Korrelverfijningsprocessen en verbeteringen in magnetische prestaties van gegoten alnicomagneten
Abstract
Alnico-magneten, als een van de vroegst ontwikkelde permanente magnetische materialen, hebben unieke voordelen in magnetische toepassingen bij hoge temperaturen en hoge stabiliteit. Korrelverfijning is een belangrijk middel om de magnetische eigenschappen van alnico-magneten te verbeteren. Dit artikel biedt een diepgaande analyse van de korrelverfijningsprocessen van gegoten alnico-magneten, waaronder chemische behandeling, mechanische trillingen en roeren, en behandeling met een extern fysisch veld. Het onderzoekt tevens de impact van korrelverfijning op belangrijke magnetische prestatie-indicatoren zoals coërciviteit, remanentie en het maximale magnetische energieproduct, en blikt vooruit op toekomstige onderzoeksrichtingen op dit gebied.
Trefwoorden
Gegoten Alnico-magneten; Korrelverfijning; Magnetische prestaties; Chemische behandeling; Externe fysieke veldbehandeling
1. Inleiding
Alnico-magneten, ontwikkeld door de Japanse metallurg Mishima Tokushichi in 1932, waren ooit de dominante kracht in de permanente magneetindustrie vóór de opkomst van permanente magneten van zeldzame aardmetalen. Alnico-magneten staan bekend om hun hoge Curie-temperatuur van wel 890 °C, wat hen een uitstekende hoge temperatuurbestendigheid en stabiliteit geeft. Ze hebben ook een goede corrosiebestendigheid, wat zorgt voor langdurige betrouwbaarheid in ve veeleisende omgevingen. Hoewel het marktaandeel van alnico-magneten is afgenomen door goedkope gesinterde ferrieten en hoogwaardige permanente magneten van zeldzame aardmetalen, hebben ze nog steeds unieke voordelen bij hoge temperaturen boven de 500 °C en worden ze veelvuldig gebruikt in toepassingen die een hoge stabiliteit en duurzaamheid vereisen, zoals luidsprekers, kilowattuurmeters, elektromotoren, generatoren en alternatoren.
De magnetische eigenschappen van Alnico-magneten zijn nauw verbonden met hun microstructuur, en korrelverfijning is een effectieve manier om hun magnetische eigenschappen te verbeteren. Door de korrelgrootte te verkleinen, neemt het aantal korrelgrenzen toe, wat de beweging van magnetische domeinwanden kan belemmeren en daardoor de coërciviteit kan verbeteren. Tegelijkertijd kan een meer uniforme microstructuur ook de remanentie en het maximale magnetische energieproduct van de magneet verhogen. Daarom is het bestuderen van de korrelverfijningsprocessen van gegoten Alnico-magneten van groot belang voor het verbeteren van hun magnetische prestaties en het verbreden van hun toepassingsgebied.
2. Korrelverfijningsprocessen van gegoten alnicomagneten
2.1 Chemische behandeling
Chemische behandeling is een veelgebruikte methode voor korrelverfijning in metalen materialen en wordt ook veelvuldig toegepast bij de productie van gegoten Alnico-magneten. Bij deze methode wordt een kleine hoeveelheid chemische stoffen, zogenaamde entstoffen of modificatoren, aan het gesmolten metaal toegevoegd. Deze stoffen bevorderen heterogene kiemvorming in het smeltbad, verhogen het aantal kiemen en verfijnen zo de korrels.
Voor Alnico-magneten is de keuze van entstoffen cruciaal. Volgens de theorie van de roostervervormingsgraad en de empirische elektronentheorie hebben verschillende entstoffen verschillende effecten op de heterogene nucleatie van δ-Fe en γ-Fe. Zo hebben CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ en MgO een significant effect op de heterogene nucleatie van δ-Fe, terwijl ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ en CeO₂ effectiever zijn voor γ-Fe.
Bij het toevoegen van entstoffen is het belangrijk ervoor te zorgen dat ze fijn en goed verdeeld zijn in het smeltbad. Als de entstoffen samenklonteren, kunnen ze niet alleen de korrels niet verfijnen, maar ook de prestaties van de Alnico-magneten beïnvloeden. Daarnaast moet de hoeveelheid toegevoegde entstof nauwkeurig worden gecontroleerd. Over het algemeen zorgt een geschikte hoeveelheid entstof voor een goede korrelverfijning, maar een overmatige toevoeging kan leiden tot een toename van niet-metallische insluitsels in het smeltbad, wat nadelig is voor de magnetische eigenschappen van de magneten.
2.2 Mechanische trillingen en roeren
Mechanische trillingen en roeren zijn fysische methoden die korrelverfijning kunnen bewerkstelligen door relatieve beweging te veroorzaken tussen de vloeibare en vaste fasen in het metaalsmeltbad, waardoor het breken en de groei van dendrietarmen wordt bevorderd.
