Procese de rafinare a granulelor și îmbunătățiri ale performanței magnetice la magneții Alnico turnați

Abstract

Magneții Alnico, fiind unul dintre cele mai vechi materiale magnetice permanente dezvoltate, prezintă avantaje unice în aplicațiile magnetice la temperaturi ridicate și cu stabilitate ridicată. Rafinarea granulelor este un mijloc important de îmbunătățire a proprietăților magnetice ale magneților Alnico. Această lucrare oferă o analiză aprofundată a proceselor de rafinare a granulelor magneților Alnico turnați, inclusiv tratamentul chimic, vibrațiile și agitarea mecanică și tratamentul în câmp fizic extern. De asemenea, explorează impactul rafinării granulelor asupra indicatorilor cheie de performanță magnetică, cum ar fi coercitivitatea, remanența și produsul energetic magnetic maxim, și așteaptă cu nerăbdare viitoarele direcții de cercetare în acest domeniu.

Cuvinte cheie

Magneți Alnico turnați; Rafinare granulație; Performanță magnetică; Tratament chimic; Tratament în câmp fizic extern

1. Introducere

Magneții Alnico, dezvoltați de metalurgul japonez Mishima Tokushichi în 1932, au fost cândva forța dominantă în industria magneților permanenți înainte de apariția materialelor magnetice permanente din pământuri rare. Magneții Alnico sunt cunoscuți pentru temperatura lor Curie ridicată, de până la 890 °C, ceea ce le conferă o rezistență și o stabilitate excelente la temperaturi ridicate. De asemenea, au o bună rezistență la coroziune, asigurând fiabilitate pe termen lung în medii dure. Deși cota de piață a magneților Alnico a fost comprimată de feritele sinterizate ieftine și de magneții permanenți din pământuri rare de înaltă performanță, aceștia au încă avantaje unice în aplicațiile la temperaturi înalte, peste 500 °C, și sunt utilizați pe scară largă în scenarii care necesită stabilitate și durabilitate ridicate, cum ar fi difuzoarele, contoarele de watt-oră, motoarele electrice, generatoarele și alternatoarele.

Proprietățile magnetice ale magneților Alnico sunt strâns legate de microstructura lor, iar rafinarea granulelor este o modalitate eficientă de a le îmbunătăți proprietățile magnetice. Prin reducerea dimensiunii granulelor, crește numărul limitelor granulelor, ceea ce poate împiedica mișcarea pereților domeniilor magnetice, îmbunătățind astfel coercitivitatea. În același timp, o microstructură mai uniformă poate, de asemenea, spori remanența și produsul energetic magnetic maxim al magnetului. Prin urmare, studierea proceselor de rafinare a granulelor magneților Alnico turnați este de mare importanță pentru îmbunătățirea performanței lor magnetice și extinderea gamei lor de aplicații.

2. Procese de rafinare a granulelor magneților Alnico turnați

2.1 Tratament chimic

Tratamentul chimic este o metodă obișnuită pentru rafinarea granulelor materialelor metalice și este, de asemenea, utilizată pe scară largă în producția de magneți Alnico turnați. Această metodă implică adăugarea unei cantități mici de substanțe chimice, cunoscute sub numele de inoculanți sau modificatori, în topitura de metal. Aceste substanțe pot promova nucleația eterogenă în topitură, pot crește numărul de nuclee și, astfel, pot rafina granulele.

Pentru magneții Alnico, selecția inoculanților este crucială. Conform teoriei gradului de nepotrivire a rețelei și teoriei empirice a electronilor, diferiți inoculanți au efecte diferite asupra nucleației eterogene a δ-Fe și γ-Fe. De exemplu, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ și MgO au efecte semnificative asupra nucleației eterogene a δ-Fe, în timp ce ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ și CeO₂ sunt mai eficienți pentru γ-Fe.

La adăugarea de inoculanți, este necesar să se asigure că aceștia sunt fini și bine dispersați în topitură. În caz contrar, dacă inoculanții se agregă, nu numai că pot să nu rafineze granulele, dar pot afecta și performanța magneților Alnico. În plus, cantitatea de inoculant adăugată trebuie, de asemenea, controlată cu precizie. În general, o cantitate adecvată de inoculant poate obține un efect bun de rafinare a granulelor, dar adăugarea excesivă poate duce la o creștere a incluziunilor nemetalice în topitură, ceea ce este în detrimentul proprietăților magnetice ale magneților.

2.2 Vibrații mecanice și agitare

Vibrația mecanică și agitarea sunt metode fizice care pot realiza rafinarea granulelor prin provocarea unei mișcări relative între fazele lichidă și solidă din topitura metalică, promovând ruperea și proliferarea brațelor dendritice.

