Procesi pročišćavanja zrna i poboljšanja magnetskih performansi u lijevanim Alnico magnetima

Sažetak

Alnico magneti, kao jedan od najranije razvijenih permanentnih magnetskih materijala, imaju jedinstvene prednosti u magnetskim primjenama na visokim temperaturama i visokoj stabilnosti. Pročišćavanje zrna važno je sredstvo za poboljšanje magnetskih svojstava Alnico magneta. Ovaj rad pruža dubinsku analizu procesa pročišćavanja zrna lijevanih Alnico magneta, uključujući kemijsku obradu, mehaničke vibracije i miješanje te obradu vanjskim fizičkim poljem. Također istražuje utjecaj pročišćavanja zrna na ključne pokazatelje magnetskih performansi kao što su koercitivnost, remanencija i maksimalni magnetski energetski produkt te se raduje budućim istraživačkim smjerovima u ovom području.

Ključne riječi

Lijevani Alnico magneti; Pročišćavanje zrna; Magnetska svojstva; Kemijska obrada; Obrada vanjskim fizičkim poljem

1. Uvod

Alnico magneti, koje je 1932. godine razvio japanski metalurg Mishima Tokushichi, nekada su bili dominantna snaga u industriji permanentnih magneta prije pojave materijala od rijetkih zemalja za permanentne magnete. Alnico magneti poznati su po svojoj visokoj Curieovoj temperaturi do 890 °C, što im daje izvrsnu otpornost na visoke temperature i stabilnost. Također imaju dobru otpornost na koroziju, što osigurava dugotrajnu pouzdanost u teškim uvjetima. Iako je tržišni udio Alnico magneta smanjen jeftinim sinteriranim feritima i visokoučinkovitim permanentnim magnetima od rijetkih zemalja, oni i dalje imaju jedinstvene prednosti u primjenama na visokim temperaturama iznad 500 °C i široko se koriste u scenarijima koji zahtijevaju visoku stabilnost i trajnost, kao što su zvučnici, mjerači vat-sati, elektromotori, generatori i alternatori.

Magnetska svojstva Alnico magneta usko su povezana s njihovom mikrostrukturom, a pročišćavanje zrna učinkovit je način poboljšanja njihovih magnetskih svojstava. Smanjenjem veličine zrna povećava se broj granica zrna, što može ometati kretanje zidova magnetskih domena, čime se poboljšava koercitivnost. Istovremeno, ujednačenija mikrostruktura također može poboljšati remanenciju i maksimalni magnetski energetski produkt magneta. Stoga je proučavanje procesa pročišćavanja zrna lijevanih Alnico magneta od velikog značaja za poboljšanje njihovih magnetskih performansi i proširenje njihovog raspona primjene.

2. Procesi pročišćavanja zrna lijevanih Alnico magneta

2.1 Kemijska obrada

Kemijska obrada je uobičajena metoda za pročišćavanje zrna u metalnim materijalima, a također se široko koristi u proizvodnji lijevanih Alnico magneta. Ova metoda uključuje dodavanje male količine kemijskih tvari, poznatih kao inokulanti ili modifikatori, u metalnu talinu. Ove tvari mogu potaknuti heterogenu nukleaciju u talini, povećati broj jezgri i time pročistiti zrna.

Za Alnico magnete, odabir inokulanta je ključan. Prema teoriji stupnja neusklađenosti rešetke i empirijskoj teoriji elektrona, različiti inokulanti imaju različite učinke na heterogenu nukleaciju δ-Fe i γ-Fe. Na primjer, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ i MgO imaju značajan utjecaj na heterogenu nukleaciju δ-Fe, dok su ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ i CeO₂ učinkovitiji za γ-Fe.

Prilikom dodavanja inokulanta potrebno je osigurati da je fino raspršen i dobro dispergiran u talini. U suprotnom, ako se inokulanti agregiraju, ne samo da neće uspjeti pročistiti zrna, već će utjecati i na performanse Alnico magneta. Osim toga, količinu dodanog inokulanta također je potrebno precizno kontrolirati. Općenito, odgovarajuća količina inokulanta može postići dobar učinak pročišćavanja zrna, ali prekomjerno dodavanje može dovesti do povećanja nemetalnih uključaka u talini, što je štetno za magnetska svojstva magneta.

2.2 Mehaničke vibracije i miješanje

Mehaničke vibracije i miješanje su fizičke metode koje mogu postići profinjenje zrna uzrokujući relativno kretanje između tekuće i čvrste faze u metalnoj talini, potičući lomljenje i proliferaciju dendritnih grana.

