Процеси рафинирања зрна и побољшања магнетних перформанси код ливених алнико магнета

Апстракт

Алнико магнети, као један од најраније развијених сталних магнетних материјала, имају јединствене предности у магнетним применама на високим температурама и високој стабилности. Пречишћавање зрна је важно средство за побољшање магнетних својстава Алнико магнета. Овај рад пружа детаљну анализу процеса пречишћавања зрна ливених Алнико магнета, укључујући хемијску обраду, механичке вибрације и мешање, као и обраду спољашњим физичким пољем. Такође истражује утицај пречишћавања зрна на кључне индикаторе магнетних перформанси као што су коерцитивност, реманенција и максимални магнетни енергетски производ, и радује се будућим правцима истраживања у овој области.

Кључне речи

Ливени алнико магнети; Рафинирање зрна; Магнетне перформансе; Хемијски третман; Третман спољашњим физичким пољем

1. Увод

Алнико магнети, које је развио јапански металург Мишима Токушичи 1932. године, некада су били доминантна снага у индустрији перманентних магнета пре појаве материјала од ретких земних елемената. Алнико магнети су познати по својој високој Киријевој температури до 890 °C, што им даје одличну отпорност на високе температуре и стабилност. Такође имају добру отпорност на корозију, што обезбеђује дугорочну поузданост у тешким условима. Иако је тржишни удео Алнико магнета смањен јефтиним синтерованим феритима и високоперформансним перманентним магнетима од ретких земних елемената, они и даље имају јединствене предности у применама на високим температурама изнад 500 °C и широко се користе у сценаријима који захтевају високу стабилност и издржљивост, као што су звучници, ват-сатни бројачи, електромотори, генератори и алтернатори.

Магнетна својства Alnico магнета су уско повезана са њиховом микроструктуром, а пречишћавање зрна је ефикасан начин за побољшање њихових магнетних својстава. Смањењем величине зрна повећава се број граница зрна, што може ометати кретање зидова магнетних домена, чиме се побољшава коерцитивност. Истовремено, уједначенија микроструктура такође може побољшати реманенцију и максимални магнетни енергетски производ магнета. Стога је проучавање процеса пречишћавања зрна ливених Alnico магнета од великог значаја за побољшање њихових магнетних перформанси и проширење њиховог опсега примене.

2. Процеси рафинирања зрна ливених алнико магнета

2.1 Хемијски третман

Хемијска обрада је уобичајена метода за пречишћавање зрна у металним материјалима, а такође се широко користи у производњи ливених алнико магнета. Ова метода подразумева додавање мале количине хемијских супстанци, познатих као инокуланти или модификатори, у металну растопу. Ове супстанце могу подстаћи хетерогену нуклеацију у растопу, повећати број језгара и тиме пречистити зрна.

За Alnico магнете, избор инокуланта је кључан. Према теорији степена неусклађености решетке и емпиријској теорији електрона, различити инокуланти имају различите ефекте на хетерогену нуклеацију δ-Fe и γ-Fe. На пример, CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ и MgO имају значајан утицај на хетерогену нуклеацију δ-Fe, док су ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ и CeO₂ ефикаснији за γ-Fe.

Приликом додавања инокуланта, неопходно је осигурати да су фини и добро дисперговани у растопу. У супротном, ако се инокуланти агрегирају, они не само да могу да не успеју да префине зрна, већ и да утичу на перформансе Alnico магнета. Поред тога, количина додатог инокуланта такође мора бити прецизно контролисана. Генерално, одговарајућа количина инокуланта може постићи добар ефекат префињења зрна, али прекомерно додавање може довести до повећања неметалних инклузија у растопу, што је штетно за магнетна својства магнета.

2.2 Механичке вибрације и мешање

Механичке вибрације и мешање су физичке методе које могу постићи префињење зрна изазивањем релативног кретања између течне и чврсте фазе у металној растопини, подстичући ломљење и пролиферацију дендритних кракова.

