Procesy zjemňovania zrna a vylepšenia magnetického výkonu v liatych alnico magnetoch

Abstrakt

Alnico magnety, ako jeden z prvých vyvinutých permanentných magnetických materiálov, majú jedinečné výhody vo vysokoteplotných a vysoko stabilných magnetických aplikáciách. Zjemňovanie zrna je dôležitým prostriedkom na zlepšenie magnetických vlastností Alnico magnetov. Tento článok poskytuje hĺbkovú analýzu procesov zjemňovania zrna odlievaných Alnico magnetov vrátane chemického spracovania, mechanických vibrácií a miešania a ošetrenia vonkajším fyzikálnym poľom. Skúma tiež vplyv zjemňovania zrna na kľúčové ukazovatele magnetického výkonu, ako je koercivita, remanencia a maximálny magnetický energetický produkt, a teší sa na budúce smery výskumu v tejto oblasti.

Kľúčové slová

Liate Alnico magnety; Zjemnenie zrna; Magnetické vlastnosti; Chemické spracovanie; Spracovanie vonkajším fyzikálnym poľom

1. Úvod

Alnico magnety, vyvinuté japonským metalurgom Mišimou Tokušičim v roku 1932, boli kedysi dominantnou silou v priemysle permanentných magnetov pred vznikom materiálov permanentných magnetov zo vzácnych zemín. Alnico magnety sú známe svojou vysokou Curieovou teplotou až do 890 °C, ktorá im poskytuje vynikajúcu odolnosť voči vysokým teplotám a stabilitu. Majú tiež dobrú odolnosť proti korózii, čo zaisťuje dlhodobú spoľahlivosť v náročných prostrediach. Hoci podiel Alnico magnetov na trhu bol stlačený lacnými spekanými feritmi a vysokovýkonnými permanentnými magnetmi zo vzácnych zemín, stále majú jedinečné výhody vo vysokoteplotných aplikáciách nad 500 °C a sú široko používané v scenároch, ktoré vyžadujú vysokú stabilitu a odolnosť, ako sú reproduktory, watthodinové merače, elektromotory, generátory a alternátory.

Magnetické vlastnosti Alnico magnetov úzko súvisia s ich mikroštruktúrou a zjemňovanie zŕn je účinným spôsobom, ako zlepšiť ich magnetické vlastnosti. Zmenšením veľkosti zŕn sa zvyšuje počet hraníc zŕn, čo môže brániť pohybu magnetických doménových stien, čím sa zlepšuje koercivita. Zároveň rovnomernejšia mikroštruktúra môže tiež zvýšiť remanenciu a maximálny magnetický energetický produkt magnetu. Preto má štúdium procesov zjemňovania zŕn odlievaných Alnico magnetov veľký význam pre zlepšenie ich magnetického výkonu a rozšírenie rozsahu ich použitia.

2. Procesy zjemňovania zŕn liatych Alnico magnetov

2.1 Chemické ošetrenie

Chemická úprava je bežnou metódou zjemňovania zrna v kovových materiáloch a široko sa používa aj pri výrobe liatych Alnico magnetov. Táto metóda zahŕňa pridanie malého množstva chemických látok, známych ako očkovacie látky alebo modifikátory, do kovovej taveniny. Tieto látky môžu podporovať heterogénnu nukleáciu v tavenine, zvyšovať počet jadier a tým zjemňovať zrná.

Pre Alnico magnety je výber očkovacích látok kľúčový. Podľa teórie stupňa mriežkového nesúladu a empirickej elektrónovej teórie majú rôzne očkovacie látky rôzne účinky na heterogénnu nukleáciu δ-Fe a γ-Fe. Napríklad CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ a MgO majú významný vplyv na heterogénnu nukleáciu δ-Fe, zatiaľ čo ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ a CeO₂ sú účinnejšie pre γ-Fe.

Pri pridávaní očkovadiel je potrebné zabezpečiť, aby boli jemné a dobre dispergované v tavenine. V opačnom prípade, ak sa očkovadlá zhlukujú, nemusia nielen zjemniť zrná, ale tiež ovplyvniť výkon magnetov Alnico. Okrem toho je potrebné presne kontrolovať aj množstvo pridaného očkovadla. Vo všeobecnosti sa vhodným množstvom očkovadla dá dosiahnuť dobrý účinok zjemnenia zrna, ale nadmerné pridanie môže viesť k zvýšeniu nekovových inklúzií v tavenine, čo je škodlivé pre magnetické vlastnosti magnetov.

2.2 Mechanické vibrácie a miešanie

Mechanické vibrácie a miešanie sú fyzikálne metódy, ktoré môžu dosiahnuť zjemnenie zrna spôsobením relatívneho pohybu medzi kvapalnou a pevnou fázou v kovovej tavenine, čím sa podporuje lámanie a proliferácia dendritických ramien.

