Szemcsefinomítási folyamatok és mágneses teljesítménynövelések öntött Alnico mágnesekben

Absztrakt

Az Alnico mágnesek, mint az egyik legkorábban kifejlesztett állandó mágneses anyag, egyedi előnyökkel rendelkeznek a magas hőmérsékletű és nagy stabilitású mágneses alkalmazásokban. A szemcsefinomítás fontos eszköz az Alnico mágnesek mágneses tulajdonságainak javítására. Ez a cikk mélyreható elemzést nyújt az öntött Alnico mágnesek szemcsefinomítási folyamatairól, beleértve a kémiai kezelést, a mechanikai rezgést és keverést, valamint a külső fizikai térkezelést. Emellett megvizsgálja a szemcsefinomítás hatását a kulcsfontosságú mágneses teljesítménymutatókra, mint például a koercitív erő, a remanencia és a maximális mágneses energiaszorzat, és előretekint a jövőbeli kutatási irányokra ezen a területen.

Kulcsszavak

Öntött Alnico mágnesek; Szemcsefinomítás; Mágneses teljesítmény; Kémiai kezelés; Külső fizikai térkezelés

1. Bevezetés

Az 1932-ben Tokushichi Mishima japán kohász által kifejlesztett Alnico mágnesek a ritkaföldfém állandó mágneses anyagok megjelenése előtt egykor a permanens mágnesek iparágának meghatározó erejét képviselték. Az Alnico mágnesek akár 890 °C-os Curie-hőmérsékletükről ismertek, ami kiváló hőmérsékleti ellenállással és stabilitással ruházza fel őket. Jó korrózióállósággal is rendelkeznek, ami hosszú távú megbízhatóságot biztosít zord környezetben. Bár az Alnico mágnesek piaci részesedését az olcsó szinterezett ferritek és a nagy teljesítményű ritkaföldfém állandó mágnesek csökkentették, továbbra is egyedi előnyökkel rendelkeznek az 500 °C feletti magas hőmérsékletű alkalmazásokban, és széles körben használják őket olyan esetekben, amelyek nagy stabilitást és tartósságot igényelnek, például hangszórókban, wattóramérőkben, villanymotorokban, generátorokban és váltakozó áramú generátorokban.

Az Alnico mágnesek mágneses tulajdonságai szorosan összefüggenek mikroszerkezetükkel, és a szemcsefinomítás hatékony módja mágneses tulajdonságaik javításának. A szemcseméret csökkentésével a szemcsehatárok száma nő, ami akadályozhatja a mágneses doménfalak mozgását, ezáltal javítva a koercitív erőt. Ugyanakkor az egyenletesebb mikroszerkezet javíthatja a mágnes remanenciáját és maximális mágneses energiaszorzatát is. Ezért az öntött Alnico mágnesek szemcsefinomítási folyamatainak tanulmányozása nagy jelentőséggel bír mágneses teljesítményük javítása és alkalmazási körük bővítése szempontjából.

2. Öntött Alnico mágnesek szemcsefinomítási folyamatai

2.1 Kémiai kezelés

A kémiai kezelés egy gyakori módszer a fémes anyagok szemcsefinomítására, és széles körben alkalmazzák öntött Alnico mágnesek gyártásánál is. Ez a módszer magában foglalja kis mennyiségű vegyi anyag, úgynevezett oltóanyag vagy módosítószer hozzáadását a fémolvadékhoz. Ezek az anyagok elősegíthetik a heterogén nukleációt az olvadékban, növelhetik a nukleuszszámot, és így finomíthatják a szemcséket.

Az Alnico mágnesek esetében az oltóanyagok kiválasztása kulcsfontosságú. A rácseloszlás-elmélet és az empirikus elektronelmélet szerint a különböző oltóanyagok eltérő hatással vannak a δ-Fe és a γ-Fe heterogén nukleációjára. Például a CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ és MgO jelentős hatással van a δ-Fe heterogén nukleációjára, míg a ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ és CeO₂ hatékonyabbak a γ-Fe esetében.

Oltóanyagok hozzáadásakor ügyelni kell arra, hogy finomak és jól diszpergáltak legyenek az olvadékban. Ellenkező esetben, ha az oltóanyagok aggregálódnak, nemcsak a szemcsék finomítását nem tudják biztosítani, hanem az Alnico mágnesek teljesítményét is befolyásolhatják. Ezenkívül az oltóanyag mennyiségét is pontosan szabályozni kell. Általában a megfelelő mennyiségű oltóanyag jó szemcsefinomítási hatást érhet el, de a túlzott adagolás a nemfémes zárványok számának növekedéséhez vezethet az olvadékban, ami káros a mágnesek mágneses tulajdonságaira.