2.2.1 Механичко мешање

Механичко мешање може створити различите степене релативног кретања између течне и чврсте фазе у растопљеном металу, односно конвективно кретање течног метала. Ово конвективно кретање може проузроковати ломљење дендритних кракова, а поломљени фрагменти дендрита могу деловати као нова језгра за раст кристала, чиме се повећава број језгара и рафинишу зрна.

Међутим, механичко мешање такође има неке недостатке. С једне стране, приликом мешања растопљеног метала, лако је увести гас, а ако се гас не може благовремено допунити растопљеним металом, могу се формирати дефекти попут пора и порозности услед скупљања. С друге стране, приликом мешања растопљених метала са високом тачком топљења, мешалица је склона хабању, што може контаминирати растопљени метал и изазвати нове проблеме са квалитетом.

2.2.2 Механичке вибрације

Механичке вибрације се такође ослањају на конвективно кретање металне растопљене материје како би се разбили дендрити и изазвала пролиферација нуклеације ради постизања пречишћавања зрна. Међутим, у практичном раду, када се фреквенција механичких вибрација повећа, ефекат пречишћавања зрна система очвршћавања (солидификације) може се смањити, а проблеми попут сегрегације карбида и растреситости у челичном инготу могу постати озбиљнији.

2.3 Третман спољашњим физичким пољем

Спољна обрада физичким пољем је перспективна технологија рафинирања зрна, која има предности еколошке прихватљивости и једноставности рада. Углавном обухвата струјну обраду, обраду магнетним пољем и ултразвучну обраду.

2.3.1 Тренутни третман

Када брзо променљива јака импулсна струја прође кроз металну растопину, у растопини ће се генерисати брзо променљиво јако импулсно магнетно поље. Интеракција између јаке импулсне струје и јаког импулсног магнетног поља произвешће јаку силу контракције у металној растопини, узрокујући да се растопина више пута компресује и помера напред-назад у смеру нормалном на струју. Ово кретање напред-назад не само да може разбити дендритичне кристале, већ и учинити да растопина брзо изгуби прегревање и повећа брзину нуклеације. Стога, што је импулсна струја јача, то је значајнији ефекат пречишћавања зрна.

2.3.2 Третман магнетним пољем

Када се метална растопљеност стврдне у наизменичном магнетном пољу, у систему очвршћавања ће се генерисати индукована струја. Интеракција између магнетног поља и индуковане струје произвешће електромагнетну силу, која ће притискати метал ка оси или га одвлачити од ње дуж радијалног правца, узрокујући правилне флуктуације у систему очвршћавања. Ова флуктуација има сличан ефекат као и обично коришћена појачана конвекција, тако да наизменично магнетно поље има ефекат пречишћавања зрна.

Са становишта ефекта флуктуације изазваног магнетним пољем, што је јачи интензитет магнетне индукције, то је већи електромагнетни притисак, а самим тим и интензивнија флуктуација, а самим тим и бољи ефекат пречишћавања зрна. Међутим, када се интензитет магнетне индукције повећа, индукована струја се такође пропорционално повећава, што ће сходно томе повећати термички ефекат у систему очвршћавања, смањити степен потхлађивања и тиме смањити брзину нуклеације. Стога је крива односа између интензитета магнетног поља и ефекта пречишћавања зрна крива са екстремном вредношћу.

Поред тога, импулсна магнетна поља такође могу генерисати импулсне вртложне струје у растопу. Интеракција између вртложних струја и магнетног поља производи Лоренцове силе и магнетне притиске, који се интензивно мењају и много су јачи од динамичког притиска металне растопљене материје. Ово узрокује интензивне вибрације металне растопљене материје, повећавајући степен потхлађивања током очвршћавања, побољшавајући брзину нуклеације и изазивајући присилну конвекцију у растопљеној материји, спречавајући раст или ломљење и дробљење дендрита. Честице поломљених дендрита плутају у течности на фронту кристализације и постају нова језгра раста. Стога, што је јачи интензитет импулсне магнетне индукције, то је значајнији ефекат пречишћавања зрна.

