Utjecaj jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja na stupanj orijentacije u usmjerenom skrućivanju (orijentacija magnetskog polja) Alnico magneta

Alnico magneti, kao vrsta permanentnog magneta s izvrsnim performansama, široko se koriste u raznim područjima kao što su motori, senzori i audio oprema. Proces usmjerenog skrućivanja s orijentacijom magnetskog polja ključna je tehnologija za pripremu visokoučinkovitih Alnico magneta. Ovaj proces može učinkovito kontrolirati kristalnu orijentaciju legure, čime se poboljšavaju njezina magnetska svojstva. Ovaj članak će se baviti utjecajem jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja na stupanj orijentacije u procesu usmjerenog skrućivanja Alnico magneta.

1. Osnove usmjerenog skrućivanja s orijentacijom magnetskog polja

1.1 Osnovni principi usmjerenog skrućivanja

Usmjereno skrućivanje je proces skrućivanja koji kontrolira smjer rasta kristala uspostavljanjem specifičnog temperaturnog gradijenta u rastaljenom metalu. U ovom procesu, granica čvrsto-tekućine pomiče se u određenom smjeru, omogućujući kristalima da preferirano rastu duž određenog smjera, te u konačnici formiraju stupčastu ili monokristalnu strukturu. Ova struktura ima značajne prednosti u pogledu mehaničkih i magnetskih svojstava.

1.2 Uloga orijentacije magnetskog polja

Kada se tijekom procesa usmjerenog skrućivanja primijeni magnetsko polje, magnetski anizotropni kristali bit će podvrgnuti magnetskom momentu. Zbog razlike u magnetskoj susceptibilnosti duž različitih kristalnih osi, kristali će se rotirati pod djelovanjem magnetskog momenta kako bi se smanjila njihova magnetska energija, čime se postiže orijentacija. Kod Alnico legura, glavne faze poput α-Fe i NiAl imaju očitu magnetsku anizotropiju, što ih čini prikladnim za obradu orijentacije magnetskim poljem.

2. Utjecaj jakosti magnetskog polja na stupanj orijentacije

2.1 Teorijska analiza utjecaja jakosti magnetskog polja

Magnetski moment koji djeluje na magnetski anizotropni kristal u magnetskom polju može se izraziti kao:

gdje:

• τ je magnetski moment,
• μ0​ je permeabilnost vakuuma,
• V je volumen kristala,
• Δχ je razlika magnetske susceptibilnosti između različitih kristalnih osi,
• H je jakost magnetskog polja,
• θ je kut između osi lake magnetizacije kristala i smjera magnetskog polja.

Iz formule se vidi da je magnetski moment izravno proporcionalan jakosti magnetskog polja H. Kako se jakost magnetskog polja povećava, povećava se i magnetski moment koji djeluje na kristal, što kristalu olakšava prevladavanje otpora rastaljenog metala i rotaciju kako bi poravnao svoju os lake magnetizacije sa smjerom magnetskog polja, čime se poboljšava stupanj orijentacije.

2.2 Eksperimentalna provjera utjecaja jakosti magnetskog polja

Eksperimentalne studije su pokazale da se u procesu usmjerenog skrućivanja Alnico legura, kada je jakost magnetskog polja niska (npr. manja od 1T), stupanj orijentacije kristala polako povećava s povećanjem jakosti magnetskog polja. To je zato što je pri niskim jakostima magnetskog polja magnetski moment relativno mali, a kristali su izloženi većem otporu rastaljenog metala, što otežava učinkovitu rotaciju.

Kada se jakost magnetskog polja poveća do određenog raspona (npr. 1-5 T), stupanj orijentacije kristala značajno se povećava s povećanjem jakosti magnetskog polja. U tom rasponu, magnetski moment je dovoljan da prevlada otpor rastaljenog metala, omogućujući kristalima učinkovitu rotaciju i poravnavanje.

Međutim, kada je jakost magnetskog polja previsoka (npr. veća od 5T), povećanje stupnja orijentacije kristala se usporava ili čak teži stabilizaciji. To je zato što kada jakost magnetskog polja dosegne određenu razinu, kristali su u osnovi završili svoju orijentaciju, a daljnje povećanje jakosti magnetskog polja neće značajno poboljšati stupanj orijentacije. Štoviše, pretjerano visoka jakost magnetskog polja može donijeti i neke negativne učinke, poput povećanja troškova opreme i potrošnje energije u procesu.

2.3 Prag djelovanja jakosti magnetskog polja

U procesu usmjerenog skrućivanja Alnico legura postoji granična jakost magnetskog polja za orijentaciju različitih faza. Na primjer, za fazu AlNi u Alnico legurama, granična jakost magnetskog polja orijentacijskog praga raste s povećanjem sadržaja Ni u leguri, a smanjuje se s povećanjem temperature polukrutog zagrijavanja. To ukazuje na to da na orijentaciju faze AlNi utječu čimbenici poput broja, veličine i viskoznosti tekućeg metala.

