De invloed van magnetische veldsterkte en stollingssnelheid op de oriëntatiegraad bij de gerichte stolling (magnetische veldoriëntatie) van alnicomagneten

Alnico-magneten, een type permanente magneet met uitstekende prestaties, worden veelvuldig gebruikt in diverse toepassingen zoals motoren, sensoren en audioapparatuur. Het gerichte stollingsproces met magnetische veldoriëntatie is een sleuteltechnologie voor de productie van hoogwaardige alnico-magneten. Dit proces maakt het mogelijk om de kristaloriëntatie van de legering effectief te controleren, waardoor de magnetische eigenschappen worden verbeterd. Dit artikel gaat dieper in op de invloed van de magnetische veldsterkte en de stollingssnelheid op de oriëntatiegraad tijdens het gerichte stollingsproces van alnico-magneten.

1. Grondbeginselen van gerichte stolling met magnetische veldoriëntatie

1.1 Basisprincipes van gerichte stolling

Gerichte stolling is een stollingsproces waarbij de groeirichting van kristallen wordt gecontroleerd door een specifieke temperatuurgradiënt in het gesmolten metaal te creëren. Bij dit proces beweegt het grensvlak tussen vast en vloeibaar metaal in een specifieke richting, waardoor de kristallen bij voorkeur langs een bepaalde richting groeien en uiteindelijk een kolomvormige of monokristallijne structuur vormen. Deze structuur biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van mechanische en magnetische eigenschappen.

1.2 Rol van de oriëntatie van het magnetische veld

Wanneer tijdens het gerichte stollingsproces een magnetisch veld wordt aangelegd, worden magnetisch anisotrope kristallen blootgesteld aan een magnetisch koppel. Door het verschil in magnetische susceptibiliteit langs verschillende kristalassen zullen de kristallen onder invloed van het magnetische koppel roteren om hun magnetische energie te minimaliseren en zo oriëntatie te bereiken. Bij Alnico-legeringen vertonen de belangrijkste fasen, zoals α-Fe en NiAl, een duidelijke magnetische anisotropie, waardoor ze geschikt zijn voor oriëntatiebehandeling met een magnetisch veld.

2. Invloed van de magnetische veldsterkte op de oriëntatiegraad

2.1 Theoretische analyse van de invloed van de magnetische veldsterkte

Het magnetische koppel dat inwerkt op een magnetisch anisotroop kristal in een magnetisch veld kan als volgt worden uitgedrukt:

waar:

• τ is het magnetisch koppel,
• μ0 is de permeabiliteit van vacuüm.
• V is het volume van het kristal.
• Δχ is het verschil in magnetische susceptibiliteit tussen verschillende kristalassen.
• H is de magnetische veldsterkte.
• θ is de hoek tussen de as waarlangs het kristal het gemakkelijkst magnetiseert en de richting van het magnetische veld.

Uit de formule blijkt dat het magnetische koppel recht evenredig is met de magnetische veldsterkte H. Naarmate de magnetische veldsterkte toeneemt, neemt ook het magnetische koppel dat op het kristal inwerkt toe. Hierdoor kan het kristal gemakkelijker de weerstand van het gesmolten metaal overwinnen en roteren om zijn gemakkelijkst magnetiseerbare as uit te lijnen met de richting van het magnetische veld, waardoor de oriëntatiegraad verbetert.

2.2 Experimentele verificatie van de invloed van de magnetische veldsterkte

Experimentele studies hebben aangetoond dat bij het gerichte stollingsproces van Alnico-legeringen, wanneer de magnetische veldsterkte laag is (bijvoorbeeld minder dan 1 T), de oriëntatiegraad van de kristallen slechts langzaam toeneemt met de toename van de magnetische veldsterkte. Dit komt doordat bij lage magnetische veldsterktes het magnetische koppel relatief klein is en de kristallen meer weerstand ondervinden van het gesmolten metaal, waardoor effectieve rotatie moeilijk is.

Wanneer de magnetische veldsterkte tot een bepaald bereik toeneemt (bijvoorbeeld 1-5 T), neemt de oriëntatiegraad van de kristallen aanzienlijk toe met de stijging van de magnetische veldsterkte. In dit bereik is het magnetische koppel voldoende om de weerstand van het gesmolten metaal te overwinnen, waardoor de kristallen effectief kunnen roteren en uitlijnen.

