Влијанието на јачината на магнетното поле и брзината на стврднување врз степенот на ориентација при насочено стврднување (ориентација на магнетното поле) на Alnico магнетите

Алнико магнетите, како вид на перманентен магнет со одлични перформанси, се широко користени во различни области како што се мотори, сензори и аудио опрема. Процесот на насочено стврднување со ориентација на магнетното поле е клучна технологија за подготовка на високо-перформансни Алнико магнети. Овој процес може ефикасно да ја контролира кристалната ориентација на легурата, со што ќе ги подобри нејзините магнетни својства. Оваа статија ќе го истражи влијанието на јачината на магнетното поле и стапката на стврднување врз степенот на ориентација во процесот на насочено стврднување на Алнико магнетите.

1. Основи на насочено стврднување со ориентација на магнетно поле

1.1 Основни принципи на насочено стврднување

Насочното стврднување е процес на стврднување кој ја контролира насоката на раст на кристалите со воспоставување на специфичен температурен градиент во стопениот метал. Во овој процес, интерфејсот помеѓу цврстото и течното се движи во специфична насока, овозможувајќи им на кристалите преференцијално да растат по одредена насока, на крајот формирајќи столбна или монокристална структура. Оваа структура има значајни предности во однос на механичките својства и магнетните својства.

1.2 Улога на ориентацијата на магнетното поле

Кога се применува магнетно поле за време на процесот на насочено стврднување, магнетните анизотропни кристали ќе бидат подложени на магнетен вртежен момент. Поради разликата во магнетната сусцептибилност по должината на различните кристални оски, кристалите ќе ротираат под дејство на магнетниот вртежен момент за да се минимизира нивната магнетна енергија, со што се постигнува ориентација. За Alnico легурите, главните фази како што се α-Fe и NiAl имаат очигледна магнетна анизотропија, што ги прави погодни за третман со ориентација на магнетното поле.

2. Влијание на јачината на магнетното поле врз степенот на ориентација

2.1 Теоретска анализа на влијанието на јачината на магнетното поле

Магнетниот момент што дејствува на магнетен анизотропен кристал во магнетно поле може да се изрази како:

каде:

• τ е магнетниот вртежен момент,
• μ0 е пропустливоста на вакуумот,
• V е волуменот на кристалот,
• Δχ е разликата во магнетната сусцептибилност помеѓу различните кристални оски,
• H е јачината на магнетното поле,
• θ е аголот помеѓу оската на лесна магнетизација на кристалот и насоката на магнетното поле.

Од формулата, може да се види дека магнетниот вртежен момент е директно пропорционален на јачината на магнетното поле H. Како што се зголемува јачината на магнетното поле, се зголемува и магнетниот вртежен момент што дејствува на кристалот, што му олеснува на кристалот да го надмине отпорот на стопениот метал и да ротира за да ја усогласи својата оска на лесна магнетизација со насоката на магнетното поле, со што се подобрува степенот на ориентација.

2.2 Експериментална верификација на влијанието на јачината на магнетното поле

Експерименталните студии покажаа дека во процесот на насочено стврднување на легурите Alnico, кога јачината на магнетното поле е ниска (на пр., помала од 1T), степенот на ориентација на кристалите полека се зголемува со зголемувањето на јачината на магнетното поле. Ова е затоа што при ниски јачини на магнетното поле, магнетниот вртежен момент е релативно мал, а кристалите се предмет на поголем отпор од стопениот метал, што го отежнува ефикасното ротирање.

Кога јачината на магнетното поле се зголемува до одреден опсег (на пр., 1-5T), степенот на ориентација на кристалите значително се зголемува со зголемувањето на јачината на магнетното поле. Во овој опсег, магнетниот момент е доволен за да се надмине отпорот на стопениот метал, овозможувајќи им на кристалите ефикасно да ротираат и да се усогласат.

Меѓутоа, кога јачината на магнетното поле е превисока (на пр., поголема од 5T), зголемувањето на степенот на ориентација на кристалите се забавува или дури има тенденција да се стабилизира. Ова е затоа што кога јачината на магнетното поле ќе достигне одредено ниво, кристалите во основа ја завршиле својата ориентација, а понатамошното зголемување на јачината на магнетното поле нема значително да го подобри степенот на ориентација. Покрај тоа, претерано високата јачина на магнетното поле може да донесе и некои негативни ефекти, како што се зголемување на цената на опремата и потрошувачката на енергија на процесот.

2.3 Праг на ефектот на јачината на магнетното поле

Во процесот на насочено стврднување на Alnico легурите, постои праг на јачина на магнетното поле за ориентацијата на различните фази. На пример, за фазата AlNi во Alnico легурите, прагот на јачина на магнетното поле за ориентација се зголемува со зголемување на содржината на Ni во легурата и се намалува со зголемување на температурата на загревање на полуцврстата материја. Ова укажува дека ориентацијата на фазата AlNi е под влијание на фактори како што се бројот, големината и вискозитетот на течниот метал.