2.2.1 Mechanisch roeren
Mechanisch roeren kan verschillende gradaties van relatieve beweging tussen de vloeibare en vaste fasen in het metaalsmeltbad creëren, oftewel de convectiebeweging van het vloeibare metaal. Deze convectiebeweging kan leiden tot het breken van dendrietarmen, en de gebroken dendrietfragmenten kunnen fungeren als nieuwe kiemen voor kristalgroei, waardoor het aantal kiemen toeneemt en de korrels verfijnd worden.
Mechanisch roeren heeft echter ook enkele nadelen. Enerzijds kan er tijdens het roeren van het smeltbad gemakkelijk gas in het metaal terechtkomen, en als dit gas niet tijdig wordt aangevuld door het gesmolten metaal, kunnen defecten zoals poriën en krimp porositeit ontstaan. Anderzijds is de roerder bij het roeren van hoogsmeltende metalen gevoelig voor slijtage, wat het smeltbad kan verontreinigen en nieuwe kwaliteitsproblemen kan veroorzaken.
2.2.2 Mechanische trillingen
Mechanische trillingen maken ook gebruik van de convectieve beweging van het gesmolten metaal om de dendrieten te breken en kiemvorming te bevorderen, wat leidt tot korrelverfijning. In de praktijk kan het korrelverfijnende effect van het metaalstolsel echter afnemen naarmate de frequentie van de mechanische trillingen toeneemt, waardoor problemen zoals carbidesegregatie en losheid in de staalstaaf ernstiger kunnen worden.
2.3 Externe fysieke veldbehandeling
Externe fysieke veldbehandeling is een veelbelovende technologie voor korrelverfijning, die als voordelen heeft dat ze milieuvriendelijk en eenvoudig te bedienen is. Deze technologie omvat hoofdzakelijk stroombehandeling, magnetische veldbehandeling en ultrasone behandeling.
2.3.1 Huidige behandeling
Wanneer een snel wisselende, sterke pulsstroom door het metaalsmeltbad loopt, wordt er een snel wisselend, sterk pulsmagnetisch veld in het smeltbad gegenereerd. De wisselwerking tussen de sterke pulsstroom en het sterke pulsmagnetische veld produceert een sterke samentrekkende kracht in het metaalsmeltbad, waardoor het smeltbad herhaaldelijk wordt samengedrukt en heen en weer beweegt in de richting loodrecht op de stroom. Deze heen-en-weergaande beweging kan niet alleen de dendritische kristallen breken, maar zorgt er ook voor dat het smeltbad snel zijn oververhitting verliest en de kiemvormingssnelheid verhoogt. Daarom geldt: hoe sterker de pulsstroom, hoe groter het korrelverfijnende effect.
2.3.2 Behandeling met magnetisch veld
Wanneer het metaal smelt in een wisselend magnetisch veld, wordt er een geïnduceerde stroom opgewekt in het stollingssysteem. De wisselwerking tussen het magnetische veld en de geïnduceerde stroom produceert een elektromagnetische kracht, die het metaal in radiale richting naar de as toe of ervan af trekt, waardoor regelmatige fluctuaties in het stollingssysteem ontstaan. Deze fluctuatie heeft een vergelijkbaar effect als de versterkte convectie die gewoonlijk wordt gebruikt, waardoor het wisselende magnetische veld een korrelverfijnend effect heeft.
Vanuit het perspectief van het fluctuatie-effect veroorzaakt door het magnetische veld geldt dat hoe sterker de magnetische inductie-intensiteit, hoe groter de elektromagnetische druk, en dus hoe intenser de fluctuatie, en hoe beter het korrelverfijningseffect. Echter, wanneer de magnetische inductie-intensiteit toeneemt, neemt ook de geïnduceerde stroom evenredig toe, wat overeenkomstig het thermische effect in het stollingssysteem vergroot, de onderkoelingsgraad verlaagt en daardoor de kiemvormingssnelheid vermindert. Daarom is de relatiecurve tussen de magnetische veldsterkte en het korrelverfijningseffect een curve met een extreme waarde.
Bovendien kunnen gepulseerde magnetische velden ook gepulseerde wervelstromen in het smeltbad genereren. De interactie tussen de wervelstromen en het magnetische veld produceert Lorentz-krachten en magnetische drukken, die intens veranderen en veel sterker zijn dan de dynamische druk van het metaalsmeltbad. Dit veroorzaakt intense trillingen in het metaalsmeltbad, waardoor de onderkoeling tijdens de stolling toeneemt, de kiemvormingssnelheid verbetert en geforceerde convectie in het smeltbad ontstaat. Dit voorkomt dat dendrieten groeien of breekt en verpulvert ze. De gebroken dendrietdeeltjes drijven in de vloeistof aan het kristallisatiefront en vormen nieuwe groeikernen. Hoe sterker de intensiteit van de gepulseerde magnetische inductie, hoe groter het korrelverfijnende effect.
