Kornförfiningsprocesser och magnetiska prestandaförbättringar i gjutna Alnico-magneter

Abstrakt

Alnicomagneter, som ett av de tidigast utvecklade permanentmagnetiska materialen, har unika fördelar i magnetiska tillämpningar med hög temperatur och hög stabilitet. Kornförfining är ett viktigt sätt att förbättra de magnetiska egenskaperna hos Alnicomagneter. Denna artikel ger en djupgående analys av kornförfiningsprocesserna hos gjutna Alnicomagneter, inklusive kemisk behandling, mekanisk vibration och omrörning, samt behandling i externt fysiskt fält. Den undersöker också effekten av kornförfining på viktiga magnetiska prestandaindikatorer såsom koercitivitet, remanens och maximal magnetisk energiprodukt, och ser fram emot framtida forskningsinriktningar inom detta område.

Nyckelord

Gjutna Alnico-magneter; Kornförfining; Magnetisk prestanda; Kemisk behandling; Extern fysisk fältbehandling

1. Introduktion

Alnicomagneter, utvecklade av den japanske metallurgen Mishima Tokushichi år 1932, var en gång den dominerande kraften inom permanentmagnetindustrin innan permanentmagnetmaterial av sällsynta jordartsmetaller uppstod. Alnicomagneter är kända för sin höga Curie-temperatur på upp till 890 °C, vilket ger dem utmärkt högtemperaturbeständighet och stabilitet. De har också god korrosionsbeständighet, vilket säkerställer långsiktig tillförlitlighet i tuffa miljöer. Även om marknadsandelen för Alnicomagneter har minskat tack vare billiga sintrade ferriter och högpresterande permanentmagneter av sällsynta jordartsmetaller, har de fortfarande unika fördelar i högtemperaturapplikationer över 500 °C och används ofta i scenarier som kräver hög stabilitet och hållbarhet, såsom högtalare, wattimmätare, elmotorer, generatorer och generatorer.

De magnetiska egenskaperna hos Alnico-magneter är nära relaterade till deras mikrostruktur, och kornförfining är ett effektivt sätt att förbättra deras magnetiska egenskaper. Genom att minska kornstorleken ökar antalet korngränser, vilket kan hindra rörelsen hos magnetiska domänväggar och därigenom förbättra koercitiviteten. Samtidigt kan en mer enhetlig mikrostruktur också förbättra magnetens remanens och maximala magnetiska energiprodukt. Därför är det av stor betydelse att studera kornförfiningsprocesserna hos gjutna Alnico-magneter för att förbättra deras magnetiska prestanda och utöka deras tillämpningsområde.

2. Kornförfiningsprocesser för gjutna Alnico-magneter

2.1 Kemisk behandling

Kemisk behandling är en vanlig metod för kornförfining i metallmaterial, och den används också flitigt vid tillverkning av gjutna Alnico-magneter. Denna metod innebär att en liten mängd kemiska ämnen, så kallade inokulanter eller modifierare, tillsätts till metallsmältan. Dessa ämnen kan främja heterogen kärnbildning i smältan, öka antalet kärnor och därmed förfina kornen.

För Alnico-magneter är valet av inokulanter avgörande. Enligt teorin om gittermissmatchningsgrad och empirisk elektronteori har olika inokulanter olika effekter på den heterogena kärnbildningen av δ-Fe och γ-Fe. Till exempel har CaS, La₂O₃, TiN, Ce₂O₃, TiC, CeO₂, Ti₂O₃, TiO₂ och MgO signifikanta effekter på den heterogena kärnbildningen av δ-Fe, medan ZrO₂, Ti₂O₃, MnS, SiO₂, CaO, Al₂O₃ och CeO₂ är mer effektiva för γ-Fe.

När man tillsätter inokulanter är det nödvändigt att säkerställa att de är fina och väl dispergerade i smältan. Annars, om inokulanterna aggregerar, kan de inte bara misslyckas med att förfina kornen utan också påverka Alnico-magneternas prestanda. Dessutom måste mängden inokulant som tillsätts kontrolleras noggrant. Generellt sett kan en lämplig mängd inokulant uppnå en god kornförfiningseffekt, men överdriven tillsats kan leda till en ökning av icke-metalliska inneslutningar i smältan, vilket är skadligt för magneternas magnetiska egenskaper.