3. Влијание на стапката на стврднување врз степенот на ориентација

3.1 Теоретска анализа на влијанието на стапката на стврднување

Стапката на стврднување се однесува на брзината со која се движи површината помеѓу цврсто и течно за време на процесот на стврднување. Таа има значително влијание врз микроструктурата и степенот на ориентација на легурата. Според теоријата на стврднување, стапката на стврднување влијае на морфологијата на раст и ориентацијата на кристалите преку влијание врз температурниот градиент и стапката на ладење на површината помеѓу цврсто и течно.

Кога стапката на стврднување е ниска, температурниот градиент на интерфејсот цврсто-течно е релативно мал, а стапката на ладење е бавна. Во овој случај, кристалите имаат доволно време да растат и да ротираат, што е погодно за подобрување на степенот на ориентација. Сепак, прениската стапка на стврднување може да доведе и до проблеми како што се груби зрна и сериозна сегрегација, кои не се погодни за подобрување на вкупните перформанси на легурата.

Кога стапката на стврднување е висока, температурниот градиент на интерфејсот цврсто-течно е релативно голем, а стапката на ладење е брза. Во овој случај, времето на раст на кристалите е скратено, а ротацијата е ограничена, што може да го намали степенот на ориентација. Сепак, високата стапка на стврднување може да ги рафинира зрната и да ја намали сегрегацијата, што е корисно за подобрување на механичките својства на легурата.

3.2 Експериментална верификација на влијанието на стапката на стврднување

Експерименталните студии покажаа дека во процесот на насочено стврднување на легурите Alnico, односот помеѓу стапката на стврднување и степенот на ориентација не е линеарен. Кога стапката на стврднување е во одреден опсег, степенот на ориентација е релативно висок. Кога стапката на стврднување е пониска или повисока од овој опсег, степенот на ориентација ќе се намали.

На пример, при насочено стврднување на легури Alnico 8, кога стапката на стврднување е контролирана на околу 10-50 μm/s, може да се добие релативно висок степен на ориентација. Кога стапката на стврднување е помала од 10 μm/s, иако кристалите имаат доволно време да ротираат, грубите зрна и сериозната сегрегација предизвикана од ниската стапка на стврднување ќе ги намалат вкупните перформанси на легурата, вклучувајќи ги и магнетните својства. Кога стапката на стврднување е поголема од 50 μm/s, ограничената ротација на кристалите поради брзата стапка на стврднување ќе доведе до намалување на степенот на ориентација.

3.3 Влијание на стапката на стврднување врз растојанието меѓу дендритите

Стапката на стврднување, исто така, влијае на растојанието меѓу дендритите на легурата. Растојанието меѓу дендритите се однесува на растојанието меѓу соседните дендрити. Општо земено, растојанието меѓу дендритите се намалува со зголемување на стапката на стврднување. Кога стапката на стврднување е ниска, растојанието меѓу дендритите е големо, а кристалите имаат повеќе простор за раст и ротација, што е погодно за подобрување на степенот на ориентација. Меѓутоа, кога стапката на стврднување е висока, растојанието меѓу дендритите е мало, а растот и ротацијата на кристалите се ограничени, што може да го намали степенот на ориентација.

Сепак, треба да се напомене дека иако малото растојание помеѓу дендритите може да ја ограничи ротацијата на кристалите до одреден степен, тоа може да ги подобри и механичките својства на легурата со рафинирање на зрната. Затоа, во практичното производство, треба да се направи компромис помеѓу степенот на ориентација и механичките својства со разумно контролирање на стапката на стврднување.

4. Спојувачки ефект на јачината на магнетното поле и брзината на зацврстување врз степенот на ориентација

4.1 Синергистички ефект

Во процесот на насочено стврднување на легурите Alnico, јачината на магнетното поле и брзината на стврднување имаат ефект на спојување врз степенот на ориентација. Кога јачината на магнетното поле е фиксна, соодветно зголемување на брзината на стврднување може да го подобри температурниот градиент на интерфејсот цврсто-течност, што е погодно за формирање на стабилен интерфејс цврсто-течност и раст на ориентирани кристали. Меѓутоа, ако брзината на стврднување е превисока, ограничената ротација на кристалите поради брзата брзина на стврднување ќе го неутрализира позитивниот ефект од ориентацијата на магнетното поле, што ќе доведе до намалување на степенот на ориентација.

Слично на тоа, кога стапката на стврднување е фиксна, соодветното зголемување на јачината на магнетното поле може да го зголеми магнетниот вртежен момент што дејствува врз кристалите, поттикнувајќи ја нивната ротација и усогласување. Меѓутоа, ако јачината на магнетното поле е превисока, негативните ефекти како што се зголемената цена на опремата и потрошувачката на енергија може да го надминат позитивниот ефект од подобрувањето на степенот на ориентација.