2.2 Mechanikai rezgés és keverés

A mechanikai rezgés és a keverés olyan fizikai módszerek, amelyek a fémolvadék folyékony és szilárd fázisai között relatív mozgást okozva szemcsefinomítást érhetnek el, elősegítve a dendritkarok törését és burjánzását.

2.2.1 Mechanikus keverés

A mechanikus keverés különböző mértékű relatív mozgást hozhat létre a fémolvadék folyékony és szilárd fázisai között, azaz a folyékony fém konvektív mozgását. Ez a konvektív mozgás a dendritkarok törését okozhatja, és a törött dendritfragmensek új kristálymagokként szolgálhatnak a kristálynövekedéshez, ezáltal növelve a kristálymagok számát és finomítva a szemcséket.

A mechanikus keverésnek azonban vannak hátrányai is. Egyrészt az olvadék keverésekor könnyű gázt bevezetni, és ha a gázt nem lehet időben olvadt fémmel pótolni, olyan hibák alakulhatnak ki, mint a pórusok és a zsugorodási porozitás. Másrészt magas olvadáspontú fémolvadékok keverésekor a keverő kopásra hajlamos, ami szennyezheti a fémolvadékot és új minőségi problémákat okozhat.

2.2.2 Mechanikai rezgés

A mechanikai rezgés a fémolvadék konvektív mozgásán is alapul, amely a dendriteket széttöri és nukleációs proliferációt okoz, ezáltal szemcsefinomodást eredményezve. A gyakorlatban azonban, amikor a mechanikai rezgés frekvenciája növekszik, a fém megszilárdulási (megszilárdulási) rendszer szemcsefinomító hatása csökkenhet, és az olyan problémák, mint a keményfém szétválása és a lazaság az acélöntvényben, súlyosbodhatnak.

2.3 Külső fizikai mezőkezelés

A külső fizikai térben történő kezelés egy ígéretes szemcsefinomítási technológia, amelynek előnyei közé tartozik a környezetbarátság és a könnyű kezelhetőség. Főként áramkezelést, mágneses térben történő kezelést és ultrahangos kezelést foglal magában.

2.3.1 Jelenlegi kezelés

Amikor egy gyorsan változó, erős impulzusáram halad át a fémolvadékon, egy gyorsan változó, erős impulzusos mágneses tér keletkezik az olvadékban. Az erős impulzusáram és az erős impulzusos mágneses tér kölcsönhatása erős összehúzódási erőt hoz létre a fémolvadékban, aminek következtében az olvadék ismételten összenyomódik, és az áramra merőleges irányban oda-vissza mozog. Ez az oda-vissza mozgás nemcsak a dendrites kristályokat törheti el, hanem az olvadék gyors túlhevítését is okozza, és növeli a nukleációs sebességet. Ezért minél erősebb az impulzusáram, annál jelentősebb a szemcsefinomodási hatás.

2.3.2 Mágneses tér kezelése

Amikor a fémolvadék váltakozó mágneses térben megszilárdul, indukált áram keletkezik a megszilárdulási rendszerben. A mágneses tér és az indukált áram közötti kölcsönhatás elektromágneses erőt hoz létre, amely a fémet a sugárirányban a tengely felé nyomja vagy attól elhúzza, szabályos ingadozásokat okozva a megszilárdulási rendszerben. Ez az ingadozás hasonló hatású, mint a szokásosan alkalmazott fokozott konvekció, így a váltakozó mágneses tér szemcsefinomító hatással bír.

A mágneses tér által okozott fluktuáció szempontjából minél erősebb a mágneses indukció intenzitása, annál nagyobb az elektromágneses nyomás, és így annál intenzívebb a fluktuáció, és annál jobb a szemcsefinomodási hatás. Azonban, amikor a mágneses indukció intenzitása növekszik, az indukált áram is arányosan növekszik, ami ennek megfelelően növeli a termikus hatást a megszilárdulási rendszerben, csökkenti a túlhűtés mértékét, és így csökkenti a nukleációs sebességet. Ezért a mágneses tér intenzitása és a szemcsefinomodási hatás közötti összefüggést görbe szélsőértékű görbe.

Ezenkívül az impulzusos mágneses mezők impulzusos örvényáramokat is generálhatnak az olvadékban. Az örvényáramok és a mágneses mező közötti kölcsönhatás Lorentz-erőket és mágneses nyomásokat hoz létre, amelyek intenzíven változnak és sokkal erősebbek, mint a fémolvadék dinamikus nyomása. Ez a fémolvadék intenzív rezgését okozza, növeli a túlhűtés mértékét a megszilárdulás során, javítja a nukleációs sebességet, és kényszerkonvekciót okoz az olvadékban, megakadályozva a dendritek növekedését vagy törését és összenyomódását. A törött dendritrészecskék a kristályosodási fronton lévő folyadékban lebegnek, és új növekedési magokká válnak. Ezért minél erősebb az impulzusos mágneses indukció intenzitása, annál jelentősebb a szemcsefinomodási hatás.

