Effectieve verwijdering van insluitsels en hun invloed op de magnetische eigenschappen bij het smelten van alnico-magneten.

1. Inleiding tot Alnico-magneten en uitdagingen op het gebied van inclusie

Alnico-magneten, die voornamelijk bestaan ​​uit aluminium (Al), nikkel (Ni), kobalt (Co) en ijzer (Fe), staan ​​bekend om hun uitstekende temperatuurstabiliteit, hoge remanentie en goede corrosiebestendigheid. De aanwezigheid van niet-metallische insluitsels (NMI's) zoals oxiden, sulfiden en carbiden tijdens het smelten kan echter hun magnetische eigenschappen aanzienlijk aantasten, waaronder coërciviteit, remanentie en magnetische stabiliteit. Dit artikel onderzoekt de deoxidatie- en ontslakprocessen bij het smelten van alnico, met de nadruk op effectieve technieken voor het verwijderen van insluitsels en hun impact op de magnetische prestaties.

2. Bronnen en soorten insluitsels bij het smelten van alnico

2.1. Primaire bronnen van insluitingen

• Grondstoffen : Onzuiverheden in industrieel aluminium, nikkel, kobalt en ijzer kunnen oxiden (bijv. Al₂O₃, FeO) en sulfiden (bijv. FeS) introduceren.
• Smeltomgeving : Reacties met atmosferische zuurstof of vocht tijdens het smelten vormen oxiden en hydriden.
• Vuurvaste erosie : De interactie tussen gesmolten metaal en smeltkroesmaterialen (bijvoorbeeld MgO-smeltkroezen) kan vuurvaste insluitingen introduceren.

2.2. Soorten insluitingen

• Oxiden (Al₂O₃, FeO, NiO) : Het meest schadelijk vanwege hun hoge hardheid en stabiliteit.
• Sulfiden (FeS, CoS) : kunnen spanningsconcentratoren zijn en de mechanische integriteit verminderen.
• Carbiden (TiC, NbC) : kunnen ontstaan ​​tijdens legering met Ti of Nb en de korrelstructuur beïnvloeden.

3. Deoxidatie- en ontslakprocessen bij het smelten van alnico

3.1. Deoxidatietechnieken

Door deoxidatie wordt het zuurstofgehalte in het smeltbad verlaagd, waardoor oxidevorming wordt voorkomen. Veelgebruikte methoden zijn onder andere:

3.1.1. Koolstofdeoxidatie

• Principe : Koolstof reageert met zuurstof en vormt CO-gas.

• Procedure:
  • Voeg koolstofpoeder (bijvoorbeeld grafiet) toe aan het smeltbad nadat de basismetalen volledig gesmolten zijn.
  • Goed roeren om een ​​gelijkmatige reactie te garanderen.
  • Verwijder de drijvende slakken nadat de CO-ontwikkeling is afgenomen.
• Voordelen : Eenvoudig, kosteneffectief en geschikt voor grootschalige productie.
• Beperkingen : Overtollige koolstof kan carbiden vormen, wat de magnetische eigenschappen beïnvloedt.

3.1.2. Calciumdeoxidatie

• Principe : Calcium reageert met zuurstof en vormt CaO, dat als slak wordt afgevoerd.

• Procedure:
  • Voeg CaSi-legering (calciumsilicide) toe aan het smeltbad.
  • Roer en houd het mengsel op een hoge temperatuur (1600–1650 °C) om de reactie te bevorderen.
  • Schep de drijvende CaO-slak eraf.
• Voordelen : Effectief voor diepe deoxidatie, produceert minder gas in vergelijking met koolstof.
• Beperkingen : Calcium reageert met vocht en moet daarom droog worden verwerkt.

3.1.3. Spoelen met inert gas (bellenflotatie)

• Principe : Door inerte gassen (bijv. Ar, N₂) te injecteren ontstaan ​​bellen die waterstof en insluitsels adsorberen, waardoor deze naar de oppervlakte drijven.

• Procedure:
  • Gebruik een roterende waaier of een poreuze plug om gasbellen gelijkmatig te verspreiden.
  • Optimaliseer de gasstroom (doorgaans 0,5–2 l/min per kg smelt) om turbulentie te voorkomen.
• Voordelen : Effectief voor het verwijderen van waterstof en fijne insluitingen.
• Nadelen : Hogere kosten door gasverbruik; minder effectief voor submicron insluitingen.

3.2. Ontslaktechnieken

Ontslakking verwijdert niet-metallische insluitingen van het smeltoppervlak. Belangrijke methoden zijn onder andere:

3.2.1. Slakkenverwijdering met behulp van flux

• Principe : Door een smeltmiddel toe te voegen (bijvoorbeeld borax, NaCl-KCl-mengsels) wordt het smeltpunt van insluitsels verlaagd, waardoor ze samenklonteren en gaan drijven.
• Procedure:
  • Voeg na de deoxidatie een vloeimiddel toe (1-3% van het smeltgewicht).
  • Roer voorzichtig om het vloeimiddel gelijkmatig te verdelen.
  • Schep de drijvende slakken na 5-10 minuten af.
• Voordelen : Verhoogt de efficiëntie van het verwijderen van insluitsels, met name fijne deeltjes.
• Beperkingen : Vloeistofresten kunnen extra reiniging vereisen.

3.2.2. Filtratie

• Principe : Door het smeltmateriaal door een filter te leiden (bijvoorbeeld keramische schuimfilters, glasdoek) worden insluitsels mechanisch tegengehouden.
• Procedure:
  • Installeer filters in het gietgoot- of verdeelsysteem tijdens het gieten.
  • Optimaliseer de poriegrootte van het filter (doorgaans 10-50 PPI) op basis van de grootteverdeling van de insluitsels.
• Voordelen : Zeer effectief voor grootschalige productie; milieuvriendelijk.
• Beperkingen : Verstopping van het filter kan de doorstroomsnelheid verminderen; meertrapsfiltratie kan nodig zijn.

