Процеси на рафинирање на зрната и подобрувања на магнетните перформанси кај леани Alnico магнети

Апстракт

Алнико магнетите, како еден од најраните развиени трајни магнетни материјали, имаат единствени предности во апликациите за магнетна обработка на високи температури и висока стабилност. Рафинирањето на зрната е важно средство за подобрување на магнетните својства на Алнико магнетите. Овој труд дава длабинска анализа на процесите на рафинирање на зрната на леани Алнико магнети, вклучувајќи хемиски третман, механички вибрации и мешање, како и третман со надворешно физичко поле. Исто така, го истражува влијанието на рафинирањето на зрната врз клучните индикатори за магнетни перформанси како што се коерцитивноста, реманенцијата и максималниот производ на магнетна енергија, и со нетрпение ги очекува идните истражувачки насоки во оваа област.

Клучни зборови

Леани Alnico магнети; Префинетост на зрната; Магнетни перформанси; Хемиски третман; Третман на надворешно физичко поле

1. Вовед

Алнико магнетите, развиени од јапонскиот металург Мишима Токушичи во 1932 година, некогаш беа доминантна сила во индустријата за перманентни магнети пред појавата на материјалите со ретки земјени елементи. Алнико магнетите се познати по нивната висока Кириева температура до 890 °C, што им дава одлична отпорност на високи температури и стабилност. Тие исто така имаат добра отпорност на корозија, обезбедувајќи долгорочна сигурност во сурови средини. Иако пазарниот удел на Алнико магнетите е компресиран од нискобуџетните синтерувани ферити и високо-перформансните перманентни магнети со ретки земјени елементи, тие сепак имаат уникатни предности во апликациите со високи температури над 500 °C и се широко користени во сценарија кои бараат висока стабилност и издржливост, како што се звучници, ват-час броила, електрични мотори, генератори и алтернатори.

Магнетните својства на Alnico магнетите се тесно поврзани со нивната микроструктура, а рафинирањето на зрната е ефикасен начин за подобрување на нивните магнетни својства. Со намалување на големината на зрната, се зголемува бројот на граници на зрната, што може да го попречи движењето на ѕидовите на магнетниот домен, со што се подобрува коерцитивноста. Во исто време, порамномерната микроструктура може да ја зголеми и реманентноста и максималниот производ на магнетната енергија на магнетот. Затоа, проучувањето на процесите на рафинирање на зрната на леаните Alnico магнети е од големо значење за подобрување на нивните магнетни перформанси и проширување на нивниот опсег на примена.

2. Процеси на рафинирање на зрната на леани Alnico магнети

2.1 Хемиски третман

Хемискиот третман е вообичаен метод за рафинирање на зрната кај металните материјали, а е широко користен и во производството на леани Alnico магнети. Овој метод вклучува додавање на мала количина хемиски супстанции, познати како инокуланти или модификатори, во металниот растоп. Овие супстанции можат да поттикнат хетерогено нуклеирање во растопот, да го зголемат бројот на јадра и со тоа да ги рафинираат зрната.

За Alnico магнетите, изборот на инокуланти е клучен. Според теоријата на степен на несовпаѓање на решетката и емпириската електронска теорија, различните инокуланти имаат различни ефекти врз хетерогеното нуклеирање на δ-Fe и γ-Fe. На пример, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ и MgO имаат значајни ефекти врз хетерогеното нуклеирање на δ-Fe, додека ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ и CeO₂ се поефикасни за γ-Fe.

При додавање на инокуланти, потребно е да се осигура дека тие се фини и добро дисперзирани во стопената смеса. Во спротивно, ако инокулантите се агрегираат, тие не само што може да не ги рафинираат зрната, туку и да влијаат на перформансите на Alnico магнетите. Покрај тоа, количината на додаден инокулант треба прецизно да се контролира. Општо земено, соодветна количина на инокулант може да постигне добар ефект на рафинирање на зрната, но прекумерното додавање може да доведе до зголемување на неметалните инклузии во стопената смеса, што е штетно за магнетните својства на магнетите.

2.2 Механички вибрации и мешање

Механичките вибрации и мешањето се физички методи со кои може да се постигне рафинирање на зрната со предизвикување релативно движење помеѓу течната и цврстата фаза во металниот растоп, поттикнувајќи го кршењето и размножувањето на дендритските краци.