2.3.3 Ultrahangos kezelés

Az ultrahangos kezelés az ultrahangos hullámok folyadékban való terjedésekor keletkező akusztikus kavitációt és akusztikus áramlási hatásokat használja ki a szemcsefinomítás eléréséhez. Amikor az ultrahangos hullámok hatnak a fémolvadékra, a folyadék molekulái periodikusan váltakozó hangtér hatásának vannak kitéve, ami akusztikus kavitációt és akusztikus áramlási hatásokat generál. Ezek a hatások változásokat okozhatnak az áramlási térben, a nyomástérben és a hőmérsékleti térben az olvadékban, lokális magas hőmérsékleti és nagynyomású hatásokat generálva. A folyadék rezgése miatt a dendritkarok leválnak a szilárdulási frontról, és heterogén nukleációs magokként működnek az olvadékban, az ultrahangos hullámok olvadékra gyakorolt ​​diszpergáló hatása pedig egyenletesebbé teszi a részecskék eloszlását. Ezenkívül az ultrahangos kohászat képes a gáz és a salak eltávolítására is, ami egy olvadéktisztító technológia.

3. A szemcsefinomítás hatása az öntött Alnico mágnesek mágneses teljesítménymutatóira

3.1 Kényszerítőerő

A koercitív tényező fontos mutatója az állandó mágnes demagnetizációval szembeni ellenállásának mérésére. A szemcsefinomítás jelentősen javíthatja az Alnico mágnesek koercitivitását. Durva szemcsés szerkezetben a mágneses doménfalak könnyen áthaladhatnak a szemcsehatárokon, így a mágnes érzékenyebbé válik a demagnetizációra. A szemcsefinomítás után a szemcsehatárok száma megnő, és a szemcsehatárok a mágneses doménfalak rögzítőpontjaiként működhetnek, akadályozva azok mozgását. Ezért nagyobb külső mágneses tér szükséges a mágneses doménfalak mozgatásához, azaz a mágnes koercitív tényezője megnő.

Például az Alnico 5 mágnesekben megfelelő szemcsefinomítási eljárásokkal a koercitív erő az eredeti értékről magasabb szintre növelhető, javítva a mágnes azon képességét, hogy mágneses tulajdonságait fordított mágneses mezők vagy külső zavarok jelenlétében is megőrizze.

3.2 Remanencia

A remanencia a mágnesben maradó mágneses indukciós intenzitásra utal, miután a külső mágneses mezőt nullára csökkentettük. A szemcsefinomítás szintén pozitív hatással lehet az Alnico mágnesek remanenciájára. A szemcsefinomítással elért egyenletesebb mikroszerkezet csökkentheti a mágneses momentumok szóródását, és a mágneses momentumokat jobban egy irányba igazíthatja, ezáltal növelve a mágnes remanenciáját.

Ezenkívül a szemcsefinomítás csökkentheti a mágnesben található hibák, például pórusok és zárványok számát is. Ezek a hibák megzavarhatják a mágneses domének elrendezését és csökkenthetik a remanenciát. Ezen hibák kiküszöbölésével vagy csökkentésével a mágnes remanenciája tovább javítható.

3.3 Maximális mágneses energiaszorzat

A maximális mágneses energiaszorzat egy átfogó mutató, amely tükrözi az állandó mágnes energiatároló kapacitását. Arányos a remanencia és a koercitív erő négyzetének szorzatával. Mivel a szemcsefinomítás javíthatja mind az Alnico mágnesek koercitivitását, mind a remanenciáját, ez elkerülhetetlenül a maximális mágneses energiaszorzat növekedéséhez vezet.

A magasabb maximális mágneses energiaszorzat azt jelenti, hogy a mágnes több mágneses energiát képes tárolni és leadni azonos térfogatban, ami nagyon fontos a nagy mágneses energiateljesítményt igénylő alkalmazásoknál, például az elektromos motoroknál és generátoroknál. Például nagy hatékonyságú elektromos motorok tervezésénél a magasabb maximális mágneses energiaszorzatú Alnico mágnesek használata csökkentheti a motor méretét és súlyát, miközben javítja a teljesítményét.

4. Esettanulmány

4.1 1. eset: Alnico 5 mágnesek szemcsefinomítása kémiai kezeléssel

Egy bizonyos Alnico mágnesgyártó vállalatnál az Alnico 5 mágnesek mágneses tulajdonságainak javítása érdekében kémiai kezelést alkalmaztak a szemcsefinomításhoz. A kiválasztott oltóanyag egy Ti és B elemeket tartalmazó vegyület volt. A gyártási folyamat során az oltóanyag megfelelő mennyiségét adták az Alnico olvadékhoz az olvadék tömegének megfelelően.

