Processi di raffinazione del grano e miglioramenti delle prestazioni magnetiche nei magneti Alnico fusi

Astratto

I magneti in Alnico, tra i primi materiali magnetici permanenti sviluppati, presentano vantaggi unici nelle applicazioni magnetiche ad alta temperatura e alta stabilità. La raffinazione del grano è un mezzo importante per migliorare le proprietà magnetiche dei magneti in Alnico. Questo articolo fornisce un'analisi approfondita dei processi di raffinazione del grano dei magneti in Alnico fusi, inclusi il trattamento chimico, la vibrazione e l'agitazione meccanica e il trattamento con campo fisico esterno. Esplora inoltre l'impatto della raffinazione del grano su indicatori chiave delle prestazioni magnetiche come coercività, rimanenza e prodotto di energia magnetica massima, e anticipa le future direzioni di ricerca in questo campo.

Parole chiave

Magneti in Alnico fusi; Raffinazione del grano; Prestazioni magnetiche; Trattamento chimico; Trattamento del campo fisico esterno

1. Introduzione

I magneti in Alnico, sviluppati dal metallurgista giapponese Mishima Tokushichi nel 1932, erano un tempo la forza dominante nell'industria dei magneti permanenti prima dell'avvento dei materiali magnetici permanenti a base di terre rare. I magneti in Alnico sono noti per la loro elevata temperatura di Curie, fino a 890 °C, che conferisce loro un'eccellente resistenza e stabilità alle alte temperature. Hanno anche una buona resistenza alla corrosione, garantendo affidabilità a lungo termine in ambienti difficili. Sebbene la quota di mercato dei magneti in Alnico sia stata ridotta dalle ferriti sinterizzate a basso costo e dai magneti permanenti a base di terre rare ad alte prestazioni, presentano ancora vantaggi unici nelle applicazioni ad alta temperatura superiori a 500 °C e sono ampiamente utilizzati in scenari che richiedono elevata stabilità e durata, come altoparlanti, contatori di wattora, motori elettrici, generatori e alternatori.

Le proprietà magnetiche dei magneti in Alnico sono strettamente correlate alla loro microstruttura e l'affinamento del grano è un modo efficace per migliorarne le proprietà magnetiche. Riducendo la dimensione del grano, aumenta il numero di bordi di grano, il che può ostacolare il movimento delle pareti del dominio magnetico, migliorando così la coercitività. Allo stesso tempo, una microstruttura più uniforme può anche migliorare la rimanenza e il prodotto di energia magnetica massima del magnete. Pertanto, lo studio dei processi di affinamento del grano dei magneti in Alnico fusi è di grande importanza per migliorarne le prestazioni magnetiche e ampliarne il campo di applicazione.

2. Processi di raffinazione del grano dei magneti in Alnico fusi

2.1 Trattamento chimico

Il trattamento chimico è un metodo comune per la raffinazione dei grani nei materiali metallici ed è ampiamente utilizzato anche nella produzione di magneti in Alnico fusi. Questo metodo prevede l'aggiunta di una piccola quantità di sostanze chimiche, note come inoculanti o modificatori, alla massa metallica fusa. Queste sostanze possono promuovere la nucleazione eterogenea nella massa fusa, aumentare il numero di nuclei e quindi raffinare i grani.

Per i magneti in Alnico, la selezione degli inoculanti è cruciale. Secondo la teoria del grado di disadattamento reticolare e la teoria empirica degli elettroni, diversi inoculanti hanno effetti diversi sulla nucleazione eterogenea di δ-Fe e γ-Fe. Ad esempio, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ e MgO hanno effetti significativi sulla nucleazione eterogenea di δ-Fe, mentre ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ e CeO₂ sono più efficaci per γ-Fe.

Quando si aggiungono gli inoculanti, è necessario assicurarsi che siano fini e ben dispersi nella massa fusa. In caso contrario, se gli inoculanti si aggregano, potrebbero non solo non raffinare i grani, ma anche compromettere le prestazioni dei magneti in Alnico. Inoltre, anche la quantità di inoculante aggiunta deve essere controllata con precisione. Generalmente, una quantità appropriata di inoculante può ottenere un buon effetto di raffinazione dei grani, ma un'aggiunta eccessiva può portare a un aumento delle inclusioni non metalliche nella massa fusa, il che è dannoso per le proprietà magnetiche dei magneti.

2.2 Vibrazione meccanica e agitazione

La vibrazione meccanica e l'agitazione sono metodi fisici che possono ottenere la raffinazione dei grani provocando un movimento relativo tra le fasi liquida e solida nella fusione del metallo, favorendo la rottura e la proliferazione dei bracci dendritici.