2.3.3 Ултразвучни третман

Ултразвучна обрада користи ефекте акустичне кавитације и акустичног струјања који настају када се ултразвучни таласи шире у течности како би се постигло пречишћавање зрна. Када ултразвучни таласи делују на металну растопину, молекули течности су изложени дејству периодичног наизменичног звучног поља, генеришући ефекте акустичне кавитације и акустичног струјања. Ови ефекти могу изазвати промене у пољу протока, пољу притиска и температурном пољу у растопини, стварајући локалне ефекте високе температуре и високог притиска. Вибрација течности узрокује да се дендритни кракови одвоје од фронта очвршћавања и делују као хетерогена језгра нуклеације у растопини, а диспергујући ефекат ултразвучних таласа на растоп чини да се честице равномерније распоређују. Поред тога, ултразвучна металургија такође може уклонити гас и шљаку, што је технологија пречишћавања растопа.

3. Утицај рафинирања зрна на индикаторе магнетних перформанси ливених алнико магнета

3.1 Присила

Коерцитивност је важан индикатор за мерење способности перманентног магнета да се одупре демагнетизацији. Пречишћавање зрна може значајно побољшати коерцитивност Alnico магнета. У крупнозрној структури, зидови магнетних домена могу се лако кретати преко граница зрна, чинећи магнет подложнијим демагнетизацији. Након пречишћавања зрна, број граница зрна се повећава, а границе зрна могу деловати као центри за затезање зидова магнетних домена, ометајући њихово кретање. Стога је потребно веће спољашње магнетно поље да би се померили зидови магнетних домена, односно коерцитивност магнета се повећава.

На пример, код Alnico 5 магнета, кроз одговарајуће процесе пречишћавања зрна, коерцитивност се може повећати са оригиналне вредности на виши ниво, побољшавајући способност магнета да одржи своја магнетна својства у присуству обрнутих магнетних поља или спољашњих поремећаја.

3.2 Реманенција

Реманенција се односи на интензитет магнетне индукције који остаје у магнету након што се спољашње магнетно поље уклони на нулу. Пречишћавање зрна такође може имати позитиван утицај на пречишћавање Alnico магнета. Уједначенија микроструктура добијена пречишћавањем зрна може смањити расејање магнетних момената и учинити магнетне моменте усклађенијим у истом смеру, чиме се повећава пречишћавање магнета.

Поред тога, рафинирање зрна може смањити и број дефеката као што су поре и инклузије у магнету. Ови дефекти могу пореметити поравнање магнетних домена и смањити реманенцију. Елиминисањем или смањењем ових дефеката, реманенција магнета се може додатно побољшати.

3.3 Максимални производ магнетне енергије

Максимални магнетни енергетски производ је свеобухватан индикатор који одражава капацитет складиштења енергије сталног магнета. Пропорционалан је производу реманенције и квадрата коерцитивности. Пошто рафинирање зрна може побољшати и коерцитивност и реманенцију Alnico магнета, то ће неизбежно довести до повећања максималног магнетног енергетског производа.

Већи максимални производ магнетне енергије значи да магнет може да складишти и емитује више магнетне енергије под истом запремином, што је веома важно за примене које захтевају висок излаз магнетне енергије, као што су електромотори и генератори. На пример, у дизајну високоефикасних електромотора, коришћење Alnico магнета са већим максималним производом магнетне енергије може смањити величину и тежину мотора, а истовремено побољшати његове перформансе.

4. Анализа случаја

4.1 Случај 1: Рафинисање зрна Alnico 5 магнета хемијским третманом

У једном предузећу за производњу Alnico магнета, како би се побољшала магнетна својства Alnico 5 магнета, усвојен је хемијски третман за рафинирање зрна. Изабрани инокулант је био једињење које садржи Ti и B елементе. Током производног процеса, одговарајућа количина инокуланта је додата у растоп Alnico према тежини растопа.

