyttö, joilla on suurempi maksimienergiatulo, voi pienentää moottorin kokoa ja painoa samalla parantaen sen suorituskykyä.

4. Tapausanalyysi

4.1 Tapaus 1: Alnico 5 -magneettien raekoon hienosäätö kemiallisella käsittelyllä

Eräässä Alnico-magneetteja valmistavassa yrityksessä käytettiin kemiallista käsittelyä raekoon parantamiseksi Alnico 5 -magneettien magneettisten ominaisuuksien parantamiseksi. Valittu inokulantti oli Ti- ja B-alkuaineita sisältävä yhdiste. Tuotantoprosessin aikana Alnico-sulaan lisättiin sopiva määrä inokulanttia sulan painon mukaan.

Jähmettymisen ja sitä seuraavan lämpökäsittelyn jälkeen Alnico 5 -magneettien mikrorakennetta tarkasteltiin metallografiamikroskoopilla. Havaittiin, että inokulantilla käsiteltyjen magneettien raekoko oli merkittävästi pienempi kuin käsittelemättömien magneettien. Keskimääräinen raekoko pieneni noin 100 μm:stä noin 30 μm:iin.

Magneettisten ominaisuuksien testit osoittivat, että raekokojalostettujen Alnico 5 -magneettien koersitiivisuus nousi 52 kA/m:stä 60 kA/m:iin, remanenssi nousi 1,2 T:stä 1,25 T:hen ja suurin magneettinen energiatulo nousi 40 kJ/m³:stä 48 kJ/m³:iin. Tämä osoittaa, että kemiallinen käsittely sopivalla inokulantilla voi tehokkaasti jauhaa Alnico 5 -magneettien rakeita ja parantaa merkittävästi niiden magneettisia ominaisuuksia.

4.2 Tapaus 2: Alnico 8 -magneettien raekoon hienosäätö ultraäänikäsittelyllä

Toisessa tutkimushankkeessa ultraäänikäsittelyä sovellettiin Alnico 8 -magneettien raekoon hienontamiseen. Alnico 8 -sulan jähmettymisprosessin aikana sulaan asetettiin ultraääniluotain ja tietyn tehon ja taajuuden omaavia ultraääniaaltoja kohdistettiin tietyn ajan.

Metallografinen analyysi osoitti, että ultraäänellä käsiteltyjen Alnico 8 -magneettien rakeet olivat paljon hienompia kuin käsittelemättömien magneettien. Ultraäänikäsittely rikkoi sulan dendriitit, lisäsi ytimien määrää ja saavutti raekoon hienojakoisuuden.

Magneettisten ominaisuuksien mittaukset osoittivat, että ultraäänellä käsiteltyjen Alnico 8 -magneettien koersitiivisuus kasvoi 140 kA/m:stä 160 kA/m:iin, remanenssi kasvoi 1,0 T:stä 1,05 T:hen ja suurin magneettinen energiatulo kasvoi 60 kJ/m³:stä 70 kJ/m³:iin. Tämä osoittaa, että ultraäänikäsittely on tehokas raekoonparannusmenetelmä Alnico 8 -magneeteille ja voi parantaa merkittävästi niiden magneettista suorituskykyä.

5. Yhteenveto ja tulevaisuudennäkymät

Rakeiden hienontaminen on tärkeä keino parantaa valettujen Alnico-magneettien magneettisia ominaisuuksia. Kemiallinen käsittely, mekaaninen tärinä ja sekoitus sekä ulkoinen fysikaalinen kenttäkäsittely ovat kaikki tehokkaita rakeiden hienontamisprosesseja. Kemiallinen käsittely on helppokäyttöinen ja sillä on merkittävä hienontava vaikutus, mutta inokulanttien valintaa ja lisäysmäärää on valvottava tarkasti. Mekaaninen tärinä ja sekoitus voivat saavuttaa rakeiden hienontamisen fysikaalisin keinoin, mutta ne voivat aiheuttaa joitakin virheitä. Ulkoisilla fysikaalisilla kenttäkäsittelyillä, kuten virtakäsittelyllä, magneettikenttäkäsittelyllä ja ultraäänikäsittelyllä, on etuna ympäristöystävällisyys ja helppokäyttöisyys, ja niillä on suuri kehityspotentiaali.

Rakeiden hienontaminen voi parantaa Alnico-magneettien koersitiivisuutta, remanenssia ja maksimaalista magneettista energiatuloa, mikä tekee niistä sopivampia korkean suorituskyvyn magneettisiin sovelluksiin. Tulevaisuudessa voidaan tutkia seuraavia näkökohtia tarkemmin:

• Optimoi viljanjalostustapahtumia tutkimalla esimerkiksi kemiallisen käsittelyn, mekaanisen tärinän ja sekoituksen sekä ulkoisen fyysisen kenttäkäsittelyn optimaalisia parametreja parhaan viljanjalostustehon saavuttamiseksi.
• Kehitä uusia ja tehokkaampia inokulantteja tai viljanjalostusaineita jalostuksen tehokkuuden parantamiseksi ja kustannusten vähentämiseksi.
• Yhdistele erilaisia ​​raekoonjalostusmenetelmiä saadaksesi täyden hyödyn irti niiden eduista ja parantaaksesi entisestään Alnico-magneettien magneettisia ominaisuuksia.
• Tutki raekoon hienostumisen ja muiden tekijöiden, kuten lämpökäsittelyn, seoskoostumuksen ja prosessointitekniikan, välistä suhdetta Alnico-magneettien suorituskyvyn parantamiseksi kokonaisvaltaisesti.

Yhteenvetona voidaan todeta, että jatkuvan tutkimuksen ja innovaatioiden avulla raekoonjalostusprosesseissa valettujen Alnico-magneettien magneettisia ominaisuuksia voidaan jatkuvasti parantaa, mikä laajentaa niiden käyttöaluetta ja edistää kestomagneettiteollisuuden kehitystä.