2.2.1 Agitazione meccanica

L'agitazione meccanica può creare diversi gradi di moto relativo tra la fase liquida e quella solida nella fusione metallica, ovvero il moto convettivo del metallo liquido. Questo moto convettivo può causare la rottura dei bracci dendritici, e i frammenti dendritici rotti possono fungere da nuovi nuclei per la crescita dei cristalli, aumentando così il numero di nuclei e raffinando i grani.

Tuttavia, l'agitazione meccanica presenta anche alcuni svantaggi. Da un lato, durante l'agitazione del metallo fuso, è facile introdurre gas e, se il gas non può essere tempestivamente integrato dal metallo fuso, possono formarsi difetti come pori e porosità da ritiro. D'altro canto, quando si agitano metalli fusi ad alto punto di fusione, l'agitatore è soggetto a usura, che può contaminare il metallo fuso e causare nuovi problemi di qualità.

2.2.2 Vibrazioni meccaniche

Anche la vibrazione meccanica sfrutta il moto convettivo del metallo fuso per rompere i dendriti e causare la proliferazione di nucleazione, ottenendo così l'affinamento del grano. Tuttavia, nella pratica, all'aumentare della frequenza della vibrazione meccanica, l'effetto di raffinamento del grano del sistema di solidificazione del metallo può diminuire e problemi come la segregazione dei carburi e l'allentamento del lingotto d'acciaio possono aggravarsi.

2.3 Trattamento del campo fisico esterno

Il trattamento con campo fisico esterno è una promettente tecnologia di raffinazione dei grani, che presenta i vantaggi di essere ecologica e facile da usare. Include principalmente trattamenti con corrente elettrica, campi magnetici e ultrasuoni.

2.3.1 Trattamento attuale

Quando una corrente pulsata intensa e in rapida variazione attraversa il metallo fuso, si genera un campo magnetico pulsato intenso e in rapida variazione. L'interazione tra la corrente pulsata intensa e il campo magnetico pulsato intenso produce una forte forza di contrazione nel metallo fuso, causando una compressione ripetuta del metallo fuso e un movimento avanti e indietro nella direzione perpendicolare alla corrente. Questo movimento avanti e indietro può non solo rompere i cristalli dendritici, ma anche far perdere rapidamente il surriscaldamento al metallo fuso e aumentare la velocità di nucleazione. Pertanto, maggiore è la corrente pulsata, più significativo è l'effetto di raffinamento del grano.

2.3.2 Trattamento del campo magnetico

Quando il metallo fuso si solidifica in un campo magnetico alternato, nel sistema di solidificazione si genera una corrente indotta. L'interazione tra il campo magnetico e la corrente indotta produce una forza elettromagnetica che spinge il metallo verso l'asse o lo allontana dall'asse lungo la direzione radiale, causando fluttuazioni regolari nel sistema di solidificazione. Questa fluttuazione ha un effetto simile alla convezione potenziata solitamente utilizzata, quindi il campo magnetico alternato ha un effetto di affinamento del grano.

Dal punto di vista dell'effetto di fluttuazione indotto dal campo magnetico, maggiore è l'intensità dell'induzione magnetica, maggiore è la pressione elettromagnetica e, di conseguenza, più intensa è la fluttuazione e migliore è l'effetto di raffinamento del grano. Tuttavia, all'aumentare dell'intensità dell'induzione magnetica, aumenta proporzionalmente anche la corrente indotta, il che aumenterà di conseguenza l'effetto termico nel sistema di solidificazione, ridurrà il grado di sottoraffreddamento e quindi diminuirà la velocità di nucleazione. Pertanto, la curva di relazione tra l'intensità del campo magnetico e l'effetto di raffinamento del grano è una curva con un valore estremo.

Inoltre, i campi magnetici pulsati possono anche generare correnti parassite pulsate nella massa fusa. L'interazione tra le correnti parassite e il campo magnetico produce forze di Lorentz e pressioni magnetiche, che variano intensamente e sono molto più intense della pressione dinamica del metallo fuso. Ciò provoca intense vibrazioni del metallo fuso, aumentando il grado di sottoraffreddamento durante la solidificazione, migliorando la velocità di nucleazione e causando convezione forzata nella massa fusa, impedendo ai dendriti di crescere o rompersi e schiacciarsi. Le particelle dendritiche rotte galleggiano nel liquido sul fronte di cristallizzazione e diventano nuovi nuclei di crescita. Pertanto, maggiore è l'intensità dell'induzione magnetica pulsata, più significativo è l'effetto di raffinamento del grano.