2.2.1 Механичко мешање

Механичкото мешање може да создаде различни степени на релативно движење помеѓу течната и цврстата фаза во металниот растоп, односно конвективно движење на течниот метал. Ова конвективно движење може да предизвика кршење на дендритните краци, а скршените дендритни фрагменти можат да дејствуваат како нови јадра за раст на кристали, со што се зголемува бројот на јадра и се рафинираат зрната.

Сепак, механичкото мешање има и некои недостатоци. Од една страна, при мешање на стопениот метал, лесно е да се внесе гас, а ако гасот не може навремено да се надополни со стопен метал, може да се појават дефекти како што се пори и порозност на собирање. Од друга страна, при мешање на метални стопи со висока точка на топење, мешалката е склона кон абење, што може да го контаминира металниот стоп и да предизвика нови проблеми со квалитетот.

2.2.2 Механички вибрации

Механичката вибрација, исто така, се потпира на конвективното движење на металниот растоп за да ги скрши дендритите и да предизвика пролиферација на нуклеација за да се постигне рафинирање на зрната. Меѓутоа, во практична работа, кога фреквенцијата на механички вибрации се зголемува, ефектот на рафинирање на зрната на металниот систем (стврднување) може да се намали, а проблемите како што се сегрегацијата на карбидите и лабавоста во челичната ингота може да станат посериозни.

2.3 Третман на надворешно физичко поле

Третманот со надворешно физичко поле е ветувачка технологија за рафинирање на житарките, која има предности да биде еколошка и лесна за употреба. Таа главно вклучува третман со струја, третман со магнетно поле и ултразвучен третман.

2.3.1 Тековен третман

Кога брзо менувачка силна пулсирачка струја поминува низ металниот стопен материјал, во стопениот материјал ќе се генерира брзо менувачко силно пулсирачко магнетно поле. Интеракцијата помеѓу силната пулсирачка струја и силното пулсирачко магнетно поле ќе произведе силна сила на контракција во металниот стопен материјал, предизвикувајќи стопениот материјал постојано да се компресира и да се движи напред-назад во насока нормална на струјата. Ова движење напред-назад не само што може да ги скрши дендритичните кристали, туку и да предизвика стопениот материјал брзо да ја изгуби својата прегрееност и да ја зголеми брзината на нуклеација. Затоа, колку е посилна пулсирачката струја, толку е позначаен ефектот на рафинирање на зрната.

2.3.2 Третман со магнетно поле

Кога металниот растоп се стврднува во наизменично магнетно поле, во системот за стврднување ќе се генерира индуцирана струја. Интеракцијата помеѓу магнетното поле и индуцираната струја ќе произведе електромагнетна сила, која ќе го притисне металот кон или ќе го повлече од оската по радијалната насока, предизвикувајќи редовни флуктуации во системот за стврднување. Оваа флуктуација има сличен ефект како и засилената конвекција што обично се користи, па затоа наизменичното магнетно поле има ефект на рафинирање на зрната.

Од перспектива на ефектот на флуктуација предизвикан од магнетното поле, колку е посилен интензитетот на магнетната индукција, толку е поголем електромагнетниот притисок, а со тоа и поинтензивната флуктуација, а со тоа и ефектот на рафинирање на зрната е подобар. Меѓутоа, кога интензитетот на магнетната индукција се зголемува, индуцираната струја исто така се зголемува пропорционално, што соодветно ќе го зголеми термичкиот ефект во системот за стврднување, ќе го намали степенот на преладување и со тоа ќе ја намали брзината на нуклеација. Затоа, кривата на односот помеѓу интензитетот на магнетното поле и ефектот на рафинирање на зрната е крива со екстремна вредност.

Покрај тоа, пулсирачките магнетни полиња можат да генерираат и пулсирачки вртложни струи во стопената маса. Интеракцијата помеѓу вртложните струи и магнетното поле создава Лоренцови сили и магнетни притисоци, кои интензивно се менуваат и се многу посилни од динамичкиот притисок на металната маса. Ова предизвикува интензивни вибрации на металната маса, зголемувајќи го степенот на преладување за време на стврднувањето, подобрувајќи ја брзината на нуклеација и предизвикувајќи присилна конвекција во стопената маса, спречувајќи дендритите да растат или да се кршат и дробат. Скршените дендритни честички лебдат во течноста на фронтот на кристализација и стануваат нови јадра на раст. Затоа, колку е посилен интензитетот на пулсираната магнетна индукција, толку е позначаен ефектот на рафинирање на зрната.