2.2.1 Agitarea mecanică

Agitarea mecanică poate crea diferite grade de mișcare relativă între fazele lichidă și solidă din topitura metalică, adică mișcarea convectivă a metalului lichid. Această mișcare convectivă poate provoca ruperea brațelor dendritelor, iar fragmentele dendritelor rupte pot acționa ca noi nuclee pentru creșterea cristalelor, crescând astfel numărul de nuclee și rafinând granulele.

Totuși, agitarea mecanică are și unele dezavantaje. Pe de o parte, la agitarea topiturii, este ușor să se introducă gaz, iar dacă gazul nu poate fi suplimentat la timp cu metalul topit, se pot forma defecte precum pori și porozitate prin contracție. Pe de altă parte, la agitarea topiturii de metal cu punct de topire ridicat, agitatorul este predispus la uzură, ceea ce poate contamina topitura de metal și poate cauza noi probleme de calitate.

2.2.2 Vibrații mecanice

Vibrațiile mecanice se bazează, de asemenea, pe mișcarea convectivă a topiturii de metal pentru a rupe dendritele și a provoca proliferarea nucleației pentru a realiza rafinarea granulelor. Cu toate acestea, în funcționarea practică, atunci când frecvența vibrațiilor mecanice crește, efectul de rafinare a granulelor sistemului de solidificare a metalului poate scădea, iar probleme precum segregarea carburilor și slăbirea lingoului de oțel pot deveni mai grave.

2.3 Tratamentul câmpului fizic extern

Tratamentul în câmp fizic extern este o tehnologie promițătoare de rafinare a granulelor, care are avantajele de a fi ecologică și ușor de utilizat. Aceasta include în principal tratamentul cu curent, tratamentul în câmp magnetic și tratamentul cu ultrasunete.

2.3.1 Tratamentul actual

Când un curent pulsat puternic, cu schimbări rapide, trece prin topitura de metal, în aceasta se va genera un câmp magnetic pulsat puternic, cu schimbări rapide. Interacțiunea dintre curentul pulsat puternic și câmpul magnetic pulsat puternic va produce o forță de contracție puternică în topitura de metal, determinând comprimarea repetată a topiturii și mișcarea înainte și înapoi în direcția perpendiculară pe curent. Această mișcare înainte și înapoi nu numai că poate rupe cristalele dendritice, dar poate face ca topitura să își piardă rapid supraîncălzirea și să crească rata de nucleație. Prin urmare, cu cât curentul pulsat este mai puternic, cu atât efectul de rafinare a granulelor este mai semnificativ.

2.3.2 Tratament cu câmp magnetic

Când topitura de metal se solidifică într-un câmp magnetic alternativ, în sistemul de solidificare se va genera un curent indus. Interacțiunea dintre câmpul magnetic și curentul indus va produce o forță electromagnetică, care va presa metalul spre axă sau îl va trage departe de aceasta de-a lungul direcției radiale, provocând fluctuații regulate în sistemul de solidificare. Această fluctuație are un efect similar cu convecția sporită utilizată de obicei, astfel încât câmpul magnetic alternativ are un efect de rafinare a granulelor.

Din perspectiva efectului de fluctuație produs de câmpul magnetic, cu cât intensitatea inducției magnetice este mai puternică, cu atât presiunea electromagnetică este mai mare și, prin urmare, cu cât fluctuația este mai intensă și cu atât efectul de rafinare a granulelor este mai bun. Cu toate acestea, atunci când intensitatea inducției magnetice crește, curentul indus crește și el proporțional, ceea ce va crește corespunzător efectul termic în sistemul de solidificare, va reduce gradul de suprarăcire și, astfel, va scădea rata de nucleație. Prin urmare, curba relației dintre intensitatea câmpului magnetic și efectul de rafinare a granulelor este o curbă cu valoare extremă.

În plus, câmpurile magnetice pulsate pot genera, de asemenea, curenți turbionari pulsați în topitură. Interacțiunea dintre curenții turbionari și câmpul magnetic produce forțe Lorentz și presiuni magnetice, care se schimbă intens și sunt mult mai puternice decât presiunea dinamică a topiturii de metal. Acest lucru provoacă vibrații intense ale topiturii de metal, crescând gradul de suprarăcire în timpul solidificării, îmbunătățind rata de nucleație și provocând convecție forțată în topitură, împiedicând dendritele să crească sau să se rupă și să se zdrobească. Particulele de dendrită spartă plutesc în lichid la frontul de cristalizare și devin noi nuclee de creștere. Prin urmare, cu cât intensitatea inducției magnetice pulsate este mai mare, cu atât efectul de rafinare a granulelor este mai semnificativ.

