Процессы измельчения зерна и повышение магнитных характеристик литых магнитов из сплава Алнико

Абстрактный

Магниты Alnico, как одни из первых разработанных постоянных магнитных материалов, обладают уникальными преимуществами в высокотемпературных и высокостабильных магнитных приложениях. Измельчение зерна является важным способом улучшения магнитных свойств магнитов Alnico. В данной статье представлен углубленный анализ процессов измельчения зерна литых магнитов Alnico, включая химическую обработку, механическую вибрацию и перемешивание, а также обработку внешним физическим полем. Также исследуется влияние измельчения зерна на ключевые показатели магнитных характеристик, такие как коэрцитивная сила, остаточная намагниченность и максимальное произведение магнитной энергии, и рассматриваются направления будущих исследований в этой области.

Ключевые слова

Литые магниты Alnico; Измельчение зерна; Магнитные характеристики; Химическая обработка; Обработка внешним физическим полем.

1. Введение

Магниты Alnico, разработанные японским металлургом Мисимой Токусити в 1932 году, когда-то были доминирующей силой в индустрии постоянных магнитов до появления редкоземельных материалов для постоянных магнитов. Магниты Alnico известны своей высокой температурой Кюри до 890 °C, что обеспечивает им превосходную термостойкость и стабильность. Они также обладают хорошей коррозионной стойкостью, гарантируя долговременную надежность в суровых условиях. Хотя рыночная доля магнитов Alnico сократилась за счет недорогих спеченных ферритов и высокоэффективных редкоземельных постоянных магнитов, они по-прежнему обладают уникальными преимуществами в высокотемпературных областях применения выше 500 °C и широко используются в сценариях, требующих высокой стабильности и долговечности, таких как громкоговорители, счетчики электроэнергии, электродвигатели, генераторы и альтернаторы.

Магнитные свойства магнитов Alnico тесно связаны с их микроструктурой, и измельчение зерен является эффективным способом улучшения этих свойств. Уменьшение размера зерен приводит к увеличению количества границ зерен, что может препятствовать движению магнитных доменных стенок, тем самым повышая коэрцитивную силу. В то же время более однородная микроструктура может также повысить остаточную намагниченность и максимальное произведение магнитной энергии магнита. Поэтому изучение процессов измельчения зерен литых магнитов Alnico имеет большое значение для улучшения их магнитных характеристик и расширения области применения.

2. Процессы измельчения зерна литых магнитов из сплава Алнико

2.1 Химическая обработка

Химическая обработка — распространенный метод измельчения зерен в металлических материалах, широко используемый также при производстве литых магнитов Alnico. Этот метод включает добавление в расплав металла небольшого количества химических веществ, известных как затравки или модификаторы. Эти вещества могут способствовать гетерогенному зарождению кристаллов в расплаве, увеличивать количество зародышей и, таким образом, измельчать зерна.

Для магнитов Alnico выбор инокулянтов имеет решающее значение. Согласно теории степени несоответствия кристаллической решетки и эмпирической электронной теории, различные инокулянты оказывают различное влияние на гетерогенное зарождение δ-Fe и γ-Fe. Например, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ и MgO оказывают значительное влияние на гетерогенное зарождение δ-Fe, в то время как ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ и CeO₂ более эффективны для γ-Fe.

При добавлении затравки необходимо обеспечить её мелкодисперсное распределение в расплаве. В противном случае, агрегация затравки может не только препятствовать измельчению зерен, но и повлиять на характеристики магнитов Alnico. Кроме того, количество добавляемой затравки также необходимо точно контролировать. Как правило, соответствующее количество затравки обеспечивает хороший эффект измельчения зерен, но избыточное добавление может привести к увеличению количества неметаллических включений в расплаве, что негативно сказывается на магнитных свойствах магнитов.

2.2 Механическая вибрация и перемешивание

Механическая вибрация и перемешивание — это физические методы, позволяющие добиться измельчения зерна за счет создания относительного движения между жидкой и твердой фазами в расплаве металла, что способствует разрушению и разрастанию дендритных ветвей.