2.3.3 Ултразвучен третман

Ултразвучниот третман ги користи ефектите на акустична кавитација и акустичен проток генерирани кога ултразвучните бранови се шират во течност за да се постигне рафинирање на зрната. Кога ултразвучните бранови дејствуваат на металниот стопен материјал, течните молекули се подложени на дејство на периодично наизменично звучно поле, генерирајќи ефекти на акустична кавитација и акустичен проток. Овие ефекти можат да предизвикаат промени во полето на проток, полето на притисок и полето на температура во стопениот материјал, генерирајќи локални ефекти на висока температура и висок притисок. Вибрациите на течноста предизвикуваат дендритните краци да се одвојат од фронтот на стврднување и да дејствуваат како хетерогени јадра на нуклеација во стопениот материјал, а дисперзирачкиот ефект на ултразвучните бранови врз стопениот материјал ги прави честичките порамномерно распределени. Покрај тоа, ултразвучната металургија може да отстрани и гас и згура, што е технологија за прочистување на стопениот материјал.

3. Влијание на рафинирањето на зрната врз индикаторите за магнетни перформанси на леани Alnico магнети

3.1 Коерцивност

Коерцивноста е важен индикатор за мерење на способноста на перманентниот магнет да се спротивстави на демагнетизацијата. Рафинирањето на зрната може значително да ја подобри коерцивноста на Alnico магнетите. Во грубо зрнеста структура, ѕидовите на магнетниот домен можат лесно да се движат преку границите на зрната, правејќи го магнетот поподложен на демагнетизација. По рафинирањето на зрната, бројот на границите на зрната се зголемува, а границите на зрната можат да дејствуваат како центри за прицврстување за ѕидовите на магнетниот домен, попречувајќи го нивното движење. Затоа, потребно е поголемо надворешно магнетно поле за да се движат ѕидовите на магнетниот домен, односно коерцивноста на магнетот се зголемува.

На пример, кај Alnico 5 магнетите, преку соодветни процеси на рафинирање на зрната, коерцитивноста може да се зголеми од оригиналната вредност на повисоко ниво, подобрувајќи ја способноста на магнетот да ги одржува своите магнетни својства во присуство на обратни магнетни полиња или надворешни нарушувања.

3.2 Преостанатост

Реманентноста се однесува на интензитетот на магнетната индукција што останува во магнетот откако надворешното магнетно поле ќе се отстрани на нула. Рафинирањето на зрната може да има позитивно влијание и врз реманентноста на Alnico магнетите. Порамномерна микроструктура добиена преку рафинирање на зрната може да го намали расејувањето на магнетните моменти и да ги направи магнетните моменти поусогласени во иста насока, со што се зголемува реманентноста на магнетот.

Покрај тоа, рафинирањето на зрната може да го намали и бројот на дефекти како што се порите и инклузиите во магнетот. Овие дефекти можат да го нарушат усогласувањето на магнетните домени и да ја намалат преостанатата густина. Со елиминирање или намалување на овие дефекти, преостанатата густина на магнетот може дополнително да се подобри.

3.3 Максимален производ на магнетна енергија

Максималниот производ на магнетна енергија е сеопфатен индикатор што го одразува капацитетот за складирање на енергија на перманентен магнет. Тој е пропорционален на производот на преостанатата магнетност и квадратот на коерцивитетот. Бидејќи рафинирањето на зрната може да ја подобри и коерцивитетот и преостанатата магнетност на Alnico магнетите, тоа неизбежно ќе доведе до зголемување на максималниот производ на магнетна енергија.

Повисок максимален енергетски производ на магнетна енергија значи дека магнетот може да складира и да произведува повеќе магнетна енергија под ист волумен, што е многу важно за апликации кои бараат висок излез на магнетна енергија, како што се електричните мотори и генераторите. На пример, во дизајнот на високоефикасни електрични мотори, употребата на Alnico магнети со повисок максимален енергетски производ на магнетна енергија може да ја намали големината и тежината на моторот, а воедно да ги подобри неговите перформанси.

4. Анализа на случај

4.1 Случај 1: Рафинирање на зрната на Alnico 5 магнетите со хемиски третман

Во одредено претпријатие за производство на Alnico магнети, со цел да се подобрат магнетните својства на Alnico 5 магнетите, бил применет хемиски третман за рафинирање на зрната. Избраниот инокулант бил соединение што содржи Ti и B елементи. За време на процесот на производство, соодветна количина на инокулантот била додавана во стопениот материјал Alnico според тежината на стопениот материјал.