2.2.1 Mehaničko miješanje

Mehaničko miješanje može stvoriti različite stupnjeve relativnog gibanja između tekuće i krute faze u metalnoj talini, odnosno konvektivno gibanje tekućeg metala. Ovo konvektivno gibanje može uzrokovati lom dendritnih krakova, a slomljeni fragmenti dendrita mogu djelovati kao nove jezgre za rast kristala, čime se povećava broj jezgri i pročišćavaju zrna.

Međutim, mehaničko miješanje ima i neke nedostatke. S jedne strane, prilikom miješanja taline lako je uvesti plin, a ako se plin ne može pravovremeno nadopuniti rastaljenim metalom, mogu se stvoriti nedostaci poput pora i poroznosti uzrokovane skupljanjem. S druge strane, prilikom miješanja talina metala s visokim talištem, miješalica je sklona trošenju, što može kontaminirati metalnu talinu i uzrokovati nove probleme s kvalitetom.

2.2.2 Mehaničke vibracije

Mehaničke vibracije također se oslanjaju na konvektivno kretanje metalne taline kako bi se razbili dendriti i izazvala proliferacija nukleacije radi postizanja profinjenosti zrna. Međutim, u praktičnom radu, kada se frekvencija mehaničkih vibracija poveća, učinak profinjenosti zrna metalnog sustava (skrućivanja) može se smanjiti, a problemi poput segregacije karbida i labavosti u čeličnom ingotu mogu postati ozbiljniji.

2.3 Tretman vanjskim fizičkim poljem

Vanjska obrada fizičkim poljem obećavajuća je tehnologija pročišćavanja zrna, koja ima prednosti ekološke prihvatljivosti i jednostavnog rukovanja. Uglavnom uključuje obradu strujom, obradu magnetskim poljem i ultrazvučnu obradu.

2.3.1 Trenutni tretman

Kada kroz metalnu talinu prolazi brzo promjenjiva jaka pulsirajuća struja, u talini će se generirati brzo promjenjivo jako pulsirajuće magnetsko polje. Interakcija između jake pulsirajuće struje i jakog pulsirajućeg magnetskog polja stvorit će snažnu silu kontrakcije u metalnoj talini, uzrokujući da se talina opetovano komprimira i pomiče naprijed-natrag u smjeru okomitom na struju. Ovo kretanje naprijed-natrag ne samo da može razbiti dendritične kristale, već i uzrokovati brz gubitak pregrijavanja taline i povećati brzinu nukleacije. Stoga, što je jača pulsirajuća struja, to je značajniji učinak pročišćavanja zrna.

2.3.2 Obrada magnetskim poljem

Kada se metalna talina skrućuje u izmjeničnom magnetskom polju, u sustavu skrućivanja generirat će se inducirana struja. Interakcija između magnetskog polja i inducirane struje stvorit će elektromagnetsku silu koja će metal pritiskati prema osi ili ga odvlačiti od nje duž radijalnog smjera, uzrokujući pravilne fluktuacije u sustavu skrućivanja. Ova fluktuacija ima sličan učinak kao i obično korištena pojačana konvekcija, pa izmjenično magnetsko polje ima učinak profinjenosti zrna.

Iz perspektive učinka fluktuacije uzrokovane magnetskim poljem, što je jači intenzitet magnetske indukcije, to je veći elektromagnetski tlak, a time i intenzivnije fluktuiranje, te bolji učinak pročišćavanja zrna. Međutim, kada se intenzitet magnetske indukcije poveća, inducirana struja se također proporcionalno povećava, što će odgovarajuće povećati toplinski učinak u sustavu skrućivanja, smanjiti stupanj pothlađenja i time smanjiti brzinu nukleacije. Stoga je krivulja odnosa između intenziteta magnetskog polja i učinka pročišćavanja zrna krivulja s ekstremnom vrijednošću.

Osim toga, pulsirajuća magnetska polja mogu generirati i pulsirajuće vrtložne struje u talini. Interakcija između vrtložnih struja i magnetskog polja stvara Lorentzove sile i magnetske tlakove, koji se intenzivno mijenjaju i mnogo su jači od dinamičkog tlaka metalne taline. To uzrokuje intenzivne vibracije metalne taline, povećavajući stupanj pothlađenja tijekom skrućivanja, poboljšavajući brzinu nukleacije i uzrokujući prisilnu konvekciju u talini, sprječavajući rast ili lomljenje i drobljenje dendrita. Čestice slomljenih dendrita plutaju u tekućini na fronti kristalizacije i postaju nove jezgre rasta. Stoga, što je jači intenzitet pulsirajuće magnetske indukcije, to je značajniji učinak pročišćavanja zrna.