2.3.3 Trattamento ad ultrasuoni

Il trattamento a ultrasuoni sfrutta gli effetti di cavitazione acustica e di streaming acustico generati dalla propagazione delle onde ultrasoniche in un liquido per ottenere l'affinamento dei grani. Quando le onde ultrasoniche agiscono sul metallo fuso, le molecole del liquido sono sottoposte all'azione di un campo sonoro alternato periodico, generando effetti di cavitazione acustica e di streaming acustico. Questi effetti possono causare variazioni nel campo di flusso, nel campo di pressione e nel campo di temperatura nel metallo fuso, generando effetti locali di alta temperatura e alta pressione. La vibrazione del liquido provoca il distacco dei bracci dendritici dal fronte di solidificazione e la loro azione come nuclei di nucleazione eterogenei nel metallo fuso, mentre l'effetto disperdente delle onde ultrasoniche sul metallo fuso fa sì che le particelle si distribuiscano in modo più uniforme. Inoltre, la metallurgia a ultrasuoni può anche rimuovere gas e scorie, una tecnologia di purificazione del metallo fuso.

3. Impatto della raffinazione del grano sugli indicatori di prestazione magnetica dei magneti Alnico fusi

3.1 Coercitività

La coercività è un indicatore importante per misurare la capacità di un magnete permanente di resistere alla smagnetizzazione. L'affinamento del grano può migliorare significativamente la coercività dei magneti in Alnico. In una struttura a grana grossa, le pareti dei domini magnetici possono muoversi facilmente attraverso i bordi dei grani, rendendo il magnete più suscettibile alla smagnetizzazione. Dopo l'affinamento del grano, il numero di bordi dei grani aumenta e i bordi dei grani possono fungere da centri di ancoraggio per le pareti dei domini magnetici, ostacolandone il movimento. Pertanto, è necessario un campo magnetico esterno maggiore per spostare le pareti dei domini magnetici, ovvero la coercività del magnete aumenta.

Ad esempio, nei magneti Alnico 5, attraverso opportuni processi di raffinamento dei grani, la coercività può essere aumentata dal valore originale a un livello superiore, migliorando la capacità del magnete di mantenere le sue proprietà magnetiche in presenza di campi magnetici inversi o disturbi esterni.

3.2 Remanenza

La rimanenza si riferisce all'intensità di induzione magnetica residua nel magnete dopo che il campo magnetico esterno è stato azzerato. Anche l'affinamento del grano può avere un impatto positivo sulla rimanenza dei magneti in Alnico. Una microstruttura più uniforme ottenuta attraverso l'affinamento del grano può ridurre la dispersione dei momenti magnetici e renderli più allineati nella stessa direzione, aumentando così la rimanenza del magnete.

Inoltre, l'affinamento del grano può anche ridurre il numero di difetti come pori e inclusioni nel magnete. Questi difetti possono compromettere l'allineamento dei domini magnetici e ridurre la rimanenza. Eliminando o riducendo questi difetti, la rimanenza del magnete può essere ulteriormente migliorata.

3.3 Prodotto di energia magnetica massima

Il prodotto massimo di energia magnetica è un indicatore completo che riflette la capacità di accumulo di energia di un magnete permanente. È proporzionale al prodotto della rimanenza per il quadrato della coercività. Poiché la raffinazione del grano può migliorare sia la coercività che la rimanenza dei magneti in Alnico, ciò porterà inevitabilmente a un aumento del prodotto massimo di energia magnetica.

Un prodotto di energia magnetica massimo più elevato significa che il magnete può immagazzinare e produrre più energia magnetica a parità di volume, il che è molto importante per le applicazioni che richiedono un'elevata produzione di energia magnetica, come motori elettrici e generatori. Ad esempio, nella progettazione di motori elettrici ad alta efficienza, l'utilizzo di magneti in Alnico con un prodotto di energia magnetica massimo più elevato può ridurre le dimensioni e il peso del motore, migliorandone al contempo le prestazioni.

4. Analisi del caso

4.1 Caso 1: Raffinazione del grano dei magneti Alnico 5 mediante trattamento chimico

In un'azienda produttrice di magneti in Alnico, per migliorare le proprietà magnetiche dei magneti in Alnico 5, è stato adottato un trattamento chimico per la raffinazione del grano. L'inoculante selezionato era un composto contenente elementi Ti e B. Durante il processo di produzione, una quantità appropriata di inoculante è stata aggiunta alla massa fusa di Alnico in base al peso della massa fusa.