2.2 Mekanisk vibration och omrörning

Mekanisk vibration och omrörning är fysikaliska metoder som kan uppnå kornförfining genom att orsaka relativ rörelse mellan de flytande och fasta faserna i metallsmältan, vilket främjar brott och spridning av dendritarmar.

2.2.1 Mekanisk omrörning

Mekanisk omrörning kan skapa olika grader av relativ rörelse mellan den flytande och fasta fasen i metallsmältan, det vill säga den flytande metallens konvektiva rörelse. Denna konvektiva rörelse kan orsaka att dendritarmarna går sönder, och de trasiga dendritfragmenten kan fungera som nya kärnor för kristalltillväxt, vilket ökar antalet kärnor och förfinar kornen.

Mekanisk omrörning har dock också vissa nackdelar. Å ena sidan är det lätt att införa gas vid omrörning av smältan, och om gasen inte kan kompletteras i tid med den smälta metallen kan defekter som porer och krympningsporositet bildas. Å andra sidan, vid omrörning av metallsmältor med hög smältpunkt är omröraren benägen att slitas, vilket kan förorena metallsmältan och orsaka nya kvalitetsproblem.

2.2.2 Mekanisk vibration

Mekanisk vibration är också beroende av den konvektiva rörelsen hos metallsmältan för att bryta dendriterna och orsaka kärnbildning för att uppnå kornförfining. Men i praktisk drift, när den mekaniska vibrationsfrekvensen ökar, kan kornförfiningseffekten av metallens stelnings- (X-formade) system minska, och problem som karbidsegregation och glapp i ståltackan kan bli allvarligare.

2.3 Extern fysisk fältbehandling

Extern fysikalisk fältbehandling är en lovande teknik för kornförädling, som har fördelarna att vara miljövänlig och enkel att använda. Den omfattar huvudsakligen strömbehandling, magnetfältbehandling och ultraljudsbehandling.

2.3.1 Nuvarande behandling

När en snabbt föränderlig stark pulsad ström passerar genom metallsmältan genereras ett snabbt föränderligt starkt pulserande magnetfält i smältan. Samspelet mellan den starka pulserade strömmen och det starka pulserade magnetfältet producerar en stark kontraktionskraft i metallsmältan, vilket gör att smältan upprepade gånger komprimeras och rör sig fram och tillbaka i riktning vinkelrät mot strömmen. Denna fram-och-tillbaka-rörelse kan inte bara bryta sönder de dendritiska kristallerna utan också få smältan att snabbt förlora sin överhettning och öka kärnbildningshastigheten. Ju starkare den pulserade strömmen är, desto mer betydande blir kornförfiningseffekten.

2.3.2 Magnetfältsbehandling

När metallsmältan stelnar i ett alternerande magnetfält genereras en inducerad ström i stelningssystemet. Samspelet mellan magnetfältet och den inducerade strömmen producerar en elektromagnetisk kraft som pressar metallen mot eller drar den bort från axeln längs radiell riktning, vilket orsakar regelbundna fluktuationer i stelningssystemet. Denna fluktuation har en liknande effekt som den förbättrade konvektionen som vanligtvis används, så det alternerande magnetfältet har en kornförfinande effekt.

Ur perspektivet av den fluktuationseffekt som magnetfältet orsakar, ju starkare den magnetiska induktionsintensiteten är, desto större är det elektromagnetiska trycket, och därmed desto intensivare är fluktuationen, och desto bättre blir kornförfiningseffekten. Men när den magnetiska induktionsintensiteten ökar ökar även den inducerade strömmen proportionellt, vilket i motsvarande grad ökar den termiska effekten i stelningssystemet, minskar underkylningsgraden och därmed minskar kärnbildningshastigheten. Därför är förhållandekurvan mellan magnetfältets intensitet och kornförfiningseffekten en kurva med ett extremvärde.