2.3.3 Ultrazvučni tretman

Ultrazvučna obrada koristi efekte akustične kavitacije i akustičnog strujanja koji nastaju širenjem ultrazvučnih valova u tekućini kako bi se postiglo pročišćavanje zrna. Kada ultrazvučni valovi djeluju na metalnu talinu, molekule tekućine podvrgnute su djelovanju periodičnog izmjeničnog zvučnog polja, stvarajući efekte akustične kavitacije i akustičnog strujanja. Ovi efekti mogu uzrokovati promjene u polju protoka, polju tlaka i temperaturnom polju u talini, stvarajući lokalne efekte visoke temperature i visokog tlaka. Vibracije tekućine uzrokuju odvajanje dendritnih krakova od fronte skrućivanja i djeluju kao heterogene nukleacijske jezgre u talini, a disperzivni učinak ultrazvučnih valova na talinu čini čestice ravnomjernije raspoređenima. Osim toga, ultrazvučna metalurgija također može ukloniti plin i trosku, što je tehnologija pročišćavanja taline.

3. Utjecaj pročišćavanja zrna na pokazatelje magnetskih performansi lijevanih Alnico magneta

3.1 Prisila

Koercitivnost je važan pokazatelj za mjerenje sposobnosti permanentnog magneta da se odupre demagnetizaciji. Pročišćavanje zrna može značajno poboljšati koercitivnost Alnico magneta. U grubozrnatoj strukturi, magnetski domenski zidovi mogu se lako pomicati preko granica zrna, čineći magnet osjetljivijim na demagnetizaciju. Nakon pročišćavanja zrna, broj granica zrna se povećava, a granice zrna mogu djelovati kao centri za pričvršćivanje magnetskih domenskih zidova, ometajući njihovo kretanje. Stoga je potrebno veće vanjsko magnetsko polje za pomicanje magnetskih domenskih zidova, odnosno koercitivnost magneta se povećava.

Na primjer, kod Alnico 5 magneta, odgovarajućim postupcima pročišćavanja zrna, koercitivnost se može povećati s izvorne vrijednosti na višu razinu, poboljšavajući sposobnost magneta da održi svoja magnetska svojstva u prisutnosti obrnutih magnetskih polja ili vanjskih poremećaja.

3.2 Remanencija

Remanencija se odnosi na intenzitet magnetske indukcije koji ostaje u magnetu nakon što se vanjsko magnetsko polje ukloni na nulu. Pročišćavanje zrna također može imati pozitivan utjecaj na remanenciju Alnico magneta. Ujednačenija mikrostruktura dobivena pročišćavanjem zrna može smanjiti raspršenje magnetskih momenata i učiniti magnetske momente poravnatijima u istom smjeru, čime se povećava remanencija magneta.

Osim toga, pročišćavanje zrna može smanjiti i broj defekata poput pora i inkluzija u magnetu. Ti defekti mogu poremetiti poravnanje magnetskih domena i smanjiti remanenciju. Uklanjanjem ili smanjenjem tih defekata, remanencija magneta može se dodatno poboljšati.

3.3 Maksimalni produkt magnetske energije

Maksimalni magnetski energetski produkt je sveobuhvatan pokazatelj koji odražava kapacitet pohrane energije permanentnog magneta. Proporcionalan je produktu remanencije i kvadrata koercitivnosti. Budući da pročišćavanje zrna može poboljšati i koercitivnost i remanenciju Alnico magneta, to će neizbježno dovesti do povećanja maksimalnog magnetskog energetskog produkta.

Veći maksimalni magnetski energetski produkt znači da magnet može pohraniti i proizvesti više magnetske energije pod istim volumenom, što je vrlo važno za primjene koje zahtijevaju visoku magnetsku energiju, poput elektromotora i generatora. Na primjer, u dizajnu visokoučinkovitih elektromotora, korištenje Alnico magneta s većim maksimalnim magnetskim energetskim produktom može smanjiti veličinu i težinu motora, a istovremeno poboljšati njegove performanse.

4. Analiza slučaja

4.1 Slučaj 1: Pročišćavanje zrna Alnico 5 magneta kemijskom obradom

U određenom poduzeću za proizvodnju Alnico magneta, kako bi se poboljšala magnetska svojstva Alnico 5 magneta, korištena je kemijska obrada za pročišćavanje zrna. Odabrani inokulant bio je spoj koji sadrži elemente Ti i B. Tijekom proizvodnog procesa, odgovarajuća količina inokulanta dodana je u talinu Alnico prema težini taline.