Након очвршћавања и накнадне термичке обраде, микроструктура Alnico 5 магнета је посматрана помоћу металографског микроскопа. Утврђено је да је величина зрна магнета третираних инокулантом била знатно мања него код необрађених магнета. Просечна величина зрна се смањила са око 100 μm на око 30 μm.

Тестови магнетних својстава показали су да се коерцитивност Alnico 5 магнета рафинисаних зрна повећала са 52 kA/m на 60 kA/m, реманенција се повећала са 1,2 T на 1,25 T, а максимални магнетни енергетски производ се повећао са 40 kJ/m³ на 48 kJ/m³. Ово указује да хемијска обрада одговарајућим инокулантом може ефикасно рафинисати зрна Alnico 5 магнета и значајно побољшати њихова магнетна својства.

4.2 Случај 2: Рафинисање зрна Alnico 8 магнета ултразвучном обрадом

У другом истраживачком пројекту, ултразвучна обрада је примењена на рафинирање зрна магнета Alnico 8. Током процеса очвршћавања растопа Alnico 8, ултразвучна сонда је уметнута у растоп, а ултразвучни таласи одређене снаге и фреквенције су примењивани током одређеног временског периода.

Металографска анализа је показала да су зрна Alnico 8 магнета третираних ултразвуком била много финија од оних код необрађених магнета. Ултразвучни третман је разбио дендрите у растопу, повећао број језгара и постигло префињење зрна.

Мерења магнетних својстава су показала да се коерцитивност ултразвучно третираних Alnico 8 магнета повећала са 140 kA/m на 160 kA/m, реманенција се повећала са 1,0 T на 1,05 T, а максимални магнетни енергетски производ се повећао са 60 kJ/m³ на 70 kJ/m³. Ово показује да је ултразвучна обрада ефикасна метода пречишћавања зрна за Alnico 8 магнете и да може значајно побољшати њихове магнетне перформансе.

5. Закључак и перспективе

Пречишћавање зрна је важно средство за побољшање магнетних својстава ливених Alnico магнета. Хемијска обрада, механичке вибрације и мешање, као и обрада спољашњим физичким пољем су ефикасни процеси пречишћавања зрна. Међу њима, хемијска обрада је једноставна за извођење и има значајан ефекат пречишћавања, али избор и количина доданих инокуланата морају бити строго контролисани. Механичке вибрације и мешање могу постићи пречишћавање зрна физичким средствима, али могу довести до неких недостатака. Обрада спољашњим физичким пољем, као што је обрада струјом, обрада магнетним пољем и ултразвучна обрада, има предности јер је еколошки прихватљива и једноставна за руковање, и има велики потенцијал за развој.

Пречишћавање зрна може побољшати коерцитивност, реманенцију и максимални магнетни енергетски производ Alnico магнета, чинећи их погоднијим за магнетне примене високих перформанси. У будућим истраживањима, следећи аспекти могу се даље истражити:

• Оптимизујте процесе пречишћавања зрна, као што је проучавање оптималних параметара хемијске обраде, механичких вибрација и мешања, и обраде спољашњим физичким пољем како бисте постигли најбољи ефекат пречишћавања зрна.
• Развити нове и ефикасније инокуланте или средства за пречишћавање зрна како би се побољшала ефикасност пречишћавања и смањили трошкови.
• Комбинујте различите методе пречишћавања зрна како бисте у потпуности искористили њихове предности и додатно побољшали магнетна својства Алнико магнета.
• Проучите везу између пречишћавања зрна и других фактора као што су термичка обрада, састав легуре и технологија обраде како бисте свеобухватно побољшали перформансе Alnico магнета.

Закључно, кроз континуирано истраживање и иновације у процесима рафинирања зрна, магнетна својства ливених Алнико магнета могу се континуирано побољшавати, проширујући њихов опсег примене и промовишући развој индустрије перманентних магнета.