2.3.3 Ultrasone behandeling
Ultrasone behandeling maakt gebruik van de akoestische cavitatie- en stromingseffecten die ontstaan wanneer ultrasone golven zich in een vloeistof voortplanten om korrelverfijning te bereiken. Wanneer ultrasone golven inwerken op het metaalsmeltbad, worden de vloeistofmoleculen blootgesteld aan een periodiek wisselend geluidsveld, waardoor akoestische cavitatie- en stromingseffecten ontstaan. Deze effecten kunnen veranderingen teweegbrengen in het stromingsveld, het drukveld en het temperatuurveld in het smeltbad, wat lokaal hoge temperaturen en hoge drukken genereert. De trilling van de vloeistof zorgt ervoor dat de dendrietarmen loskomen van het stollingsfront en fungeren als heterogene kiemkernen in het smeltbad. Het verspreidende effect van ultrasone golven op het smeltbad zorgt ervoor dat de deeltjes gelijkmatiger verdeeld worden. Bovendien kan ultrasone metallurgie ook gas en slak verwijderen, wat een technologie voor smeltzuivering is.
3. Invloed van korrelverfijning op magnetische prestatie-indicatoren van gegoten alnicomagneten
3.1 Dwang
Coërciviteit is een belangrijke indicator voor het vermogen van een permanente magneet om demagnetisatie te weerstaan. Korrelverfijning kan de coërciviteit van Alnico-magneten aanzienlijk verbeteren. In een grofkorrelige structuur kunnen magnetische domeinwanden gemakkelijk over korrelgrenzen heen bewegen, waardoor de magneet gevoeliger wordt voor demagnetisatie. Na korrelverfijning neemt het aantal korrelgrenzen toe en kunnen deze korrelgrenzen fungeren als pinningcentra voor magnetische domeinwanden, waardoor hun beweging wordt belemmerd. Daarom is een sterker extern magnetisch veld nodig om de magnetische domeinwanden te verplaatsen, wat resulteert in een hogere coërciviteit van de magneet.
In Alnico 5-magneten kan bijvoorbeeld door middel van geschikte korrelverfijningsprocessen de coërciviteit worden verhoogd van de oorspronkelijke waarde naar een hoger niveau, waardoor het vermogen van de magneet om zijn magnetische eigenschappen te behouden in aanwezigheid van omgekeerde magnetische velden of externe verstoringen wordt verbeterd.
3.2 Remanentie
Remanentie verwijst naar de magnetische inductie-intensiteit die in de magneet overblijft nadat het externe magnetische veld tot nul is gereduceerd. Korrelverfijning kan ook een positief effect hebben op de remanentie van Alnico-magneten. Een meer uniforme microstructuur, verkregen door korrelverfijning, kan de spreiding van magnetische momenten verminderen en ervoor zorgen dat de magnetische momenten beter in dezelfde richting zijn uitgelijnd, waardoor de remanentie van de magneet toeneemt.
Daarnaast kan korrelverfijning ook het aantal defecten zoals poriën en insluitsels in de magneet verminderen. Deze defecten kunnen de uitlijning van magnetische domeinen verstoren en de remanentie verlagen. Door deze defecten te elimineren of te verminderen, kan de remanentie van de magneet verder worden verbeterd.
3.3 Maximaal magnetisch energieproduct
Het maximale magnetische energieproduct is een allesomvattende indicator die de energieopslagcapaciteit van een permanente magneet weergeeft. Het is evenredig met het product van de remanentie en het kwadraat van de coërciviteit. Omdat korrelverfijning zowel de coërciviteit als de remanentie van Alnico-magneten kan verbeteren, zal dit onvermijdelijk leiden tot een toename van het maximale magnetische energieproduct.
Een hoger maximaal magnetisch energieproduct betekent dat de magneet meer magnetische energie kan opslaan en afgeven bij hetzelfde volume. Dit is zeer belangrijk voor toepassingen die een hoge magnetische energieafgifte vereisen, zoals elektromotoren en generatoren. Bijvoorbeeld, bij het ontwerp van hoogrendements-elektromotoren kan het gebruik van Alnico-magneten met een hoger maximaal magnetisch energieproduct de afmetingen en het gewicht van de motor verminderen, terwijl de prestaties worden verbeterd.
4. Casusanalyse
4.1 Casus 1: Korrelverfijning van Alnico 5-magneten door chemische behandeling
Bij een bepaalde fabriek voor de productie van Alnico-magneten werd, om de magnetische eigenschappen van Alnico 5-magneten te verbeteren, een chemische behandeling toegepast voor korrelverfijning. Het gekozen entmiddel was een verbinding die de elementen Ti en B bevatte. Tijdens het productieproces werd een geschikte hoeveelheid van het entmiddel aan het gesmolten Alnico-metaal toegevoegd, afhankelijk van het gewicht van het gesmolten metaal.