Nakon skrućivanja i naknadne toplinske obrade, mikrostruktura Alnico 5 magneta promatrana je metalografskim mikroskopom. Utvrđeno je da je veličina zrna magneta tretiranih inokulantom znatno manja od veličine zrna netretiranih magneta. Prosječna veličina zrna smanjila se s oko 100 μm na oko 30 μm.

Ispitivanja magnetskih svojstava pokazala su da se koercitivnost Alnico 5 magneta s profinjenim zrnima povećala s 52 kA/m na 60 kA/m, remanencija s 1,2 T na 1,25 T, a maksimalni produkt magnetske energije s 40 kJ/m³ na 48 kJ/m³. To ukazuje na to da kemijska obrada odgovarajućim inokulantom može učinkovito pročistiti zrna Alnico 5 magneta i značajno poboljšati njihova magnetska svojstva.

4.2 Slučaj 2: Pročišćavanje zrna Alnico 8 magneta ultrazvučnom obradom

U drugom istraživačkom projektu, ultrazvučna obrada primijenjena je za pročišćavanje zrna magneta Alnico 8. Tijekom procesa skrućivanja taline Alnico 8, ultrazvučna sonda je umetnuta u talinu, a ultrazvučni valovi određene snage i frekvencije primjenjivani su određeno vrijeme.

Metalografska analiza pokazala je da su zrna Alnico 8 magneta tretiranih ultrazvukom bila mnogo finija od onih kod netretiranih magneta. Ultrazvučni tretman je razbio dendrite u talini, povećao broj jezgara i postiglo profinjenost zrna.

Mjerenja magnetskih svojstava otkrila su da se koercitivnost ultrazvučno obrađenih Alnico 8 magneta povećala sa 140 kA/m na 160 kA/m, remanencija se povećala s 1,0 T na 1,05 T, a maksimalni produkt magnetske energije sa 60 kJ/m³ na 70 kJ/m³. To pokazuje da je ultrazvučna obrada učinkovita metoda pročišćavanja zrna za Alnico 8 magnete i da može značajno poboljšati njihove magnetske performanse.

5. Zaključak i perspektive

Pročišćavanje zrna važno je sredstvo za poboljšanje magnetskih svojstava lijevanih Alnico magneta. Kemijska obrada, mehaničke vibracije i miješanje te obrada vanjskim fizičkim poljem učinkoviti su procesi pročišćavanja zrna. Među njima, kemijska obrada je jednostavna za izvođenje i ima značajan učinak pročišćavanja, ali odabir i dodana količina inokulanata moraju se strogo kontrolirati. Mehaničke vibracije i miješanje mogu postići pročišćavanje zrna fizičkim sredstvima, ali mogu unijeti neke nedostatke. Obrada vanjskim fizičkim poljem, poput obrade strujom, obrade magnetskim poljem i ultrazvučne obrade, ima prednosti ekološke prihvatljivosti i jednostavnosti korištenja te ima veliki potencijal za razvoj.

Pročišćavanje zrna može poboljšati koercitivnost, remanenciju i maksimalni magnetski energetski produkt Alnico magneta, što ih čini prikladnijima za visokoučinkovite magnetske primjene. U budućim istraživanjima mogu se dalje istražiti sljedeći aspekti:

• Optimizirati procese pročišćavanja zrna, kao što je proučavanje optimalnih parametara kemijske obrade, mehaničkih vibracija i miješanja te vanjske fizičke obrade poljem kako bi se postigao najbolji učinak pročišćavanja zrna.
• Razviti nove i učinkovitije inokulante ili sredstva za pročišćavanje zrna kako bi se poboljšala učinkovitost pročišćavanja i smanjili troškovi.
• Kombinirajte različite metode pročišćavanja zrna kako biste u potpunosti iskoristili njihove prednosti i dodatno poboljšali magnetska svojstva Alnico magneta.
• Proučite odnos između pročišćavanja zrna i drugih čimbenika kao što su toplinska obrada, sastav legure i tehnologija obrade kako biste sveobuhvatno poboljšali performanse Alnico magneta.

Zaključno, kontinuiranim istraživanjem i inovacijama u procesima pročišćavanja zrna, magnetska svojstva lijevanih Alnico magneta mogu se kontinuirano poboljšavati, proširujući njihov raspon primjene i potičući razvoj industrije permanentnih magneta.