2.3.3 Tratament cu ultrasunete

Tratamentul cu ultrasunete utilizează efectele de cavitație acustică și de flux acustic generate atunci când undele ultrasonice se propagă într-un lichid pentru a realiza rafinarea granulelor. Când undele ultrasonice acționează asupra topiturii de metal, moleculele de lichid sunt supuse acțiunii unui câmp sonor alternativ periodic, generând efecte de cavitație acustică și flux acustic. Aceste efecte pot provoca modificări ale câmpului de curgere, câmpului de presiune și câmpului de temperatură în topitură, generând efecte locale de temperatură ridicată și presiune ridicată. Vibrația lichidului face ca brațele dendritelor să se desprindă de frontul de solidificare și să acționeze ca nucleații eterogene în topitură, iar efectul de dispersare al undelor ultrasonice asupra topiturii face ca particulele să se distribuie mai uniform. În plus, metalurgia cu ultrasunete poate elimina și gazul și zgura, aceasta fiind o tehnologie de purificare a topiturii.

3. Impactul rafinării granulelor asupra indicatorilor de performanță magnetică ai magneților Alnico turnați

3.1 Coercitivitate

Coercitivitatea este un indicator important pentru măsurarea capacității unui magnet permanent de a rezista demagnetizării. Rafinarea granulelor poate îmbunătăți semnificativ coercitivitatea magneților Alnico. Într-o structură cu granulație grosieră, pereții domeniilor magnetice se pot deplasa ușor peste limitele granulelor, făcând magnetul mai susceptibil la demagnetizare. După rafinarea granulelor, numărul limitelor granulelor crește, iar limitele granulelor pot acționa ca centre de fixare pentru pereții domeniilor magnetice, împiedicând mișcarea acestora. Prin urmare, este necesar un câmp magnetic extern mai mare pentru a mișca pereții domeniilor magnetice, adică, coercitivitatea magnetului crește.

De exemplu, în cazul magneților Alnico 5, prin procese adecvate de rafinare a granulelor, coercitivitatea poate fi crescută de la valoarea inițială la un nivel superior, sporind capacitatea magnetului de a-și menține proprietățile magnetice în prezența câmpurilor magnetice inverse sau a perturbațiilor externe.

3.2 Remanență

Remanența se referă la intensitatea inducției magnetice care rămâne în magnet după ce câmpul magnetic extern este redus la zero. Rafinarea granulelor poate avea, de asemenea, un impact pozitiv asupra remanenței magneților Alnico. O microstructură mai uniformă obținută prin rafinarea granulelor poate reduce împrăștierea momentelor magnetice și poate face ca momentele magnetice să fie mai aliniate în aceeași direcție, crescând astfel remanența magnetului.

În plus, rafinarea granulelor poate reduce și numărul de defecte, cum ar fi porii și incluziunile din magnet. Aceste defecte pot perturba alinierea domeniilor magnetice și pot reduce remanența. Prin eliminarea sau reducerea acestor defecte, remanența magnetului poate fi îmbunătățită și mai mult.

3.3 Produsul energetic magnetic maxim

Produsul energetic magnetic maxim este un indicator cuprinzător care reflectă capacitatea de stocare a energiei unui magnet permanent. Este proporțional cu produsul dintre remanență și pătratul coercitivității. Deoarece rafinarea granulelor poate îmbunătăți atât coercivitatea, cât și remanența magneților Alnico, aceasta va duce inevitabil la o creștere a produsului energetic magnetic maxim.

Un produs energetic magnetic maxim mai mare înseamnă că magnetul poate stoca și emite mai multă energie magnetică în același volum, ceea ce este foarte important pentru aplicațiile care necesită o energie magnetică de ieșire mare, cum ar fi motoarele electrice și generatoarele. De exemplu, în proiectarea motoarelor electrice de înaltă eficiență, utilizarea magneților Alnico cu un produs energetic magnetic maxim mai mare poate reduce dimensiunea și greutatea motorului, îmbunătățind în același timp performanța acestuia.

4. Analiza cazului

4.1 Cazul 1: Rafinarea granulelor magneților Alnico 5 prin tratament chimic

Într-o anumită întreprindere de producție de magneți Alnico, pentru a îmbunătăți proprietățile magnetice ale magneților Alnico 5, s-a adoptat un tratament chimic pentru rafinarea granulelor. Inoculantul selectat a fost un compus care conține elemente Ti și B. În timpul procesului de producție, o cantitate adecvată de inoculant a fost adăugată în topitura de Alnico, în funcție de greutatea topiturii.

