Микроструктурни карактеристики на Alnico магнетите и влијанието на големината на зрната и морфологијата на границите на зрната врз параметрите на магнетното јадро

Алнико магнетите, како еден од најраните развиени перманентни магнетни материјали, имаат уникатни микроструктурни карактеристики кои значително влијаат на нивните магнетни својства. Овој труд навлегува во микроструктурните карактеристики на Алнико магнетите, фокусирајќи се на составот и механизмот на формирање на нивните фази. Исто така, сеопфатно анализира како големината на зрната и морфологијата на границите на зрната влијаат на магнетните параметри на јадрото, како што се коерцитивноста, реманенцијата и максималниот производ на магнетна енергија. Преку детално истражување на овие односи, оваа студија дава увид во оптимизирањето на микроструктурата на Алнико магнетите за подобрување на нивните магнетни перформанси и проширување на нивниот опсег на примена.

1. Вовед

Алнико магнетите, составени главно од алуминиум (Al), никел (Ni), кобалт (Co) и железо (Fe), заедно со мали количини на други елементи како бакар (Cu) и титаниум (Ti), се широко користени во различни индустриски области уште од нивното пронаоѓање во 1930-тите. Нивната висока реманенција, нискиот температурен коефициент и одличната стабилност на високи температури ги прават погодни за примена во мотори, сензори и мерни инструменти. Сепак, нивната релативно ниска коерцитивност во споредба со некои современи перманентни магнети од ретки земјени метали го ограничи нивниот понатамошен развој. Разбирањето на врската помеѓу микроструктурата на Алнико магнетите и нивните магнетни својства е клучно за подобрување на нивните перформанси.

2. Микроструктурни карактеристики на Alnico магнетите

2.1 Фазен состав

Микроструктурата на Alnico магнетите е главно составена од две фази: магнетна фаза богата со Fe-Co (α1) и немагнетна фаза богата со Al-Ni (α2). Покрај тоа, помеѓу фазите α1 и α2 е присутна и мала фаза збогатена со Cu.

Фазата α1 е главен извор на магнетизам кај Alnico магнетите. Таа има висок магнетен момент и значително придонесува за задржувањето на магнетот. Фазата α2 е немагнетна и делува како матрица што ги одделува регионите на α1 фазата. Фазата збогатена со Cu, често сместена во аглите на фасетите на α1 фазата, може да влијае на интеракцијата помеѓу фазите α1 и α2 и на тој начин да влијае на целокупните магнетни својства.

2.2 Механизам на формирање на микроструктурата

Формирањето на единствената микроструктура кај Alnico магнетите е главно преку процес наречен спинодално распаѓање. За време на термичката обработка на Alnico легурите, прво се формира еднофазен кубен (bcc) α цврст раствор со центрирано тело. Со намалувањето на температурата, оваа еднофазна структура претрпува спинодално распаѓање, што резултира со одвојување во α1 и α2 фази.

Во овој процес, α1 фазата се формира како стапчести или плочести структури вградени во α2 матрицата. Големината, обликот и распределбата на овие α1 фазни региони се клучни за одредување на магнетните својства на магнетот. На пример, формирањето на „мозаична структура“ со {110} или {100} рамни фацетирани α1 стапчиња (со големина од околу 35 nm) вградени во α2 матрицата е карактеристична црта на високо-ефикасните Alnico магнети.

2.3 Структура на зрната кај Alnico магнетите

Структурата на зрната на Alnico магнетите може да варира во зависност од процесот на производство. Насочното стврднување е вообичаен метод што се користи за подобрување на магнетните својства на Alnico магнетите. Преку насочено стврднување, може да се формираат столбовидни зрна, што може да ја зголеми магнетната анизотропија на магнетот.

Кај насочно зацврстено Alnico одлеанок, ориентацијата и големината на зрната може да варираат по висината на одлеанокот. Горниот дел од магнетот обично има најдобра ориентација на зрната и најголема просечна големина на зрната, што доведува до највисока преостаната големина. Како што се движиме од врвот кон дното на одлеанокот, големините на зрната постепено се намалуваат, а процентот на попречните граници на зрната се зголемува. Ова резултира со мал сооднос на ширина и висина на α1 фазата и помала коерцитивност.