Dessutom kan pulserade magnetfält också generera pulserade virvelströmmar i smältan. Samspelet mellan virvelströmmarna och magnetfältet producerar Lorentzkrafter och magnetiska tryck, som förändras intensivt och är mycket starkare än det dynamiska trycket i metallsmältan. Detta orsakar intensiv vibration i metallsmältan, vilket ökar underkylningsgraden under stelningen, förbättrar kärnbildningshastigheten och orsakar forcerad konvektion i smältan, vilket förhindrar att dendriterna växer eller bryts och krossas. De trasiga dendritpartiklarna flyter i vätskan vid kristallisationsfronten och blir nya tillväxtkärnor. Ju starkare den pulserade magnetiska induktionsintensiteten är, desto mer betydande blir kornförfiningseffekten.

2.3.3 Ultraljudsbehandling

Ultraljudsbehandling utnyttjar den akustiska kavitation och de akustiska strömningseffekter som genereras när ultraljudsvågor fortplantar sig i en vätska för att uppnå kornförfining. När ultraljudsvågor verkar på metallsmältan utsätts vätskemolekylerna för ett periodiskt alternerande ljudfält, vilket genererar akustisk kavitation och akustiska strömningseffekter. Dessa effekter kan orsaka förändringar i flödesfältet, tryckfältet och temperaturfältet i smältan, vilket genererar lokala högtemperatur- och högtryckseffekter. Vätskans vibrationer får dendritarmarna att lossna från stelningsfronten och fungera som heterogena kärnbildningskärnor i smältan, och ultraljudsvågornas dispergeringseffekt på smältan gör att partiklarna fördelas mer jämnt. Dessutom kan ultraljudsmetallurgi också avlägsna gas och slagg, vilket är en smältreningsteknik.

3. Inverkan av kornförfining på magnetiska prestandaindikatorer för gjutna Alnico-magneter

3.1 Tvångskraft

Koercitivitet är en viktig indikator för att mäta en permanentmagnets förmåga att motstå avmagnetisering. Kornförfining kan avsevärt förbättra koercitiviteten hos Alnico-magneter. I en grovkornig struktur kan magnetiska domänväggar lätt röra sig över korngränser, vilket gör magneten mer mottaglig för avmagnetisering. Efter kornförfining ökar antalet korngränser, och korngränserna kan fungera som fästcentra för magnetiska domänväggar, vilket hindrar deras rörelse. Därför krävs ett större externt magnetfält för att flytta de magnetiska domänväggarna, det vill säga magnetens koercitivitet ökar.

Till exempel, i Alnico 5-magneter, kan koercitiviteten ökas från det ursprungliga värdet till en högre nivå genom lämpliga kornförfiningsprocesser, vilket förbättrar magnetens förmåga att bibehålla sina magnetiska egenskaper i närvaro av omvända magnetfält eller externa störningar.

3.2 Remanens

Remanens avser den magnetiska induktionsintensitet som finns kvar i magneten efter att det externa magnetfältet har nollställts. Kornförfining kan också ha en positiv inverkan på remanensen hos Alnico-magneter. En mer enhetlig mikrostruktur som erhålls genom kornförfining kan minska spridningen av magnetiska moment och göra de magnetiska momenten mer justerade i samma riktning, vilket ökar magnetens remanens.

Dessutom kan kornförfining också minska antalet defekter såsom porer och inneslutningar i magneten. Dessa defekter kan störa inriktningen av magnetiska domäner och minska remanensen. Genom att eliminera eller minska dessa defekter kan magnetens remanens förbättras ytterligare.

3.3 Maximal magnetisk energiprodukt

Den maximala magnetiska energiprodukten är en omfattande indikator som återspeglar energilagringskapaciteten hos en permanentmagnet. Den är proportionell mot produkten av remanensen och kvadraten av koercitiviteten. Eftersom kornförfining kan förbättra både koercitiviteten och remanensen hos Alnico-magneter, kommer det oundvikligen att leda till en ökning av den maximala magnetiska energiprodukten.

En högre maximal magnetisk energiprodukt innebär att magneten kan lagra och avge mer magnetisk energi under samma volym, vilket är mycket viktigt för applikationer som kräver hög magnetisk energi, såsom elmotorer och generatorer. Till exempel, vid konstruktion av högeffektiva elmotorer kan användning av Alnico-magneter med en högre maximal magnetisk energiprodukt minska motorns storlek och vikt samtidigt som dess prestanda förbättras.