După solidificare și tratamentul termic ulterior, microstructura magneților Alnico 5 a fost observată folosind un microscop metalografic. S-a constatat că dimensiunea granulelor magneților tratați cu inoculant a fost semnificativ mai mică decât cea a magneților netratați. Dimensiunea medie a granulelor a scăzut de la aproximativ 100 μm la aproximativ 30 μm.

Testele privind proprietățile magnetice au arătat că coercitivitatea magneților Alnico 5 rafinați în granule a crescut de la 52 kA/m la 60 kA/m, remanența a crescut de la 1,2 T la 1,25 T, iar produsul energetic magnetic maxim a crescut de la 40 kJ/m³ la 48 kJ/m³. Acest lucru indică faptul că tratamentul chimic cu un inoculant adecvat poate rafina eficient granulele magneților Alnico 5 și poate îmbunătăți semnificativ proprietățile lor magnetice.

4.2 Cazul 2: Rafinarea granulelor magneților Alnico 8 prin tratament cu ultrasunete

Într-un alt proiect de cercetare, tratamentul cu ultrasunete a fost aplicat la rafinarea granulelor magneților Alnico 8. În timpul procesului de solidificare a topiturii de Alnico 8, o sondă cu ultrasunete a fost introdusă în topitură, iar undele ultrasonice cu o anumită putere și frecvență au fost aplicate pentru o anumită perioadă de timp.

Analiza metalografică a arătat că granulele magneților Alnico 8 tratați cu ultrasunete au fost mult mai fine decât cele ale magneților netratați. Tratamentul cu ultrasunete a rupt dendritele din topitură, a crescut numărul de nuclee și a obținut rafinarea granulelor.

Măsurătorile proprietăților magnetice au relevat că coercitivitatea magneților Alnico 8 tratați cu ultrasunete a crescut de la 140 kA/m la 160 kA/m, remanența a crescut de la 1,0 T la 1,05 T, iar produsul energetic magnetic maxim a crescut de la 60 kJ/m³ la 70 kJ/m³. Acest lucru demonstrează că tratamentul cu ultrasunete este o metodă eficientă de rafinare a granulelor pentru magneții Alnico 8 și poate îmbunătăți semnificativ performanța lor magnetică.

5. Concluzie și perspective

Rafinarea granulelor este un mijloc important de îmbunătățire a proprietăților magnetice ale magneților Alnico turnați. Tratamentul chimic, vibrațiile și agitarea mecanică, precum și tratamentul în câmp fizic extern sunt toate procese eficiente de rafinare a granulelor. Printre acestea, tratamentul chimic este simplu de operat și are un efect semnificativ de rafinare, dar selecția și cantitatea adăugată de inoculanți trebuie să fie strict controlate. Vibrațiile și agitarea mecanică pot realiza rafinarea granulelor prin mijloace fizice, dar pot introduce unele defecte. Tratamentul în câmp fizic extern, cum ar fi tratamentul cu curent, tratamentul în câmp magnetic și tratamentul cu ultrasunete, are avantajul de a fi ecologic și ușor de operat și are un mare potențial de dezvoltare.

Rafinarea granulelor poate îmbunătăți coercivitatea, remanența și produsul energetic magnetic maxim al magneților Alnico, făcându-i mai potriviți pentru aplicații magnetice de înaltă performanță. În cercetările viitoare, următoarele aspecte pot fi explorate în continuare:

• Optimizați procesele de rafinare a boabelor, cum ar fi studierea parametrilor optimi ai tratamentului chimic, vibrațiilor și amestecării mecanice și tratamentului fizic extern în câmp pentru a obține cel mai bun efect de rafinare a boabelor.
• Dezvoltarea de inoculanți sau agenți de rafinare a boabelor noi și mai eficienți pentru a îmbunătăți eficiența rafinării și a reduce costurile.
• Combinați diferite metode de rafinare a granulelor pentru a valorifica pe deplin avantajele lor respective și pentru a îmbunătăți și mai mult proprietățile magnetice ale magneților Alnico.
• Studiați relația dintre rafinarea granulelor și alți factori precum tratamentul termic, compoziția aliajului și tehnologia de procesare pentru a îmbunătăți complet performanța magneților Alnico.

În concluzie, prin cercetare și inovare continuă în procesele de rafinare a granulelor, proprietățile magnetice ale magneților Alnico turnați pot fi îmbunătățite continuu, extinzându-le gama de aplicații și promovând dezvoltarea industriei magneților permanenți.