Wanneer de magnetische veldsterkte echter te hoog is (bijvoorbeeld hoger dan 5 T), vertraagt ​​de toename van de oriëntatiegraad van de kristallen of stabiliseert deze zich zelfs. Dit komt doordat de kristallen, wanneer de magnetische veldsterkte een bepaald niveau bereikt, hun oriëntatie in principe hebben voltooid en een verdere verhoging van de magnetische veldsterkte de oriëntatiegraad niet significant zal verbeteren. Bovendien kan een te hoge magnetische veldsterkte ook enkele negatieve gevolgen hebben, zoals hogere kosten voor de apparatuur en een hoger energieverbruik van het proces.

2.3 Drempeleffect van de magnetische veldsterkte

Bij het gerichte stollingsproces van Alnico-legeringen bestaat er een drempelwaarde voor de magnetische veldsterkte die de oriëntatie van verschillende fasen beïnvloedt. Zo neemt de drempelwaarde voor de oriëntatie van de AlNi-fase in Alnico-legeringen toe met een hoger Ni-gehalte in de legering en af ​​met een hogere temperatuur tijdens het verhitten in de halfvaste fase. Dit wijst erop dat de oriëntatie van de AlNi-fase wordt beïnvloed door factoren zoals het aantal, de grootte en de viscositeit van het vloeibare metaal.

3. Invloed van de stollingssnelheid op de oriëntatiegraad

3.1 Theoretische analyse van de invloed van de stollingssnelheid

De stollingssnelheid verwijst naar de snelheid waarmee het grensvlak tussen vast en vloeibaar materiaal zich verplaatst tijdens het stollingsproces. Deze snelheid heeft een aanzienlijke invloed op de microstructuur en de oriëntatiegraad van de legering. Volgens de stollingstheorie beïnvloedt de stollingssnelheid de groeimorfologie en oriëntatie van de kristallen door de temperatuurgradiënt en de afkoelsnelheid aan het grensvlak tussen vast en vloeibaar materiaal te beïnvloeden.

Bij een lage stollingssnelheid is de temperatuurgradiënt aan het vast-vloeibare grensvlak relatief klein en verloopt het afkoelen langzaam. In dit geval hebben de kristallen voldoende tijd om te groeien en te roteren, wat de oriëntatiegraad ten goede komt. Een te lage stollingssnelheid kan echter ook leiden tot problemen zoals grove korrels en ernstige segregatie, wat de algehele prestaties van de legering niet ten goede komt.

Bij een hoge stollingssnelheid is de temperatuurgradiënt aan het vast-vloeibare grensvlak relatief groot en koelt de vloeistof snel af. Hierdoor wordt de groeitijd van de kristallen verkort en de rotatie beperkt, wat de oriëntatiegraad kan verminderen. Een hoge stollingssnelheid kan echter de korrels verfijnen en segregatie verminderen, wat gunstig is voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen van de legering.

3.2 Experimentele verificatie van de invloed van de stollingssnelheid

Experimentele studies hebben aangetoond dat bij het gerichte stollingsproces van Alnico-legeringen de relatie tussen de stollingssnelheid en de oriëntatiegraad niet lineair is. Binnen een bepaald bereik van de stollingssnelheid is de oriëntatiegraad relatief hoog. Wanneer de stollingssnelheid lager of hoger is dan dit bereik, neemt de oriëntatiegraad af.

Bijvoorbeeld, bij de gerichte stolling van Alnico 8-legeringen kan een relatief hoge oriëntatiegraad worden bereikt wanneer de stollingssnelheid wordt geregeld op ongeveer 10-50 μm/s. Wanneer de stollingssnelheid lager is dan 10 μm/s, hebben de kristallen weliswaar voldoende tijd om te roteren, maar de grove korrels en ernstige segregatie die door de lage stollingssnelheid worden veroorzaakt, zullen de algehele prestaties van de legering verminderen, inclusief de magnetische eigenschappen. Wanneer de stollingssnelheid hoger is dan 50 μm/s, zal de beperkte rotatie van de kristallen als gevolg van de hoge stollingssnelheid leiden tot een afname van de oriëntatiegraad.