3. Влијание на големината на зрната врз магнетните параметри на јадрото

3.1 Коерцивност

Големината на зрната има значително влијание врз коерцитивноста на Alnico магнетите. Општо земено, за конвенционалните магнетни материјали како Alnico, помалата големина на зрната доведува до зголемување на коерцитивноста. Ова е затоа што границите на зрната дејствуваат како пречки за движење на ѕидовите на домените. Кога големината на зрната е помала, има повеќе граници на зрната по единица волумен, што го зголемува отпорот кон поместување на ѕидот на домените и со тоа ја зголемува коерцитивноста.

Кај Alnico магнетите, наноразмерните изолирани α1 прачки формирани за време на спинодалното распаѓање се клучните микроструктурни карактеристики што доведуваат до висока коерцивност. Кога големината на зрната е намалена, големината и дистрибуцијата на овие α1 прачки може подобро да се контролираат, што доведува до зголемување на ефективната магнетна анизотропија и коерцивност. На пример, со контролирање на пост-стврднувачката обработка за да се намали дијаметарот на регионите на спинодално распаѓање, коерцивноста на Alnico магнетите може да се подобри.

Сепак, треба да се напомене дека постои оптимален опсег на големина на зрната за постигнување на највисока коерцивност. Ако големината на зрната е премногу мала, магнетното поврзување помеѓу соседните зрна може да стане значајно, што може да ја намали ефективната магнетна анизотропија и да ја намали коерцивноста.

3.2 Преостанатост

Големината на зрната, исто така, влијае на преостанатата магнетизација на Alnico магнетите. Поголемите големини на зрната генерално резултираат со поголема преостаната магнетизација, особено кај насочено зацврстените Alnico магнети. Ова е затоа што поголемите зрна со поповолна ориентација можат да порамнат повеќе магнетни домени во иста насока за време на магнетизацијата, што доведува до поголема преостаната магнетизација.

Во горниот дел од насочено стврднат Alnico одлив, каде што големината на зрната е најголема, а ориентацијата на зрната е најдобра, преостанатата густина е обично највисока. Како што се намалува големината на зрната, се зголемува бројот на граници на зрната, а магнетните домени се посклони кон границите на зрната, намалувајќи ја способноста на домените да се порамнуваат и со тоа намалувајќи ја преостанатата густина.

3.3 Максимален производ на магнетна енергија

Максималниот производ на магнетна енергија (BHmax) е сеопфатен индикатор за магнетните перформанси на перманентниот магнет. Тој е поврзан и со реманенцијата и со коерцивноста на магнетот. Бидејќи големината на зрната влијае и на реманенцијата и на коерцивноста, таа има влијание и врз BHmax.

Општо земено, соодветното зголемување на големината на зрната може да го подобри BHmax со зголемување на преостанатата вредност. Меѓутоа, ако големината на зрната е преголема, коерцитивноста може значително да се намали, што пак ќе го намали BHmax. Затоа, оптимизирањето на големината на зрната е од суштинско значење за постигнување на висок BHmax кај Alnico магнетите.

4. Влијание на морфологијата на границите на зрната врз магнетните параметри на јадрото

4.1 Коерцивност

Морфологијата на границите на зрната игра клучна улога во одредувањето на коерцитивноста на Alnico магнетите. Мазните и добро дефинирани граници на зрната можат да дејствуваат како ефикасни бариери за движење на ѕидот на домените, зголемувајќи ја коерцитивноста. Од друга страна, неправилните граници на зрната со дефекти како што се дислокации и празнини можат да обезбедат лесни патеки за движење на ѕидот на домените, намалувајќи ја коерцитивноста.

Кај Alnico магнетите, присуството на фазата збогатена со Cu на границите на зрната може да влијае и на коерцитивноста. Фазата збогатена со Cu може да ја измени локалната магнетна средина на границите на зрната, влијаејќи на интеракцијата помеѓу соседните зрна и на тој начин на коерцитивноста. Ако фазата збогатена со Cu е рамномерно распределена и има соодветна големина и облик, таа може да ја зголеми коерцитивноста со зголемување на магнетната анизотропија на границите на зрната. Меѓутоа, ако фазата збогатена со Cu е агрегирана или има неправилна форма, таа може да има негативно влијание врз коерцитивноста.

4.2 Преостанатост

Морфологијата на границите на зрната може да влијае и на реманентноста на Alnico магнетите. Високата густина на границите на зрната со голем број дефекти може да го наруши усогласувањето на магнетните домени, намалувајќи ја реманентноста. Спротивно на тоа, добро организираните граници на зрната со помалку дефекти можат да го олеснат усогласувањето на домените за време на магнетизацијата, што доведува до поголема реманентност.