Na stolling en daaropvolgende warmtebehandeling werd de microstructuur van de Alnico 5-magneten onderzocht met behulp van een metallografische microscoop. Het bleek dat de korrelgrootte van de met het entmiddel behandelde magneten aanzienlijk kleiner was dan die van de onbehandelde magneten. De gemiddelde korrelgrootte nam af van ongeveer 100 μm tot ongeveer 30 μm.
Tests naar de magnetische eigenschappen toonden aan dat de coërciviteit van de korrelverfijnde Alnico 5-magneten toenam van 52 kA/m tot 60 kA/m, de remanentie van 1,2 T tot 1,25 T en het maximale magnetische energieproduct van 40 kJ/m³ tot 48 kJ/m³. Dit wijst erop dat chemische behandeling met een geschikt entmiddel de korrels van Alnico 5-magneten effectief kan verfijnen en hun magnetische eigenschappen aanzienlijk kan verbeteren.
4.2 Casus 2: Korrelverfijning van Alnico 8-magneten door ultrasone behandeling
In een ander onderzoeksproject werd ultrasone behandeling toegepast voor de korrelverfijning van Alnico 8-magneten. Tijdens het stollingsproces van het Alnico 8-smeltbad werd een ultrasone sonde in het smeltbad ingebracht en werden ultrasone golven met een bepaald vermogen en frequentie gedurende een bepaalde tijd toegepast.
Metallografische analyse toonde aan dat de korrels van de met ultrageluid behandelde Alnico 8-magneten veel fijner waren dan die van de onbehandelde magneten. De ultrageluidbehandeling brak de dendrieten in het smeltbad af, verhoogde het aantal kiemen en zorgde voor korrelverfijning.
Metingen van de magnetische eigenschappen toonden aan dat de coërciviteit van de ultrasoon behandelde Alnico 8-magneten toenam van 140 kA/m tot 160 kA/m, de remanentie van 1,0 T tot 1,05 T en het maximale magnetische energieproduct van 60 kJ/m³ tot 70 kJ/m³. Dit toont aan dat ultrasone behandeling een effectieve methode is voor korrelverfijning van Alnico 8-magneten en hun magnetische prestaties aanzienlijk kan verbeteren.
5. Conclusie en vooruitzichten
Korrelverfijning is een belangrijk middel om de magnetische eigenschappen van gegoten Alnico-magneten te verbeteren. Chemische behandeling, mechanische trillingen en roeren, en behandeling met een extern fysisch veld zijn allemaal effectieve processen voor korrelverfijning. Chemische behandeling is eenvoudig uit te voeren en heeft een significant verfijnend effect, maar de keuze en de hoeveelheid toevoegingsmiddelen moeten strikt gecontroleerd worden. Mechanische trillingen en roeren kunnen korrelverfijning bereiken door middel van fysieke middelen, maar kunnen defecten introduceren. Behandeling met een extern fysisch veld, zoals stroombehandeling, magnetische veldbehandeling en ultrasone behandeling, heeft als voordelen dat het milieuvriendelijk en eenvoudig uit te voeren is en een groot ontwikkelingspotentieel heeft.
Korrelverfijning kan de coërciviteit, remanentie en het maximale magnetische energieproduct van Alnico-magneten verbeteren, waardoor ze geschikter worden voor hoogwaardige magnetische toepassingen. In toekomstig onderzoek kunnen de volgende aspecten verder worden onderzocht:
- Optimaliseer de korrelverfijningsprocessen, bijvoorbeeld door de optimale parameters voor chemische behandeling, mechanische trillingen en roeren, en externe fysieke veldbehandeling te bestuderen om het beste korrelverfijningseffect te bereiken.
- Ontwikkel nieuwe en effectievere entstoffen of graanverfijningsmiddelen om de verfijningsefficiëntie te verbeteren en de kosten te verlagen.
- Door verschillende korrelverfijningsmethoden te combineren, worden de respectieve voordelen optimaal benut en de magnetische eigenschappen van Alnico-magneten verder verbeterd.
- Onderzoek de relatie tussen korrelverfijning en andere factoren zoals warmtebehandeling, legeringssamenstelling en verwerkingstechnologie om de prestaties van Alnico-magneten op een alomvattende manier te verbeteren.
Kortom, door voortdurend onderzoek en innovatie in korrelverfijningsprocessen kunnen de magnetische eigenschappen van gegoten Alnico-magneten continu worden verbeterd, waardoor hun toepassingsgebied wordt uitgebreid en de ontwikkeling van de permanente magneetindustrie wordt bevorderd.