Dopo la solidificazione e il successivo trattamento termico, la microstruttura dei magneti in Alnico 5 è stata osservata al microscopio metallografico. Si è riscontrato che la granulometria dei magneti trattati con l'inoculante era significativamente inferiore a quella dei magneti non trattati. La granulometria media è diminuita da circa 100 μm a circa 30 μm.

I test sulle proprietà magnetiche hanno dimostrato che la coercitività dei magneti in Alnico 5 con grani raffinati è aumentata da 52 kA/m a 60 kA/m, la rimanenza è aumentata da 1,2 T a 1,25 T e il prodotto di energia magnetica massima è aumentato da 40 kJ/m³ a 48 kJ/m³. Ciò indica che il trattamento chimico con un inoculante appropriato può raffinare efficacemente i grani dei magneti in Alnico 5 e migliorarne significativamente le proprietà magnetiche.

4.2 Caso 2: Raffinazione del grano dei magneti Alnico 8 mediante trattamento ad ultrasuoni

In un altro progetto di ricerca, il trattamento a ultrasuoni è stato applicato alla raffinazione della grana dei magneti in Alnico 8. Durante il processo di solidificazione della massa fusa di Alnico 8, una sonda a ultrasuoni è stata inserita nella massa fusa e sono state applicate onde ultrasoniche con una determinata potenza e frequenza per un determinato periodo di tempo.

L'analisi metallografica ha mostrato che i grani dei magneti Alnico 8 trattati con ultrasuoni erano molto più fini di quelli dei magneti non trattati. Il trattamento ultrasonico ha rotto i dendriti nella fusione, aumentato il numero di nuclei e ottenuto una raffinazione dei grani.

Le misurazioni delle proprietà magnetiche hanno rivelato che la coercitività dei magneti Alnico 8 trattati con ultrasuoni è aumentata da 140 kA/m a 160 kA/m, la rimanenza è aumentata da 1,0 T a 1,05 T e il prodotto massimo di energia magnetica è aumentato da 60 kJ/m³ a 70 kJ/m³. Ciò dimostra che il trattamento a ultrasuoni è un metodo efficace di raffinazione dei grani per i magneti Alnico 8 e può migliorarne significativamente le prestazioni magnetiche.

5. Conclusione e prospettive

La raffinazione del grano è un mezzo importante per migliorare le proprietà magnetiche dei magneti in Alnico fusi. Il trattamento chimico, la vibrazione e l'agitazione meccanica e il trattamento con campo fisico esterno sono tutti processi efficaci per la raffinazione del grano. Tra questi, il trattamento chimico è semplice da utilizzare e ha un effetto di raffinazione significativo, ma la selezione e l'aggiunta di inoculanti devono essere rigorosamente controllate. La vibrazione e l'agitazione meccanica possono ottenere la raffinazione del grano attraverso mezzi fisici, ma possono introdurre alcuni difetti. Il trattamento con campo fisico esterno, come il trattamento con corrente, il trattamento con campo magnetico e il trattamento a ultrasuoni, presenta il vantaggio di essere ecologico e facile da utilizzare, e ha un grande potenziale di sviluppo.

L'affinamento del grano può migliorare la coercitività, la rimanenza e il prodotto massimo di energia magnetica dei magneti in Alnico, rendendoli più adatti ad applicazioni magnetiche ad alte prestazioni. In future ricerche, i seguenti aspetti potranno essere ulteriormente esplorati:

• Ottimizzare i processi di raffinazione dei grani, ad esempio studiando i parametri ottimali del trattamento chimico, delle vibrazioni e dell'agitazione meccaniche e del trattamento fisico esterno sul campo per ottenere il miglior effetto di raffinazione dei grani.
• Sviluppare nuovi e più efficaci inoculanti o agenti di raffinazione dei cereali per migliorare l'efficienza della raffinazione e ridurre i costi.
• Combinare diversi metodi di raffinazione della grana per sfruttare appieno i rispettivi vantaggi e migliorare ulteriormente le proprietà magnetiche dei magneti Alnico.
• Studiare la relazione tra la raffinazione del grano e altri fattori quali il trattamento termico, la composizione della lega e la tecnologia di lavorazione per migliorare in modo completo le prestazioni dei magneti Alnico.

In conclusione, attraverso la continua ricerca e innovazione nei processi di raffinazione dei grani, le proprietà magnetiche dei magneti Alnico fusi possono essere costantemente migliorate, ampliando il loro campo di applicazione e promuovendo lo sviluppo dell'industria dei magneti permanenti.