3.3 Invloed van de stollingssnelheid op de dendrietafstand

De stollingssnelheid beïnvloedt ook de dendrietafstand van de legering. Dendrietafstand verwijst naar de afstand tussen aangrenzende dendrieten. Over het algemeen neemt de dendrietafstand af naarmate de stollingssnelheid toeneemt. Bij een lage stollingssnelheid is de dendrietafstand groot en hebben de kristallen meer ruimte om te groeien en te roteren, wat de oriëntatiegraad ten goede komt. Bij een hoge stollingssnelheid is de dendrietafstand echter klein, waardoor de groei en rotatie van de kristallen worden beperkt en de oriëntatiegraad mogelijk afneemt.

Het is echter belangrijk op te merken dat, hoewel een kleine dendrietafstand de rotatie van de kristallen tot op zekere hoogte kan beperken, dit ook de mechanische eigenschappen van de legering kan verbeteren door de korrels te verfijnen. Daarom moet in de praktijk een compromis worden gevonden tussen de oriëntatiegraad en de mechanische eigenschappen door de stollingssnelheid op een verstandige manier te beheersen.

4. Koppelingseffect van magnetische veldsterkte en stollingssnelheid op de oriëntatiegraad

4.1 Synergetisch effect

Bij het gerichte stollingsproces van Alnico-legeringen hebben de magnetische veldsterkte en de stollingssnelheid een gekoppeld effect op de oriëntatiegraad. Wanneer de magnetische veldsterkte constant is, kan een geschikte verhoging van de stollingssnelheid de temperatuurgradiënt aan het vast-vloeibare grensvlak verbeteren, wat bevorderlijk is voor de vorming van een stabiel vast-vloeibaar grensvlak en de groei van georiënteerde kristallen. Als de stollingssnelheid echter te hoog is, zal de beperkte rotatie van de kristallen als gevolg van de snelle stolling het positieve effect van de magnetische veldoriëntatie tenietdoen, wat leidt tot een afname van de oriëntatiegraad.

Op dezelfde manier kan, wanneer de stollingssnelheid vastligt, een geschikte verhoging van de magnetische veldsterkte het magnetische koppel dat op de kristallen inwerkt vergroten, waardoor hun rotatie en uitlijning worden bevorderd. Als de magnetische veldsterkte echter te hoog is, kunnen de negatieve effecten, zoals hogere apparatuurkosten en een hoger energieverbruik, opwegen tegen het positieve effect van de verbeterde oriëntatie.

4.2 Optimalisatie van procesparameters

Om een ​​hoge oriëntatiegraad te bereiken in het gerichte stollingsproces van Alnico-legeringen, is het noodzakelijk om de procesparameters, zoals de magnetische veldsterkte en de stollingssnelheid, te optimaliseren. Door middel van een groot aantal experimenten en simulaties kan de optimale combinatie van magnetische veldsterkte en stollingssnelheid worden bepaald op basis van de specifieke samenstelling en prestatie-eisen van de legering.

Zo is bijvoorbeeld bij Alnico 8-legeringen door middel van experimenteel onderzoek gebleken dat wanneer de magnetische veldsterkte wordt geregeld op ongeveer 3-5 T en de stollingssnelheid op ongeveer 20-40 μm/s, een relatief hoge oriëntatiegraad en goede algehele prestaties kunnen worden verkregen.

5. Casusanalyse

5.1 Experimentele opstelling

Om de invloed van de magnetische veldsterkte en de stollingssnelheid op de oriëntatiegraad tijdens het gerichte stollingsproces van Alnico-legeringen te verifiëren, werd een reeks experimenten uitgevoerd. De experimentele opstelling bestond hoofdzakelijk uit een gerichte stollingsoven, een apparaat voor het genereren van een magnetisch veld en een temperatuurregelsysteem.

