Утицај јачине магнетног поља и брзине очвршћавања на степен оријентације у усмереном очвршћавању (оријентација магнетног поља) алнико магнета

Алнико магнети, као врста сталног магнета са одличним перформансама, широко се користе у различитим областима као што су мотори, сензори и аудио опрема. Процес усмереног очвршћавања са оријентацијом магнетног поља је кључна технологија за припрему високоперформансних Алнико магнета. Овај процес може ефикасно контролисати кристалну оријентацију легуре, чиме се побољшавају њена магнетна својства. Овај чланак ће се бавити утицајем јачине магнетног поља и брзине очвршћавања на степен оријентације у процесу усмереног очвршћавања Алнико магнета.

1. Основе усмереног очвршћавања са оријентацијом магнетног поља

1.1 Основни принципи усмереног очвршћавања

Усмерено очвршћавање је процес очвршћавања који контролише смер раста кристала успостављањем специфичног температурног градијента у растопљеном металу. У овом процесу, граница чврсто-течно стање се креће у одређеном смеру, омогућавајући кристалима да преференцијално расту дуж одређеног правца, на крају формирајући стубасту или монокристалну структуру. Ова структура има значајне предности у погледу механичких и магнетних својстава.

1.2 Улога оријентације магнетног поља

Када се магнетно поље примени током процеса усмереног очвршћавања, магнетни анизотропни кристали биће изложени магнетном моменту. Због разлике у магнетној сусцептибилности дуж различитих кристалних оса, кристали ће се ротирати под дејством магнетног момента како би се минимизирала њихова магнетна енергија, чиме се постиже оријентација. Код Alnico легура, главне фазе као што су α-Fe и NiAl имају очигледну магнетну анизотропију, што их чини погодним за третман оријентацијом магнетног поља.

2. Утицај јачине магнетног поља на степен оријентације

2.1 Теоријска анализа утицаја јачине магнетног поља

Магнетни обртни момент који делује на магнетни анизотропни кристал у магнетном пољу може се изразити као:

где:

• τ је магнетни обртни момент,
• μ0​ је пермеабилност вакуума,
• V је запремина кристала,
• Δχ је разлика у магнетној сусцептибилности између различитих кристалних оса,
• H је јачина магнетног поља,
• θ је угао између осе лаке магнетизације кристала и правца магнетног поља.

Из формуле се може видети да је магнетни обртни момент директно пропорционалан јачини магнетног поља H. Како се јачина магнетног поља повећава, повећава се и магнетни обртни момент који делује на кристал, што кристалу олакшава да превазиђе отпор растопљеног метала и ротира како би поравнао своју осу лаке магнетизације са правцем магнетног поља, чиме се побољшава степен оријентације.

2.2 Експериментална верификација утицаја јачине магнетног поља

Експерименталне студије су показале да у процесу усмереног очвршћавања алнико легура, када је јачина магнетног поља ниска (нпр. мања од 1Т), степен оријентације кристала споро расте са повећањем јачине магнетног поља. То је зато што је при ниским јачинама магнетног поља магнетни обртни момент релативно мали, а кристали су изложени већем отпору растопљеног метала, што отежава ефикасну ротацију.

Када се јачина магнетног поља повећа до одређеног опсега (нпр. 1-5 Т), степен оријентације кристала значајно се повећава са повећањем јачине магнетног поља. У овом опсегу, магнетни обртни момент је довољан да превазиђе отпор растопљеног метала, омогућавајући кристалима да се ефикасно ротирају и поравнавају.

Међутим, када је јачина магнетног поља превисока (нпр. већа од 5T), повећање степена оријентације кристала се успорава или чак тежи стабилизацији. То је зато што када јачина магнетног поља достигне одређени ниво, кристали су у основи завршили своју оријентацију и даље повећање јачине магнетног поља неће значајно побољшати степен оријентације. Штавише, претерано висока јачина магнетног поља може донети и неке негативне ефекте, као што су повећање трошкова опреме и потрошње енергије у процесу.

2.3 Праговни ефекат јачине магнетног поља

У процесу усмереног очвршћавања Alnico легура, постоји гранична јачина магнетног поља за оријентацију различитих фаза. На пример, за AlNi фазу у Alnico легурама, њена гранична јачина магнетног поља оријентације расте са повећањем садржаја Ni у легури и смањује се са повећањем температуре загревања у получврстом стању. Ово указује да на оријентацију AlNi фазе утичу фактори као што су број, величина и вискозност течног метала.