3. Utjecaj brzine skrućivanja na stupanj orijentacije

3.1 Teorijska analiza utjecaja brzine skrućivanja

Brzina skrućivanja odnosi se na brzinu kojom se granica čvrsto-tekućine kreće tijekom procesa skrućivanja. Ima značajan utjecaj na mikrostrukturu i stupanj orijentacije legure. Prema teoriji skrućivanja, brzina skrućivanja utječe na morfologiju rasta i orijentaciju kristala utjecajem na temperaturni gradijent i brzinu hlađenja na granici čvrsto-tekućine.

Kada je brzina skrućivanja niska, temperaturni gradijent na granici čvrsto-tekućina je relativno mali, a brzina hlađenja je spora. U tom slučaju, kristali imaju dovoljno vremena za rast i rotaciju, što pogoduje poboljšanju stupnja orijentacije. Međutim, preniska brzina skrućivanja može dovesti i do problema poput grubih zrna i ozbiljne segregacije, što ne doprinosi poboljšanju ukupnih performansi legure.

Kada je brzina skrućivanja visoka, temperaturni gradijent na granici čvrsto-tekućina je relativno velik, a brzina hlađenja je brza. U tom slučaju, vrijeme rasta kristala je skraćeno, a rotacija je ograničena, što može smanjiti stupanj orijentacije. Međutim, visoka brzina skrućivanja može pročistiti zrna i smanjiti segregaciju, što je korisno za poboljšanje mehaničkih svojstava legure.

3.2 Eksperimentalna provjera utjecaja brzine skrućivanja

Eksperimentalne studije su pokazale da u procesu usmjerenog skrućivanja Alnico legura, odnos između brzine skrućivanja i stupnja orijentacije nije linearan. Kada je brzina skrućivanja u određenom rasponu, stupanj orijentacije je relativno visok. Kada je brzina skrućivanja niža ili viša od ovog raspona, stupanj orijentacije će se smanjiti.

Na primjer, kod usmjerenog skrućivanja legura Alnico 8, kada se brzina skrućivanja kontrolira na oko 10-50 μm/s, može se postići relativno visok stupanj orijentacije. Kada je brzina skrućivanja niža od 10 μm/s, iako kristali imaju dovoljno vremena za rotaciju, gruba zrna i ozbiljna segregacija uzrokovana niskom brzinom skrućivanja smanjit će ukupne performanse legure, uključujući magnetska svojstva. Kada je brzina skrućivanja veća od 50 μm/s, ograničena rotacija kristala zbog brze brzine skrućivanja dovest će do smanjenja stupnja orijentacije.

3.3 Utjecaj brzine skrućivanja na razmak dendrita

Brzina skrućivanja također utječe na razmak dendrita u leguri. Razmak dendrita odnosi se na udaljenost između susjednih dendrita. Općenito, razmak dendrita smanjuje se s povećanjem brzine skrućivanja. Kada je brzina skrućivanja niska, razmak dendrita je velik i kristali imaju više prostora za rast i rotaciju, što pogoduje poboljšanju stupnja orijentacije. Međutim, kada je brzina skrućivanja visoka, razmak dendrita je mali, a rast i rotacija kristala su ograničeni, što može smanjiti stupanj orijentacije.

Međutim, treba napomenuti da iako mali razmak dendrita može do određene mjere ograničiti rotaciju kristala, on također može poboljšati mehanička svojstva legure pročišćavanjem zrna. Stoga je u praktičnoj proizvodnji potrebno napraviti kompromis između stupnja orijentacije i mehaničkih svojstava razumnom kontrolom brzine skrućivanja.

4. Utjecaj sprege jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja na stupanj orijentacije

4.1 Sinergijski učinak

U procesu usmjerenog skrućivanja Alnico legura, jakost magnetskog polja i brzina skrućivanja imaju spregnuti učinak na stupanj orijentacije. Kada je jakost magnetskog polja fiksna, odgovarajuće povećanje brzine skrućivanja može poboljšati temperaturni gradijent na granici čvrsto-tekućina, što pogoduje stvaranju stabilne granice čvrsto-tekućina i rastu orijentiranih kristala. Međutim, ako je brzina skrućivanja previsoka, ograničena rotacija kristala zbog brze brzine skrućivanja poništit će pozitivan učinak orijentacije magnetskog polja, što će dovesti do smanjenja stupnja orijentacije.

Slično tome, kada je brzina skrućivanja fiksna, odgovarajuće povećanje jakosti magnetskog polja može povećati magnetski moment koji djeluje na kristale, potičući njihovu rotaciju i poravnanje. Međutim, ako je jakost magnetskog polja previsoka, negativni učinci poput povećanih troškova opreme i potrošnje energije mogu nadmašiti pozitivan učinak poboljšanja stupnja orijentacije.