3.2.3. Elektromagnetische scheiding

• Principe : Het aanleggen van een magnetisch veld induceert krachten op ferromagnetische insluitingen, waardoor deze worden gescheiden van het niet-magnetische smeltmateriaal.
• Procedure:
  • Gebruik een koude smeltkroes of een elektromagnetisch spoelsysteem.
  • Pas de veldsterkte (0,1–1 T) aan op basis van de eigenschappen van de insluitsels.
• Voordelen : Effectief voor ferromagnetische insluitingen (bijv. FeO, NiO).
• Beperkingen : Beperkt tot insluitsels met een hoge magnetische susceptibiliteit.

4. Invloed van insluitsels op magnetische eigenschappen

4.1. Dwangkracht (Hc)

• Mechanisme : Insluitsels fungeren als aanhechtingspunten voor domeinwanden, waardoor de weerstand tegen magnetisatieomkering toeneemt.
• Effect : Matige insluitingen kunnen de coërciviteit verhogen, maar overmatige of grove insluitingen verstoren de beweging van de domeinwanden, waardoor Hc afneemt.
• Voorbeeld : Alnico 5 met <50 ppm oxide-insluitingen vertoont een Hc van ~52 kA/m, terwijl >200 ppm de Hc reduceert tot ~40 kA/m.

4.2. Remanentie (Br)

• Mechanisme : Insluitsels verstoren de uitlijning van magnetische domeinen, waardoor de netto magnetisatie afneemt.
• Effect : Zelfs kleine insluitsels (1–5 μm) kunnen het Br-gehalte met 5–10% verlagen.
• Voorbeeld : Alnico 8 met <10 ppm sulfiden bereikt een Br-waarde van ~1,1 T, terwijl >50 ppm de Br-waarde verlaagt tot ~0,9 T.

4.3. Magnetische stabiliteit

• Mechanisme : Insluitsels kunnen onder thermische of mechanische spanning migreren, wat lokale demagnetisatie veroorzaakt.
• Effect : Alnico-magneten met een hoog gehalte aan insluitsels vertonen grotere onomkeerbare verliezen tijdens temperatuurschommelingen.
• Voorbeeld : Alnico 9 met <20 ppm oxiden behoudt een verlies van <1% na 100 cycli bij 500 °C, terwijl >100 ppm een ​​verlies van >5% laat zien.

4.4. Korrelstructuur en anisotropie

• Mechanisme : Insluitsels belemmeren de spinodale ontbinding tijdens de warmtebehandeling, wat de vorming van langwerpige Fe-Co-deeltjes beïnvloedt (bron van anisotropie).
• Effect : Grove insluitingen leiden tot onregelmatige korrelgroei, waardoor de magnetische anisotropie en het energieproduct (BH)max afnemen.
• Voorbeeld : Alnico 6 met <30 ppm insluitsels bereikt een BHmax van ~48 kJ/m³, terwijl >100 ppm dit verlaagt tot ~35 kJ/m³.

5. Beste praktijken voor het beheersen van insluitingen bij het smelten van alnico.

5.1. Selectie van grondstoffen

• Gebruik zeer zuivere metalen (bijv. 99,9% Al, Ni, Co) om het initiële gehalte aan insluitsels te minimaliseren.
• Vermijd gerecyclede materialen met een hoge mate van verontreiniging, tenzij ze op de juiste manier zijn verwerkt.

5.2. Beheersing van de smeltomgeving

• Zorg voor een inerte atmosfeer (bijv. afscherming met argon) om oxidatie te voorkomen.
• Gebruik smeltkroezen van grafiet of magnesiumoxide met een lage erosiesnelheid.
• Verwarm de smeltkroezen voor om vocht te verwijderen en gasopname te verminderen.

5.3. Procesoptimalisatie

• Combineer deoxidatiemethoden (bijv. CaSi + Ar-spoeling) voor synergetische effecten.
• Implementeer meertrapsfiltratie (bijv. 30 PPI + 50 PPI filters) voor een efficiënte verwijdering van insluitsels.
• Optimaliseer de parameters van de warmtebehandeling (bijv. afkoelsnelheid, veldsterkte) om homogene korrelgroei te bevorderen.

5.4. Kwaliteitsbewaking

• Gebruik online spectrometers om het zuurstof- en insluitselgehalte tijdens het smelten te monitoren.
• Voer regelmatig microscopisch onderzoek (SEM/EDS) uit om de grootte en verspreiding van insluitsels te analyseren.
• Voer magnetische eigenschapstests uit (bijv. BH-lus tracer) om procesverbeteringen te valideren.

6. Conclusie

Het effectief verwijderen van insluitsels tijdens het smelten van Alnico is cruciaal voor het bereiken van hoge magnetische prestaties. Technieken zoals koolstof/calcium-deoxidatie, inertgaszuivering, fluxondersteunde slakverwijdering en filtratie zijn effectief gebleken in het verminderen van het insluitselgehalte. De aanwezigheid van insluitsels heeft een negatieve invloed op de coërciviteit, remanentie, magnetische stabiliteit en korrelstructuur, waardoor strenge controlemaatregelen noodzakelijk zijn. Door de selectie van grondstoffen, de smeltomstandigheden en de nabewerkingsstappen te optimaliseren, kunnen fabrikanten Alnico-magneten produceren met superieure magnetische eigenschappen en betrouwbaarheid. Toekomstige ontwikkelingen in elektromagnetische scheiding en geavanceerde filtratietechnologieën bieden perspectief voor verdere verbetering van de insluitselbeheersing bij de Alnico-productie.