2.2.1 Механическое перемешивание

Механическое перемешивание может создавать различную степень относительного движения между жидкой и твердой фазами в расплаве металла, то есть конвективное движение жидкого металла. Это конвективное движение может вызывать разрушение дендритных ветвей, а фрагменты разрушенных дендритов могут служить новыми ядрами для роста кристаллов, тем самым увеличивая количество ядер и измельчая зерна.

Однако механическое перемешивание также имеет некоторые недостатки. С одной стороны, при перемешивании расплава легко происходит попадание газа, и если газ не может быть своевременно восполнен расплавленным металлом, могут образоваться дефекты, такие как поры и усадочная пористость. С другой стороны, при перемешивании расплавов металлов с высокой температурой плавления мешалка подвержена износу, что может привести к загрязнению расплава и возникновению новых проблем с качеством.

2.2.2 Механические колебания

Механическая вибрация также основана на конвективном движении расплава металла, которое разрушает дендриты и вызывает распространение зародышей, обеспечивая измельчение зерна. Однако в практической эксплуатации при увеличении частоты механической вибрации эффект измельчения зерна в системе затвердевания металла может снижаться, а такие проблемы, как сегрегация карбидов и рыхлость стального слитка, могут усугубиться.

2.3 Обработка внешнего физического поля

Обработка внешним физическим полем — перспективная технология измельчения зерна, обладающая преимуществами экологичности и простоты в эксплуатации. Она включает в себя обработку током, обработку магнитным полем и ультразвуковую обработку.

2.3.1 Текущее лечение

Когда через расплав металла проходит быстро изменяющийся сильный импульсный ток, в расплаве генерируется быстро изменяющееся сильное импульсное магнитное поле. Взаимодействие между сильным импульсным током и сильным импульсным магнитным полем создает сильную силу сжатия в расплаве металла, заставляя расплав многократно сжиматься и двигаться вперед и назад в направлении, перпендикулярном току. Это движение вперед и назад не только разрушает дендритные кристаллы, но и приводит к быстрой потере перегрева расплава и увеличению скорости зарождения кристаллов. Следовательно, чем сильнее импульсный ток, тем значительнее эффект измельчения зерен.

2.3.2 Лечение магнитным полем

Когда расплав металла затвердевает в переменном магнитном поле, в системе затвердевания генерируется индуцированный ток. Взаимодействие магнитного поля и индуцированного тока создает электромагнитную силу, которая прижимает металл к оси или отталкивает его от нее вдоль радиального направления, вызывая регулярные флуктуации в системе затвердевания. Эти флуктуации оказывают эффект, аналогичный обычно используемой усиленной конвекции, поэтому переменное магнитное поле способствует измельчению зерен.

С точки зрения флуктуационного эффекта, вызванного магнитным полем, чем сильнее интенсивность магнитной индукции, тем больше электромагнитное давление, и, следовательно, тем интенсивнее флуктуации и тем лучше эффект измельчения зерен. Однако при увеличении интенсивности магнитной индукции пропорционально увеличивается и индуцированный ток, что, соответственно, усиливает тепловой эффект в системе затвердевания, снижает степень переохлаждения и, следовательно, уменьшает скорость зарождения. Поэтому кривая зависимости интенсивности магнитного поля от эффекта измельчения зерен имеет экстремальное значение.

Кроме того, импульсные магнитные поля могут также генерировать импульсные вихревые токи в расплаве. Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем создает силы Лоренца и магнитное давление, которые интенсивно изменяются и значительно превосходят динамическое давление расплава металла. Это вызывает интенсивную вибрацию расплава металла, увеличивая степень переохлаждения во время затвердевания, повышая скорость зарождения кристаллов и вызывая вынужденную конвекцию в расплаве, предотвращая рост дендритов, а также их разрушение и измельчение. Разрушенные частицы дендритов плавают в жидкости на фронте кристаллизации и становятся новыми ядрами роста. Следовательно, чем сильнее интенсивность импульсной магнитной индукции, тем значительнее эффект измельчения зерен.