3. Утицај брзине очвршћавања на степен оријентације

3.1 Теоријска анализа утицаја брзине очвршћавања

Брзина очвршћавања односи се на брзину којом се чврсто-течна граница креће током процеса очвршћавања. Она има значајан утицај на микроструктуру и степен оријентације легуре. Према теорији очвршћавања, брзина очвршћавања утиче на морфологију раста и оријентацију кристала утицајем на температурни градијент и брзину хлађења на граници чврсто-течно стање.

Када је брзина очвршћавања ниска, градијент температуре на граници чврста-течна фаза је релативно мали, а брзина хлађења је спора. У овом случају, кристали имају довољно времена за раст и ротацију, што доприноси побољшању степена оријентације. Међутим, прениска брзина очвршћавања може довести и до проблема као што су крупна зрна и озбиљна сегрегација, што не доприноси побољшању укупних перформанси легуре.

Када је брзина очвршћавања висока, градијент температуре на граници чврсто-течно стање је релативно велики, а брзина хлађења је брза. У овом случају, време раста кристала је скраћено, а ротација је ограничена, што може смањити степен оријентације. Међутим, висока брзина очвршћавања може пречистити зрна и смањити сегрегацију, што је корисно за побољшање механичких својстава легуре.

3.2 Експериментална верификација утицаја брзине очвршћавања

Експерименталне студије су показале да у процесу усмереног очвршћавања Alnico легура, веза између брзине очвршћавања и степена оријентације није линеарна. Када је брзина очвршћавања у одређеном опсегу, степен оријентације је релативно висок. Када је брзина очвршћавања нижа или виша од овог опсега, степен оријентације ће се смањити.

На пример, код усмереног очвршћавања легура Alnico 8, када се брзина очвршћавања контролише на око 10-50 μm/s, може се постићи релативно висок степен оријентације. Када је брзина очвршћавања нижа од 10 μm/s, иако кристали имају довољно времена за ротацију, крупна зрна и озбиљна сегрегација узрокована ниском брзином очвршћавања смањиће укупне перформансе легуре, укључујући магнетна својства. Када је брзина очвршћавања већа од 50 μm/s, ограничена ротација кристала због брзе брзине очвршћавања довешће до смањења степена оријентације.

3.3 Утицај брзине очвршћавања на размак између дендрита

Брзина очвршћавања такође утиче на растојање између дендрита легуре. Растојање између дендрита се односи на растојање између суседних дендрита. Генерално, растојање између дендрита се смањује са повећањем брзине очвршћавања. Када је брзина очвршћавања ниска, растојање између дендрита је велико и кристали имају више простора за раст и ротацију, што доприноси побољшању степена оријентације. Међутим, када је брзина очвршћавања висока, растојање између дендрита је мало, а раст и ротација кристала су ограничени, што може смањити степен оријентације.

Међутим, треба напоменути да иако мали размак између дендрита може донекле ограничити ротацију кристала, он такође може побољшати механичка својства легуре рафинирањем зрна. Стога је у практичној производњи потребно направити компромис између степена оријентације и механичких својстава разумном контролом брзине очвршћавања.

4. Утицај спрезања јачине магнетног поља и брзине очвршћавања на степен оријентације

4.1 Синергистички ефекат

У процесу усмереног очвршћавања алнико легура, јачина магнетног поља и брзина очвршћавања имају спрежујући ефекат на степен оријентације. Када је јачина магнетног поља фиксирана, одговарајуће повећање брзине очвршћавања може побољшати температурни градијент на граници чврсто-течно, што погодује формирању стабилне границе чврсто-течно и расту оријентисаних кристала. Међутим, ако је брзина очвршћавања превисока, ограничена ротација кристала због брзе брзине очвршћавања ће надокнадити позитиван ефекат оријентације магнетног поља, што ће довести до смањења степена оријентације.

Слично томе, када је брзина очвршћавања фиксна, одговарајуће повећање јачине магнетног поља може повећати магнетни обртни момент који делује на кристале, подстичући њихову ротацију и поравнање. Међутим, ако је јачина магнетног поља превисока, негативни ефекти као што су повећани трошкови опреме и потрошња енергије могу надмашити позитиван ефекат побољшања степена оријентације.