2.2.1 Mechanické miešanie

Mechanické miešanie môže vytvoriť rôzne stupne relatívneho pohybu medzi kvapalnou a pevnou fázou v kovovej tavenine, teda konvekčný pohyb tekutého kovu. Tento konvekčný pohyb môže spôsobiť zlomenie dendritických ramien a zlomené fragmenty dendritov môžu pôsobiť ako nové jadrá pre rast kryštálov, čím sa zvyšuje počet jadier a zjemňujú sa zrná.

Mechanické miešanie má však aj určité nevýhody. Na jednej strane je pri miešaní taveniny ľahké zavádzať plyn a ak plyn nie je možné včas doplniť roztaveným kovom, môžu sa tvoriť defekty, ako sú póry a zmršťovacia pórovitosť. Na druhej strane, pri miešaní tavenín kovov s vysokou teplotou topenia je miešadlo náchylné na opotrebovanie, čo môže kontaminovať taveninu kovu a spôsobiť nové problémy s kvalitou.

2.2.2 Mechanické vibrácie

Mechanické vibrácie sa tiež spoliehajú na konvekčný pohyb kovovej taveniny, ktorý rozrušuje dendrity a spôsobuje proliferáciu nukleácie na dosiahnutie zjemnenia zŕn. V praktickej prevádzke sa však so zvýšením frekvencie mechanických vibrácií môže účinok zjemnenia zŕn systému kovového tuhnutia (suchosti) znížiť a problémy, ako je segregácia karbidov a uvoľnenie v oceľovom ingote, sa môžu zhoršiť.

2.3 Liečba vonkajším fyzikálnym poľom

Externé fyzikálne poľové spracovanie je sľubná technológia zjemňovania zrna, ktorej výhody spočívajú v šetrnosti k životnému prostrediu a jednoduchej prevádzke. Zahŕňa najmä prúdové spracovanie, spracovanie magnetickým poľom a ultrazvukové spracovanie.

2.3.1 Súčasná liečba

Keď kovovou taveninou prechádza rýchlo sa meniaci silný pulzný prúd, v tavenine sa generuje rýchlo sa meniace silné pulzné magnetické pole. Interakcia medzi silným pulzným prúdom a silným pulzným magnetickým poľom vytvorí v kovovej tavenine silnú kontrakčnú silu, ktorá spôsobí, že sa tavenina opakovane stláča a pohybuje sa tam a späť v smere kolmom na prúd. Tento zadný a tam pohyb môže nielen rozbiť dendritické kryštály, ale tiež spôsobiť, že tavenina rýchlo stratí prehriatie a zvýši rýchlosť nukleácie. Preto čím silnejší je pulzný prúd, tým výraznejší je efekt zjemnenia zŕn.

2.3.2 Liečba magnetickým poľom

Keď kovová tavenina tuhne v striedavom magnetickom poli, v systéme tuhnutia sa generuje indukovaný prúd. Interakcia medzi magnetickým poľom a indukovaným prúdom vytvorí elektromagnetickú silu, ktorá bude tlačiť kov smerom k osi alebo ho odťahovať od nej pozdĺž radiálneho smeru, čo spôsobí pravidelné fluktuácie v systéme tuhnutia. Táto fluktuácia má podobný účinok ako zvyčajne používaná zosilnená konvekcia, takže striedavé magnetické pole má účinok zjemňovania zŕn.

Z hľadiska fluktuačného efektu spôsobeného magnetickým poľom platí, že čím silnejšia je intenzita magnetickej indukcie, tým väčší je elektromagnetický tlak, a teda tým intenzívnejšie je fluktuovanie a tým lepší je efekt zjemňovania zŕn. Avšak so zvyšujúcou sa intenzitou magnetickej indukcie sa úmerne zvyšuje aj indukovaný prúd, čo zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje tepelný efekt v systéme tuhnutia, znižuje stupeň podchladenia a tým znižuje rýchlosť nukleácie. Preto je krivka vzťahu medzi intenzitou magnetického poľa a efektom zjemňovania zŕn krivkou s extrémnou hodnotou.

Okrem toho môžu pulzné magnetické polia v tavenine generovať aj pulzné vírivé prúdy. Interakcia medzi vírivými prúdmi a magnetickým poľom vytvára Lorentzove sily a magnetické tlaky, ktoré sa intenzívne menia a sú oveľa silnejšie ako dynamický tlak kovovej taveniny. To spôsobuje intenzívne vibrácie kovovej taveniny, zvyšuje stupeň podchladenia počas tuhnutia, zlepšuje rýchlosť nukleácie a spôsobuje nútenú konvekciu v tavenine, čím zabraňuje rastu alebo lámaniu a drveniu dendritov. Častice rozbitých dendritov plávajú v kvapaline na kryštalizačnom čele a stávajú sa novými rastovými jadrami. Preto čím silnejšia je intenzita pulznej magnetickej indukcie, tým výraznejší je efekt zjemňovania zŕn.