2.3.3 Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая обработка использует эффекты акустической кавитации и акустического потока, возникающие при распространении ультразвуковых волн в жидкости, для достижения измельчения зерна. Когда ультразвуковые волны воздействуют на расплав металла, молекулы жидкости подвергаются действию периодически чередующегося звукового поля, генерируя эффекты акустической кавитации и акустического потока. Эти эффекты могут вызывать изменения поля потока, поля давления и поля температуры в расплаве, создавая локальные эффекты высоких температур и давлений. Вибрация жидкости приводит к отрыву дендритных ветвей от фронта затвердевания и их действию в качестве гетерогенных центров зарождения в расплаве, а диспергирующее воздействие ультразвуковых волн на расплав обеспечивает более равномерное распределение частиц. Кроме того, ультразвуковая металлургия также может удалять газ и шлак, являясь технологией очистки расплава.

3. Влияние измельчения зерна на магнитные характеристики литых магнитов из сплава Алнико.

3.1 Принудительность

Коэрцитивная сила является важным показателем для оценки способности постоянного магнита противостоять размагничиванию. Измельчение зерен может значительно улучшить коэрцитивную силу магнитов Alnico. В крупнозернистой структуре магнитные доменные стенки могут легко перемещаться по границам зерен, что делает магнит более восприимчивым к размагничиванию. После измельчения зерен количество границ зерен увеличивается, и границы зерен могут действовать как центры закрепления магнитных доменных стенок, препятствуя их перемещению. Следовательно, для перемещения магнитных доменных стенок требуется большее внешнее магнитное поле, то есть коэрцитивная сила магнита увеличивается.

Например, в магнитах Alnico 5, благодаря соответствующим процессам измельчения зерен, коэрцитивная сила может быть увеличена с исходного значения до более высокого уровня, что повышает способность магнита сохранять свои магнитные свойства в присутствии обратных магнитных полей или внешних возмущений.

3.2 Остаточная намагниченность

Остаточная намагниченность — это величина магнитной индукции, сохраняющаяся в магните после снятия внешнего магнитного поля и обнуления его параметров. Измельчение зерен также может положительно влиять на остаточную намагниченность магнитов Alnico. Более однородная микроструктура, полученная в результате измельчения зерен, может уменьшить рассеяние магнитных моментов и сделать их более выровненными в одном направлении, тем самым увеличивая остаточную намагниченность магнита.

Кроме того, измельчение зерен может также уменьшить количество дефектов, таких как поры и включения в магните. Эти дефекты могут нарушать выравнивание магнитных доменов и снижать остаточную намагниченность. Устранение или уменьшение этих дефектов позволяет дополнительно улучшить остаточную намагниченность магнита.

3.3 Максимальное произведение магнитной энергии

Максимальное произведение магнитной энергии — это комплексный показатель, отражающий способность постоянного магнита накапливать энергию. Он пропорционален произведению остаточной намагниченности и квадрату коэрцитивной силы. Поскольку измельчение зерен может улучшить как коэрцитивную силу, так и остаточную намагниченность магнитов Alnico, это неизбежно приведет к увеличению максимального произведения магнитной энергии.

Более высокое максимальное произведение магнитной энергии означает, что магнит может накапливать и отдавать больше магнитной энергии при том же объеме, что очень важно для применений, требующих высокой выходной магнитной энергии, таких как электродвигатели и генераторы. Например, при проектировании высокоэффективных электродвигателей использование магнитов Alnico с более высоким максимальным произведением магнитной энергии может уменьшить размер и вес двигателя, одновременно улучшая его характеристики.

4. Анализ кейса

4.1 Пример 1: Измельчение зерна магнитов Alnico 5 методом химической обработки

На одном из предприятий по производству магнитов Alnico, с целью улучшения магнитных свойств магнитов Alnico 5, была применена химическая обработка для измельчения зерна. В качестве инокулянта был выбран компаунд, содержащий элементы Ti и B. В процессе производства в расплав Alnico добавляли соответствующее количество инокулянта в соответствии с массой расплава.