4.2 Optimizacija procesnih parametara

Za postizanje visokog stupnja orijentacije u procesu usmjerenog skrućivanja Alnico legura, potrebno je optimizirati procesne parametre kao što su jakost magnetskog polja i brzina skrućivanja. Kroz veliki broj eksperimenata i simulacija, optimalna kombinacija jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja može se odrediti na temelju specifičnog sastava i zahtjeva za performansama legure.

Na primjer, za legure Alnico 8, eksperimentalnim istraživanjem je utvrđeno da kada se jakost magnetskog polja kontrolira na oko 3-5 T, a brzina skrućivanja na oko 20-40 μm/s, može se postići relativno visok stupanj orijentacije i dobre sveobuhvatne performanse.

5. Analiza slučaja

5.1 Eksperimentalna postavka

Kako bi se provjerio utjecaj jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja na stupanj orijentacije u procesu usmjerenog skrućivanja Alnico legura, proveden je niz eksperimenata. Eksperimentalna oprema uglavnom je uključivala peć za usmjereno skrućivanje, uređaj za generiranje magnetskog polja i sustav za kontrolu temperature.

Eksperimentalni materijali bile su legure Alnico 8 specifičnog sastava. Uzorci su stavljeni u lončić i zagrijani do rastaljenog stanja u peći za usmjereno skrućivanje. Zatim je primijenjeno magnetsko polje određene jakosti i uzorci su skrućivani određenom brzinom skrućivanja.

5.2 Eksperimentalni rezultati i analiza

5.2.1 Utjecaj jakosti magnetskog polja

Eksperimentalni rezultati pokazali su da se, kada je brzina skrućivanja fiksirana na 30 μm/s, kako se jakost magnetskog polja povećavala od 1T do 5T, stupanj orijentacije kristala značajno povećavao. Kada je jakost magnetskog polja bila 1T, stupanj orijentacije bio je relativno nizak, samo oko 60%. Kada se jakost magnetskog polja povećala na 3T, stupanj orijentacije povećao se na oko 80%. Kada se jakost magnetskog polja dodatno povećala na 5T, stupanj orijentacije dosegao je oko 90%, a zatim se težio stabilizaciji.

5.2.2 Utjecaj brzine skrućivanja

Kada je jakost magnetskog polja fiksirana na 4T, kako se brzina skrućivanja povećavala s 10 μm/s na 50 μm/s, stupanj orijentacije se prvo povećavao, a zatim smanjivao. Kada je brzina skrućivanja bila 10 μm/s, stupanj orijentacije bio je oko 75%. Kada se brzina skrućivanja povećala na 30 μm/s, stupanj orijentacije dosegao je maksimalnu vrijednost od oko 90%. Kada se brzina skrućivanja dodatno povećala na 50 μm/s, stupanj orijentacije smanjio se na oko 80%.

5.2.3 Učinak sprege

Daljnjom analizom eksperimentalnih podataka utvrđeno je da postoji optimalna kombinacija jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja za postizanje najvećeg stupnja orijentacije. U ovom eksperimentu, kada je jakost magnetskog polja bila 4T, a brzina skrućivanja 30 μm/s, stupanj orijentacije dosegao je maksimalnu vrijednost od oko 90%. To je potvrdilo utjecaj sprege jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja na stupanj orijentacije.

6. Zaključak i perspektive

6.1 Zaključak

U procesu usmjerenog skrućivanja Alnico magneta, jakost magnetskog polja i brzina skrućivanja imaju značajan utjecaj na stupanj orijentacije. Odgovarajuće povećanje jakosti magnetskog polja može povećati magnetski moment koji djeluje na kristale, potičući njihovu rotaciju i poravnanje, ali pretjerano visoka jakost magnetskog polja može donijeti negativne učinke. Odgovarajuće povećanje brzine skrućivanja može poboljšati temperaturni gradijent na granici čvrsto-tekućina, što pogoduje rastu orijentiranih kristala, ali previsoka brzina skrućivanja ograničit će rotaciju kristala i smanjiti stupanj orijentacije. Postoji efekt sprege između jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja, a optimalna kombinacija ta dva može se odrediti eksperimentima i simulacijama kako bi se postigao najviši stupanj orijentacije.

6.2 Izgledi

U budućnosti, s kontinuiranim razvojem znanosti o materijalima i elektromagnetske tehnologije, proces usmjerenog skrućivanja s orijentacijom magnetskog polja Alnico magneta bit će dodatno optimiziran. S jedne strane, istraživanje novih uređaja za generiranje magnetskog polja i tehnologija upravljanja može pružiti preciznije i stabilnije uvjete magnetskog polja za proces usmjerenog skrućivanja. S druge strane, kombinacija numeričke simulacije i eksperimentalnog istraživanja može dublje otkriti mehanizam utjecaja jakosti magnetskog polja i brzine skrućivanja na stupanj orijentacije, pružajući znanstveniju osnovu za optimizaciju procesa. Osim toga, istraživanje novih sastava Alnico legura i primjena novih tehnologija pripreme također će potaknuti kontinuirano poboljšanje performansi Alnico magneta.