2.3.3 Ultrazvukové ošetrenie

Ultrazvukové spracovanie využíva efekty akustickej kavitácie a akustického prúdenia, ktoré vznikajú pri šírení ultrazvukových vĺn v kvapaline, na dosiahnutie zjemnenia zrna. Keď ultrazvukové vlny pôsobia na kovovú taveninu, molekuly kvapaliny sú vystavené pôsobeniu periodického striedavého zvukového poľa, ktoré vytvára efekty akustickej kavitácie a akustického prúdenia. Tieto efekty môžu spôsobiť zmeny v poli prúdenia, tlakovom poli a teplotnom poli v tavenine, čo vedie k lokálnym efektom vysokej teploty a vysokého tlaku. Vibrácie kvapaliny spôsobujú, že sa dendritické ramená oddelia od frontu tuhnutia a pôsobia ako heterogénne nukleačné jadrá v tavenine, a disperzný účinok ultrazvukových vĺn na taveninu spôsobuje rovnomernejšie rozloženie častíc. Okrem toho môže ultrazvuková metalurgia odstraňovať aj plyn a trosku, čo je technológia čistenia taveniny.

3. Vplyv zjemňovania zrna na ukazovatele magnetického výkonu liatych Alnico magnetov

3.1 Donucovacie opatrenia

Koercitivita je dôležitým ukazovateľom na meranie schopnosti permanentného magnetu odolávať demagnetizácii. Zjemnenie zŕn môže výrazne zlepšiť koercivitu Alnico magnetov. V hrubozrnnej štruktúre sa magnetické doménové steny môžu ľahko pohybovať cez hranice zŕn, čím sa magnet stáva náchylnejším na demagnetizáciu. Po zjemnení zŕn sa počet hraníc zŕn zvyšuje a hranice zŕn môžu pôsobiť ako centrá pripnutia pre magnetické doménové steny, čo bráni ich pohybu. Preto je na pohyb magnetických doménových stien potrebné väčšie vonkajšie magnetické pole, to znamená, že koercitivita magnetu sa zvyšuje.

Napríklad v magnetoch Alnico 5 je možné pomocou vhodných procesov zjemňovania zŕn zvýšiť koercitivitu z pôvodnej hodnoty na vyššiu úroveň, čím sa zvýši schopnosť magnetu udržiavať si svoje magnetické vlastnosti v prítomnosti reverzných magnetických polí alebo vonkajších rušení.

3.2 Remanencia

Remanencia sa vzťahuje na intenzitu magnetickej indukcie, ktorá zostáva v magnete po odstránení vonkajšieho magnetického poľa na nulu. Zjemnenie zŕn môže mať tiež pozitívny vplyv na remanenciu Alnico magnetov. Rovnomernejšia mikroštruktúra získaná zjemnením zŕn môže znížiť rozptyl magnetických momentov a dosiahnuť, aby magnetické momenty boli viac zarovnané v rovnakom smere, čím sa zvýši remanencia magnetu.

Okrem toho môže zjemnenie zrna znížiť aj počet defektov, ako sú póry a inklúzie v magnete. Tieto defekty môžu narušiť usporiadanie magnetických domén a znížiť remanenciu. Odstránením alebo znížením týchto defektov možno ďalej zlepšiť remanenciu magnetu.

3.3 Maximálny súčin magnetickej energie

Maximálny magnetický energetický produkt je komplexný ukazovateľ, ktorý odráža kapacitu permanentného magnetu na akumuláciu energie. Je úmerný súčinu remanencie a druhej mocniny koercivity. Keďže zjemnenie zrna môže zlepšiť koercivitu aj remanenciu Alnico magnetov, nevyhnutne to povedie k zvýšeniu maximálneho magnetického energetického produktu.

Vyšší maximálny magnetický energetický produkt znamená, že magnet dokáže uložiť a vydať viac magnetickej energie v rovnakom objeme, čo je veľmi dôležité pre aplikácie, ktoré vyžadujú vysoký magnetický energetický výstup, ako sú elektromotory a generátory. Napríklad pri konštrukcii vysokoúčinných elektromotorov môže použitie Alnico magnetov s vyšším maximálnym magnetickým energetickým produktom znížiť veľkosť a hmotnosť motora a zároveň zlepšiť jeho výkon.

4. Analýza prípadu

4.1 Prípad 1: Zjemnenie zŕn magnetov Alnico 5 chemickou úpravou

V istom podniku na výrobu magnetov Alnico sa s cieľom zlepšiť magnetické vlastnosti magnetov Alnico 5 použilo chemické spracovanie na zjemnenie zrna. Zvoleným očkovacím činidlom bola zlúčenina obsahujúca prvky Ti a B. Počas výrobného procesu sa do taveniny Alnico pridalo vhodné množstvo očkovacieho činidla podľa hmotnosti taveniny.