После затвердевания и последующей термической обработки микроструктура магнитов Alnico 5 была исследована с помощью металлографического микроскопа. Было установлено, что размер зерен магнитов, обработанных инокулянтом, был значительно меньше, чем у необработанных магнитов. Средний размер зерен уменьшился примерно со 100 мкм до примерно 30 мкм.

Исследования магнитных свойств показали, что коэрцитивная сила мелкозернистых магнитов Alnico 5 увеличилась с 52 кА/м до 60 кА/м, остаточная намагниченность увеличилась с 1,2 Т до 1,25 Т, а максимальное произведение магнитной энергии увеличилось с 40 кДж/м³ до 48 кДж/м³. Это свидетельствует о том, что химическая обработка с использованием соответствующего инокулянта может эффективно измельчать зерна магнитов Alnico 5 и значительно улучшать их магнитные свойства.

4.2 Случай 2: Измельчение зерна магнитов Alnico 8 с помощью ультразвуковой обработки

В другом исследовательском проекте ультразвуковая обработка применялась для измельчения зерен магнитов Alnico 8. В процессе затвердевания расплава Alnico 8 в расплав вводился ультразвуковой зонд, и в течение определенного периода времени воздействовали ультразвуковые волны определенной мощности и частоты.

Металлографический анализ показал, что зерна магнитов Alnico 8, обработанных ультразвуком, были значительно мельче, чем у необработанных магнитов. Ультразвуковая обработка разрушила дендриты в расплаве, увеличила количество зародышей и привела к измельчению зерен.

Измерения магнитных свойств показали, что коэрцитивная сила магнитов Alnico 8, обработанных ультразвуком, увеличилась со 140 кА/м до 160 кА/м, остаточная намагниченность увеличилась с 1,0 Т до 1,05 Т, а максимальное произведение магнитной энергии увеличилось с 60 кДж/м³ до 70 кДж/м³. Это демонстрирует, что ультразвуковая обработка является эффективным методом измельчения зерен магнитов Alnico 8 и может значительно улучшить их магнитные характеристики.

5. Заключение и перспективы

Измельчение зерна является важным способом улучшения магнитных свойств литых магнитов Alnico. Химическая обработка, механическая вибрация и перемешивание, а также обработка внешним физическим полем — все это эффективные процессы измельчения зерна. Среди них химическая обработка проста в применении и обладает значительным эффектом измельчения, но выбор и количество добавляемых инокулянтов должны строго контролироваться. Механическая вибрация и перемешивание позволяют добиться измельчения зерна физическими методами, но могут вносить некоторые дефекты. Обработка внешним физическим полем, такая как обработка током, обработка магнитным полем и ультразвуковая обработка, имеет преимущества экологичности и простоты в применении, и обладает большим потенциалом для развития.

Измельчение зерна может улучшить коэрцитивную силу, остаточную намагниченность и максимальное произведение магнитной энергии магнитов Alnico, что делает их более подходящими для высокоэффективных магнитных применений. В будущих исследованиях можно дополнительно изучить следующие аспекты:

• Оптимизация процессов измельчения зерна, например, путем изучения оптимальных параметров химической обработки, механической вибрации и перемешивания, а также обработки внешним физическим полем, позволит достичь наилучшего эффекта измельчения зерна.
• Разработать новые и более эффективные закваски или агенты для рафинирования зерна с целью повышения эффективности рафинирования и снижения затрат.
• Сочетание различных методов измельчения зерна позволяет в полной мере использовать их преимущества и дополнительно улучшить магнитные свойства магнитов Alnico.
• Изучение взаимосвязи между измельчением зерна и другими факторами, такими как термообработка, состав сплава и технология обработки, позволит всесторонне улучшить характеристики магнитов Alnico.

В заключение, благодаря непрерывным исследованиям и инновациям в процессах измельчения зерна, магнитные свойства литых магнитов Alnico могут быть постоянно улучшены, что расширит область их применения и будет способствовать развитию индустрии постоянных магнитов.