Ориентацијата на границите на зрната е исто така важна. Границите на зрната што се нормални на оската на лесно магнетизирање на магнетот можат поефикасно да го блокираат движењето на ѕидовите на домените и да ја зголемат преостанатата вредност во споредба со границите на зрната што се паралелни со оската на лесно магнетизирање.

4.3 Магнетна анизотропија

Морфологијата на границите на зрната е тесно поврзана со магнетната анизотропија на Alnico магнетите. Магнетната анизотропија се однесува на разликата во магнетните својства во различни насоки. Добро дефинираната гранична структура на зрната може да го поттикне формирањето на магнетна анизотропија со влијание врз ориентацијата на магнетните домени.

На пример, кај насочено зацврстените Alnico магнети, столбната структура на зрната со паралелни граници на зрната може да ја зголеми магнетната анизотропија по должината на долгата оска на колоните. Ова е затоа што магнетните домени имаат тенденција да се порамнуваат по должината на долгата оска на зрната, а границите на зрната дејствуваат како бариери за движење на ѕидот на домените во нормалната насока, зголемувајќи ја магнетната анизотропија и подобрувајќи ги целокупните магнетни перформанси.

5. Оптимизација на микроструктурата за подобрени магнетни перформанси

5.1 Контрола на големината на зрната

За да се оптимизираат магнетните перформанси на Alnico магнетите, потребно е да се контролира големината на зрната за време на процесот на производство. Ова може да се постигне преку различни методи како што се прилагодување на брзината на ладење за време на стврднувањето, додавање средства за рафинирање на зрната и примена на надворешни магнетни полиња за време на термичката обработка.

Со контролирање на брзината на ладење, може да се регулира нуклеацијата и растот на зрната. Побрзата брзина на ладење може да доведе до пофина големина на зрната, додека побавната брзина на ладење може да резултира со поголеми зрна. Додавањето на средства за рафинирање на зрна како што се титаниум и циркониум, исто така, може ефикасно да ја намали големината на зрната со обезбедување хетерогени места за нуклеација. Примената на надворешно магнетно поле за време на термичката обработка може да го поттикне усогласувањето на зрната и да ја подобри магнетната анизотропија, што исто така може да има индиректно влијание врз распределбата на големината на зрната.

5.2 Модификација на морфологијата на границите на зрната

Модифицирањето на морфологијата на границите на зрната е уште еден важен аспект на оптимизирање на микроструктурата на Alnico магнетите. Ова може да се направи со контролирање на составот и дистрибуцијата на фазата збогатена со Cu на границите на зрната.

Со прилагодување на количината на додаден бакар за време на подготовката на легурата и оптимизирање на параметрите на термичка обработка, може да се контролира големината, обликот и распределбата на фазата збогатена со Cu. Униформна и фино дисперзирана фаза збогатена со Cu на границите на зрната може да ја зголеми коерцитивноста и магнетната анизотропија на магнетот. Покрај тоа, намалувањето на бројот на дефекти на границите на зрната преку процеси како што е топло изостатско пресување, исто така, може да ги подобри магнетните својства.

5.3 Комбинација од контрола на големината на зрната и границите на зрната

За да се постигнат најдобри магнетни перформанси, често е потребно да се комбинира контролата на големината на зрната и морфологијата на границите на зрната. На пример, со прво користење на средства за рафинирање на зрната за да се добие фино зрнеста структура, а потоа со оптимизирање на процесот на термичка обработка за да се измени морфологијата на границите на зрната, може да се произведе високо-ефикасен Alnico магнет со висока коерцивност и висока реманенција.

6. Заклучок

Микроструктурата на Alnico магнетите, вклучувајќи го фазниот состав, големината на зрната и морфологијата на границите на зрната, има длабоко влијание врз нивните основни магнетни параметри како што се коерцитивноста, реманенцијата и максималниот производ на магнетна енергија. Разбирањето на врската помеѓу микроструктурата и магнетните својства е од суштинско значење за оптимизирање на перформансите на Alnico магнетите.

Со контролирање на големината на зрната преку методи како што се прилагодување на брзината на ладење и додавање средства за рафинирање на зрната, како и модифицирање на морфологијата на границата на зрната со контролирање на составот и дистрибуцијата на фазата збогатена со Cu, магнетните перформанси на Alnico магнетите можат значително да се подобрат. Идните истражувања треба да се фокусираат на понатамошно истражување на основните механизми на влијанието на микроструктурата врз магнетните својства и развој на поефикасни методи за оптимизација на микроструктурата за да се задоволат растечките барања за високо-перформансни перманентни магнети во различни индустриски апликации.