По стврднувањето и последователната термичка обработка, микроструктурата на Alnico 5 магнетите беше набљудувана со помош на металографски микроскоп. Утврдено е дека големината на зрната на магнетите третирани со инокулантот е значително помала од онаа на нетретираните магнети. Просечната големина на зрната се намали од околу 100 μm на околу 30 μm.

Тестовите за магнетни својства покажаа дека коерцитивноста на рафинираните со зрна Alnico 5 магнети се зголемила од 52 kA/m на 60 kA/m, реманентната вредност се зголемила од 1,2 T на 1,25 T, а максималниот производ на магнетна енергија се зголемил од 40 kJ/m³ на 48 kJ/m³. Ова укажува дека хемискиот третман со соодветен инокулант може ефикасно да ги рафинира зрната на Alnico 5 магнетите и значително да ги подобри нивните магнетни својства.

4.2 Случај 2: Рафинирање на зрната на Alnico 8 магнетите со ултразвучен третман

Во друг истражувачки проект, беше применет ултразвучен третман на рафинирањето на зрната на Alnico 8 магнетите. За време на процесот на стврднување на стопената маса Alnico 8, во стопената маса беше вметната ултразвучна сонда и беа применети ултразвучни бранови со одредена моќност и фреквенција во текот на одреден временски период.

Металографската анализа покажа дека зрната на Alnico 8 магнетите третирани со ултразвук биле многу пофини од оние на нетретираните магнети. Ултразвучниот третман ги скршил дендритите во стопената маса, го зголемил бројот на јадра и постигнал рафинирање на зрната.

Мерењата на магнетните својства покажаа дека коерцитивноста на ултразвучно третираните Alnico 8 магнети се зголемила од 140 kA/m на 160 kA/m, реманентната вредност се зголемила од 1,0 T на 1,05 T, а максималниот производ на магнетна енергија се зголемил од 60 kJ/m³ на 70 kJ/m³. Ова покажува дека ултразвучниот третман е ефикасен метод за рафинирање на зрната за Alnico 8 магнети и може значително да ги подобри нивните магнетни перформанси.

5. Заклучок и перспектива

Рафинирањето на зрната е важно средство за подобрување на магнетните својства на леаните Alnico магнети. Хемискиот третман, механичките вибрации и мешањето, како и третманот со надворешно физичко поле се ефикасни процеси на рафинирање на зрната. Меѓу нив, хемискиот третман е едноставен за ракување и има значаен ефект на рафинирање, но изборот и додавањето на количината на инокуланти треба строго да се контролираат. Механичките вибрации и мешањето можат да постигнат рафинирање на зрната преку физички средства, но може да предизвикаат некои дефекти. Третманот со надворешно физичко поле, како што се третманот со струја, третманот со магнетно поле и ултразвучниот третман, има предности што е еколошки и лесен за ракување, и има голем потенцијал за развој.

Рафинирањето на зрната може да ја подобри коерцитивноста, реманенцијата и максималниот производ на магнетната енергија на Alnico магнетите, што ги прави посоодветни за високо-перформансни магнетни апликации. Во идните истражувања, следните аспекти можат дополнително да се истражат:

• Оптимизирајте ги процесите на рафинирање на зрната, како што се проучување на оптималните параметри на хемиски третман, механички вибрации и мешање и третман на надворешно физичко поле за да се постигне најдобар ефект на рафинирање на зрната.
• Развијте нови и поефикасни инокуланти или агенси за рафинирање на житото за да ја подобрите ефикасноста на рафинирањето и да ги намалите трошоците.
• Комбинирајте различни методи на рафинирање на зрната за да ги искористите целосно нивните предности и дополнително да ги подобрите магнетните својства на Alnico магнетите.
• Проучете ја врската помеѓу рафинирањето на зрната и други фактори како што се термичката обработка, составот на легурата и технологијата на обработка за сеопфатно подобрување на перформансите на Alnico магнетите.

Како заклучок, преку континуирано истражување и иновации во процесите на рафинирање на зрната, магнетните својства на леаните Alnico магнети можат континуирано да се подобруваат, проширувајќи го нивниот опсег на примена и промовирајќи го развојот на индустријата за перманентни магнети.