De experimentele materialen waren Alnico 8-legeringen met een specifieke samenstelling. De monsters werden in een smeltkroes geplaatst en in een gerichte stollingsoven tot een gesmolten toestand verhit. Vervolgens werd een magnetisch veld met een bepaalde sterkte aangelegd, waardoor de monsters met een specifieke stollingssnelheid stolden.

5.2 Experimentele resultaten en analyse

5.2.1 Invloed van de magnetische veldsterkte

De experimentele resultaten toonden aan dat, bij een vaste stollingssnelheid van 30 μm/s, de oriëntatiegraad van de kristallen significant toenam naarmate de magnetische veldsterkte steeg van 1 T naar 5 T. Bij een magnetische veldsterkte van 1 T was de oriëntatiegraad relatief laag, slechts ongeveer 60%. Toen de magnetische veldsterkte toenam tot 3 T, steeg de oriëntatiegraad tot ongeveer 80%. Bij een verdere verhoging van de magnetische veldsterkte tot 5 T bereikte de oriëntatiegraad ongeveer 90%, waarna deze stabiliseerde.

5.2.2 Invloed van de stollingssnelheid

Toen de magnetische veldsterkte op 4 T werd gehouden, nam de oriëntatiegraad eerst toe en vervolgens af naarmate de stollingssnelheid toenam van 10 μm/s tot 50 μm/s. Bij een stollingssnelheid van 10 μm/s bedroeg de oriëntatiegraad ongeveer 75%. Toen de stollingssnelheid toenam tot 30 μm/s, bereikte de oriëntatiegraad een maximumwaarde van ongeveer 90%. Bij een verdere verhoging van de stollingssnelheid tot 50 μm/s daalde de oriëntatiegraad tot ongeveer 80%.

5.2.3 Koppelingseffect

Door de experimentele gegevens verder te analyseren, werd vastgesteld dat er een optimale combinatie van magnetische veldsterkte en stollingssnelheid bestaat om de hoogste oriëntatiegraad te bereiken. In dit experiment bereikte de oriëntatiegraad een maximum van ongeveer 90% bij een magnetische veldsterkte van 4 T en een stollingssnelheid van 30 μm/s. Dit bevestigde het koppelingseffect van magnetische veldsterkte en stollingssnelheid op de oriëntatiegraad.

6. Conclusie en vooruitzichten

6.1 Conclusie

Bij het gerichte stollingsproces van Alnico-magneten hebben de magnetische veldsterkte en de stollingssnelheid een significante invloed op de oriëntatiegraad. Een geschikte verhoging van de magnetische veldsterkte kan het magnetische koppel op de kristallen vergroten, waardoor hun rotatie en uitlijning worden bevorderd. Een te hoge magnetische veldsterkte kan echter negatieve effecten hebben. Een geschikte verhoging van de stollingssnelheid kan de temperatuurgradiënt aan het vast-vloeibare grensvlak verbeteren, wat gunstig is voor de groei van georiënteerde kristallen. Een te hoge stollingssnelheid beperkt echter de rotatie van de kristallen en vermindert de oriëntatiegraad. Er bestaat een koppelingseffect tussen de magnetische veldsterkte en de stollingssnelheid. Een optimale combinatie van beide kan door middel van experimenten en simulaties worden bepaald om de hoogste oriëntatiegraad te bereiken.

6.2 Vooruitzichten

In de toekomst zal, met de voortdurende ontwikkeling van materiaalkunde en elektromagnetische technologie, het gerichte stollingsproces met magnetische veldoriëntatie van Alnico-magneten verder worden geoptimaliseerd. Enerzijds kan onderzoek naar nieuwe apparaten voor het genereren van magnetische velden en regeltechnologieën zorgen voor nauwkeurigere en stabielere magnetische veldomstandigheden voor het gerichte stollingsproces. Anderzijds kan de combinatie van numerieke simulatie en experimenteel onderzoek het invloedmechanisme van magnetische veldsterkte en stollingssnelheid op de oriëntatiegraad dieper inzichtelijk maken, wat een wetenschappelijkere basis biedt voor procesoptimalisatie. Daarnaast zullen de ontwikkeling van nieuwe Alnico-legeringssamenstellingen en de toepassing van nieuwe bereidingstechnieken de continue verbetering van de prestaties van Alnico-magneten bevorderen.