Megszilárdulás és az azt követő hőkezelés után az Alnico 5 mágnesek mikroszerkezetét metallográfiai mikroszkóp segítségével vizsgálták. Megállapították, hogy az oltóanyaggal kezelt mágnesek szemcsemérete szignifikánsan kisebb volt, mint a kezeletlen mágneseké. Az átlagos szemcseméret körülbelül 100 μm-ről körülbelül 30 μm-re csökkent.

A mágneses tulajdonságvizsgálatok kimutatták, hogy a szemcsefinomított Alnico 5 mágnesek koercitív ereje 52 kA/m-ről 60 kA/m-re, a remanencia 1,2 T-ről 1,25 T-re, a maximális mágneses energiaszorzat pedig 40 kJ/m³-ről 48 kJ/m³-re nőtt. Ez azt jelzi, hogy a megfelelő oltóanyaggal végzett kémiai kezelés hatékonyan finomíthatja az Alnico 5 mágnesek szemcséit, és jelentősen javíthatja mágneses tulajdonságaikat.

4.2 2. eset: Alnico 8 mágnesek szemcsefinomítása ultrahangos kezeléssel

Egy másik kutatási projektben ultrahangos kezelést alkalmaztak az Alnico 8 mágnesek szemcsefinomítására. Az Alnico 8 olvadék megszilárdulási folyamata során egy ultrahangos szondát helyeztek az olvadékba, és meghatározott teljesítményű és frekvenciájú ultrahangos hullámokat alkalmaztak egy bizonyos ideig.

A metallográfiai elemzés kimutatta, hogy az ultrahanggal kezelt Alnico 8 mágnesek szemcséi sokkal finomabbak voltak, mint a kezeletlen mágneseké. Az ultrahangos kezelés megtörte az olvadékban lévő dendriteket, növelte a magok számát, és szemcsefinomodást eredményezett.

A mágneses tulajdonságok mérése kimutatta, hogy az ultrahanggal kezelt Alnico 8 mágnesek koercitív ereje 140 kA/m-ről 160 kA/m-re, a remanencia 1,0 T-ről 1,05 T-re, a maximális mágneses energiaszorzat pedig 60 kJ/m³-ről 70 kJ/m³-re nőtt. Ez azt mutatja, hogy az ultrahangos kezelés hatékony szemcsefinomítási módszer az Alnico 8 mágnesek esetében, és jelentősen javíthatja mágneses teljesítményüket.

5. Következtetés és kitekintés

A szemcsefinomítás fontos eszköz az öntött Alnico mágnesek mágneses tulajdonságainak javítására. A kémiai kezelés, a mechanikus rezgés és keverés, valamint a külső fizikai térkezelés mind hatékony szemcsefinomítási eljárások. Ezek közül a kémiai kezelés egyszerűen kezelhető és jelentős finomító hatással bír, de az oltóanyagok kiválasztását és hozzáadott mennyiségét szigorúan ellenőrizni kell. A mechanikus rezgés és keverés fizikai úton is elérheti a szemcsefinomítást, de bizonyos hibákat okozhatnak. A külső fizikai térkezelések, mint például az áramkezelés, a mágneses térkezelés és az ultrahangos kezelés, környezetbarátak és könnyen kezelhetők, és nagy fejlesztési potenciállal rendelkeznek.

A szemcsefinomítás javíthatja az Alnico mágnesek koercitivitását, remanenciáját és maximális mágneses energiaszorzatát, így alkalmasabbá téve őket nagy teljesítményű mágneses alkalmazásokhoz. A jövőbeli kutatásokban a következő szempontokat lehet tovább vizsgálni:

• A szemcsefinomítási folyamatok optimalizálása, például a kémiai kezelés, a mechanikai vibráció és keverés, valamint a külső fizikai terepi kezelés optimális paramétereinek tanulmányozása a legjobb szemcsefinomítási hatás elérése érdekében.
• Új és hatékonyabb oltóanyagok vagy gabonafinomító szerek fejlesztése a finomítás hatékonyságának javítása és a költségek csökkentése érdekében.
• Kombinálja a különböző szemcsefinomítási módszereket, hogy teljes mértékben kihasználja azok előnyeit, és tovább javítsa az Alnico mágnesek mágneses tulajdonságait.
• Vizsgálja meg a szemcsefinomítás és más tényezők, például a hőkezelés, az ötvözet összetétele és a feldolgozási technológia közötti kapcsolatot az Alnico mágnesek teljesítményének átfogó javítása érdekében.

Összefoglalva, a szemcsefinomítási folyamatok folyamatos kutatása és innovációja révén az öntött Alnico mágnesek mágneses tulajdonságai folyamatosan javíthatók, bővítve alkalmazási körüket és elősegítve az állandó mágneses iparág fejlődését.