4.2 Оптимизација параметара процеса

Да би се постигао висок степен оријентације у процесу усмереног очвршћавања легура Alnico, неопходно је оптимизовати параметре процеса као што су јачина магнетног поља и брзина очвршћавања. Кроз велики број експеримената и симулација, оптимална комбинација јачине магнетног поља и брзине очвршћавања може се одредити на основу специфичног састава и захтева за перформансама легуре.

На пример, за легуре Alnico 8, експерименталним истраживањем је утврђено да када се јачина магнетног поља контролише на око 3-5T и брзина очвршћавања контролише на око 20-40 μm/s, може се постићи релативно висок степен оријентације и добре свеобухватне перформансе.

5. Анализа случаја

5.1 Експериментална поставка

Да би се проверио утицај јачине магнетног поља и брзине очвршћавања на степен оријентације у процесу усмереног очвршћавања легура Alnico, спроведена је серија експеримената. Експериментална опрема је углавном обухватала пећ за усмерено очвршћавање, уређај за генерисање магнетног поља и систем за контролу температуре.

Експериментални материјали биле су легуре Alnico 8 специфичног састава. Узорци су стављени у лончић и загрејани до растопљеног стања у пећи за усмерено очвршћавање. Затим је примењено магнетно поље одређене јачине, и узорци су очвршћени специфичном брзином очвршћавања.

5.2 Експериментални резултати и анализа

5.2.1 Утицај јачине магнетног поља

Експериментални резултати су показали да када је брзина очвршћавања фиксирана на 30 μm/s, како се јачина магнетног поља повећавала од 1T до 5T, степен оријентације кристала се значајно повећавао. Када је јачина магнетног поља била 1T, степен оријентације је био релативно низак, само око 60%. Када се јачина магнетног поља повећала на 3T, степен оријентације се повећао на око 80%. Када се јачина магнетног поља додатно повећала на 5T, степен оријентације је достигао око 90%, а затим је тежио да се стабилизује.

5.2.2 Утицај брзине очвршћавања

Када је јачина магнетног поља фиксирана на 4T, како се брзина очвршћавања повећавала са 10 μm/s на 50 μm/s, степен оријентације се прво повећавао, а затим смањивао. Када је брзина очвршћавања била 10 μm/s, степен оријентације је био око 75%. Када се брзина очвршћавања повећала на 30 μm/s, степен оријентације је достигао максималну вредност од око 90%. Када се брзина очвршћавања додатно повећала на 50 μm/s, степен оријентације се смањио на око 80%.

5.2.3 Ефекат спрезања

Даљом анализом експерименталних података, утврђено је да постоји оптимална комбинација јачине магнетног поља и брзине очвршћавања за добијање највишег степена оријентације. У овом експерименту, када је јачина магнетног поља била 4T, а брзина очвршћавања 30 μm/s, степен оријентације је достигао максималну вредност од око 90%. Ово је потврдило ефекат спрезања јачине магнетног поља и брзине очвршћавања на степен оријентације.

6. Закључак и перспективе

6.1 Закључак

У процесу усмереног очвршћавања Alnico магнета, јачина магнетног поља и брзина очвршћавања имају значајан утицај на степен оријентације. Одговарајуће повећање јачине магнетног поља може повећати магнетни обртни момент који делује на кристале, подстичући њихову ротацију и поравнање, али претерано висока јачина магнетног поља може донети негативне ефекте. Одговарајуће повећање брзине очвршћавања може побољшати температурни градијент на граници чврсто-течно стање, што је погодно за раст оријентисаних кристала, али превисока брзина очвршћавања ће ограничити ротацију кристала и смањити степен оријентације. Постоји ефекат спрезања између јачине магнетног поља и брзине очвршћавања, а оптимална комбинација ова два фактора може се одредити експериментима и симулацијама како би се добио највиши степен оријентације.

6.2 Изгледи

У будућности, са континуираним развојем науке о материјалима и електромагнетне технологије, процес усмереног очвршћавања са оријентацијом магнетног поља Alnico магнета биће додатно оптимизован. С једне стране, истраживање нових уређаја за генерисање магнетног поља и технологија управљања могу пружити прецизније и стабилније услове магнетног поља за процес усмереног очвршћавања. С друге стране, комбинација нумеричке симулације и експерименталног истраживања може дубље открити механизам утицаја јачине магнетног поља и брзине очвршћавања на степен оријентације, пружајући научнију основу за оптимизацију процеса. Поред тога, истраживање нових састава Alnico легура и примена нових технологија припреме такође ће промовисати континуирано побољшање перформанси Alnico магнета.