4.2 Оптимизација на параметрите на процесот

За да се добие висок степен на ориентација во процесот на насочено стврднување на легурите Alnico, потребно е да се оптимизираат параметрите на процесот, како што се јачината на магнетното поле и брзината на стврднување. Преку голем број експерименти и симулации, оптималната комбинација на јачината на магнетното поле и брзината на стврднување може да се одреди врз основа на специфичниот состав и барањата за перформанси на легурата.

На пример, за легурите Alnico 8, преку експериментални истражувања, откриено е дека кога јачината на магнетното поле е контролирана на околу 3-5T, а брзината на стврднување е контролирана на околу 20-40 μm/s, може да се добие релативно висок степен на ориентација и добри сеопфатни перформанси.

5. Анализа на случај

5.1 Експериментално поставување

За да се потврди влијанието на јачината на магнетното поле и стапката на зацврстување врз степенот на ориентација во процесот на насочено зацврстување на легурите Alnico, беа спроведени низа експерименти. Експерименталната опрема главно вклучуваше печка за насочено зацврстување, уред за генерирање на магнетно поле и систем за контрола на температурата.

Експерименталните материјали беа легури Alnico 8 со специфичен состав. Примероците беа ставени во сад за готвење и загреани до стопена состојба во печка за насочно стврднување. Потоа, беше применето магнетно поле со одредена јачина и примероците беа стврднати со специфична брзина на стврднување.

5.2 Експериментални резултати и анализа

5.2.1 Влијание на јачината на магнетното поле

Експерименталните резултати покажаа дека кога стапката на стврднување била фиксирана на 30 μm/s, како што јачината на магнетното поле се зголемувала од 1T на 5T, степенот на ориентација на кристалите значително се зголемил. Кога јачината на магнетното поле била 1T, степенот на ориентација бил релативно низок, само околу 60%. Кога јачината на магнетното поле се зголемила на 3T, степенот на ориентација се зголемил на околу 80%. Кога јачината на магнетното поле дополнително се зголемила на 5T, степенот на ориентација достигнал околу 90%, а потоа имал тенденција да се стабилизира.

5.2.2 Влијание на стапката на стврднување

Кога јачината на магнетното поле беше фиксирана на 4T, како што брзината на стврднување се зголемуваше од 10 μm/s на 50 μm/s, степенот на ориентација прво се зголемуваше, а потоа се намалуваше. Кога брзината на стврднување беше 10 μm/s, степенот на ориентација беше околу 75%. Кога брзината на стврднување се зголеми на 30 μm/s, степенот на ориентација достигна максимална вредност од околу 90%. Кога брзината на стврднување дополнително се зголеми на 50 μm/s, степенот на ориентација се намали на околу 80%.

5.2.3 Ефект на спојување

Со понатамошна анализа на експерименталните податоци, беше откриено дека постои оптимална комбинација од јачината на магнетното поле и брзината на стврднување за да се добие највисок степен на ориентација. Во овој експеримент, кога јачината на магнетното поле беше 4T, а брзината на стврднување беше 30 μm/s, степенот на ориентација достигна максимална вредност од околу 90%. Ова го потврди ефектот на спојување на јачината на магнетното поле и брзината на стврднување врз степенот на ориентација.

6. Заклучок и перспектива

6.1 Заклучок

Во процесот на насочено стврднување на Alnico магнетите, јачината на магнетното поле и брзината на стврднување имаат значително влијание врз степенот на ориентација. Соодветно зголемување на јачината на магнетното поле може да го зголеми магнетниот вртежен момент што дејствува врз кристалите, промовирајќи ја нивната ротација и усогласување, но претерано високата јачина на магнетното поле може да донесе негативни ефекти. Соодветно зголемување на брзината на стврднување може да го подобри температурниот градиент на интерфејсот цврсто-течно, што е погодно за раст на ориентирани кристали, но превисоката брзина на стврднување ќе ја ограничи ротацијата на кристалите и ќе го намали степенот на ориентација. Постои ефект на спојување помеѓу јачината на магнетното поле и брзината на стврднување, а оптимална комбинација од двете може да се одреди преку експерименти и симулации за да се добие највисок степен на ориентација.

6.2 Перспектива

Во иднина, со континуираниот развој на науката за материјали и електромагнетната технологија, процесот на насочено стврднување со ориентација на магнетното поле на Alnico магнетите ќе биде дополнително оптимизиран. Од една страна, истражувањето на нови уреди за генерирање на магнетно поле и технологии за контрола може да обезбеди попрецизни и постабилни услови на магнетното поле за процесот на насочено стврднување. Од друга страна, комбинацијата на нумеричка симулација и експериментално истражување може подлабоко да го открие механизмот на влијание на јачината на магнетното поле и стапката на стврднување врз степенот на ориентација, обезбедувајќи понаучна основа за оптимизација на процесот. Покрај тоа, истражувањето на нови состави на легури на Alnico и примената на нови технологии за подготовка, исто така, ќе го промовира континуираното подобрување на перформансите на Alnico магнетите.