Po stuhnutí a následnom tepelnom spracovaní bola mikroštruktúra magnetov Alnico 5 pozorovaná pomocou metalografického mikroskopu. Zistilo sa, že veľkosť zŕn magnetov ošetrených inokulantom bola výrazne menšia ako u neošetrených magnetov. Priemerná veľkosť zŕn sa znížila z približne 100 μm na približne 30 μm.

Testy magnetických vlastností ukázali, že koercivita magnetov Alnico 5 so zjemnenými zrnami sa zvýšila z 52 kA/m na 60 kA/m, remanencia sa zvýšila z 1,2 T na 1,25 T a maximálny produkt magnetickej energie sa zvýšil zo 40 kJ/m³ na 48 kJ/m³. To naznačuje, že chemická úprava vhodným očkovacím činidlom môže účinne zjemniť zrná magnetov Alnico 5 a výrazne zlepšiť ich magnetické vlastnosti.

4.2 Prípad 2: Zjemnenie zŕn magnetov Alnico 8 ultrazvukovým spracovaním

V inom výskumnom projekte sa ultrazvukové spracovanie použilo na zjemnenie zrna magnetov Alnico 8. Počas procesu tuhnutia taveniny Alnico 8 sa do taveniny vložila ultrazvuková sonda a po určitý čas sa na ňu aplikovali ultrazvukové vlny s určitým výkonom a frekvenciou.

Metalografická analýza ukázala, že zrná magnetov Alnico 8 ošetrených ultrazvukom boli oveľa jemnejšie ako zrná neošetrených magnetov. Ultrazvukové ošetrenie rozbilo dendrity v tavenine, zvýšilo počet jadier a dosiahlo zjemnenie zŕn.

Merania magnetických vlastností ukázali, že koercivita ultrazvukom ošetrených magnetov Alnico 8 sa zvýšila zo 140 kA/m na 160 kA/m, remanencia sa zvýšila z 1,0 T na 1,05 T a maximálny produkt magnetickej energie sa zvýšil zo 60 kJ/m³ na 70 kJ/m³. To dokazuje, že ultrazvukové ošetrenie je účinnou metódou zjemňovania zrna magnetov Alnico 8 a môže výrazne zlepšiť ich magnetický výkon.

5. Záver a výhľad

Zjemňovanie zrna je dôležitým prostriedkom na zlepšenie magnetických vlastností liatych Alnico magnetov. Chemické spracovanie, mechanické vibrácie a miešanie a ošetrenie vonkajším fyzikálnym poľom sú účinné procesy zjemňovania zrna. Chemické spracovanie je jednoduché na vykonanie a má významný zjemňujúci účinok, ale výber a pridávanie očkovadiel je potrebné prísne kontrolovať. Mechanické vibrácie a miešanie môžu dosiahnuť zjemnenie zrna fyzikálnymi prostriedkami, ale môžu spôsobiť určité chyby. Ošetrenie vonkajším fyzikálnym poľom, ako je ošetrenie prúdom, ošetrenie magnetickým poľom a ultrazvukom, má výhody v tom, že je šetrné k životnému prostrediu a ľahko sa používa a má veľký potenciál pre rozvoj.

Zjemnenie zrna môže zlepšiť koercivitu, remanenciu a maximálny magnetický energetický produkt Alnico magnetov, vďaka čomu sú vhodnejšie pre vysokovýkonné magnetické aplikácie. V budúcom výskume je možné ďalej preskúmať nasledujúce aspekty:

• Optimalizovať procesy zjemňovania zrna, ako je štúdium optimálnych parametrov chemického spracovania, mechanických vibrácií a miešania a vonkajšieho fyzikálneho poľa na dosiahnutie najlepšieho účinku zjemňovania zrna.
• Vyvinúť nové a účinnejšie očkovacie látky alebo činidlá na zjemňovanie zrna s cieľom zlepšiť účinnosť zjemňovania a znížiť náklady.
• Kombinujte rôzne metódy zjemňovania zrna, aby ste naplno využili ich príslušné výhody a ďalej zlepšili magnetické vlastnosti Alnico magnetov.
• Preštudujte vzťah medzi zjemňovaním zrna a ďalšími faktormi, ako je tepelné spracovanie, zloženie zliatiny a technológia spracovania, aby ste komplexne zlepšili výkon magnetov Alnico.

Záverom možno povedať, že prostredníctvom neustáleho výskumu a inovácií v procesoch zjemňovania zŕn je možné neustále zlepšovať magnetické vlastnosti liatych Alnico magnetov, čím sa rozširuje ich rozsah použitia a podporuje sa rozvoj odvetvia permanentných magnetov.