4. Fallanalys

4.1 Fall 1: Kornförfining av Alnico 5-magneter genom kemisk behandling

I ett visst Alnico-magnettillverkningsföretag användes kemisk behandling för att förbättra de magnetiska egenskaperna hos Alnico 5-magneter för att förfina kornen. Det valda inokulanten var en förening innehållande Ti- och B-element. Under produktionsprocessen tillsattes en lämplig mängd inokulant till Alnico-smältan i enlighet med smältans vikt.

Efter stelning och efterföljande värmebehandling observerades mikrostrukturen hos Alnico 5-magneterna med hjälp av ett metallografiskt mikroskop. Det visade sig att kornstorleken hos magneterna som behandlats med inokulanten var betydligt mindre än hos de obehandlade magneterna. Den genomsnittliga kornstorleken minskade från cirka 100 μm till cirka 30 μm.

Magnetiska egenskaper tester visade att koercitiviteten hos de kornförfinade Alnico 5-magneterna ökade från 52 kA/m till 60 kA/m, remanensen ökade från 1,2 T till 1,25 T, och den maximala magnetiska energiprodukten ökade från 40 kJ/m³ till 48 kJ/m³. Detta indikerar att kemisk behandling med ett lämpligt inokulant effektivt kan förfina kornen i Alnico 5-magneter och avsevärt förbättra deras magnetiska egenskaper.

4.2 Fall 2: Kornförfining av Alnico 8-magneter genom ultraljudsbehandling

I ett annat forskningsprojekt tillämpades ultraljudsbehandling för att förfina kornen hos Alnico 8-magneter. Under stelningsprocessen av Alnico 8-smältan infördes en ultraljudssond i smältan, och ultraljudsvågor med en viss effekt och frekvens applicerades under en viss tidsperiod.

Metallografisk analys visade att kornen i de ultraljudsbehandlade Alnico 8-magneterna var mycket finare än de i de obehandlade magneterna. Ultraljudsbehandlingen bröt dendriterna i smältan, ökade antalet kärnor och uppnådde kornförfining.

Mätningar av magnetiska egenskaper visade att koercitiviteten hos de ultraljudsbehandlade Alnico 8-magneterna ökade från 140 kA/m till 160 kA/m, remanensen ökade från 1,0 T till 1,05 T, och den maximala magnetiska energiprodukten ökade från 60 kJ/m³ till 70 kJ/m³. Detta visar att ultraljudsbehandling är en effektiv metod för kornförfining av Alnico 8-magneter och kan avsevärt förbättra deras magnetiska prestanda.

5. Slutsats och framtidsutsikter

Kornförfining är ett viktigt sätt att förbättra de magnetiska egenskaperna hos gjutna Alnico-magneter. Kemisk behandling, mekanisk vibration och omrörning samt extern fysisk fältbehandling är alla effektiva kornförfiningsprocesser. Bland dessa är kemisk behandling enkel att använda och har en betydande förfiningseffekt, men valet och tillsatsmängden av inokulanter måste kontrolleras strikt. Mekanisk vibration och omrörning kan uppnå kornförfining genom fysiska metoder, men de kan medföra vissa defekter. Extern fysisk fältbehandling, såsom strömbehandling, magnetfältbehandling och ultraljudsbehandling, har fördelarna att vara miljövänliga och enkla att använda och har stor utvecklingspotential.

Kornförfining kan förbättra koercitiviteten, remanensen och den maximala magnetiska energiprodukten hos Alnico-magneter, vilket gör dem mer lämpliga för högpresterande magnetiska tillämpningar. I framtida forskning kan följande aspekter utforskas ytterligare:

• Optimera kornförfiningsprocesserna, såsom att studera de optimala parametrarna för kemisk behandling, mekanisk vibration och omrörning, samt extern fysisk fältbehandling för att uppnå bästa möjliga kornförfiningseffekt.
• Utveckla nya och mer effektiva inokulanter eller kornförfiningsmedel för att förbättra förfiningseffektiviteten och minska kostnaderna.
• Kombinera olika kornförfiningsmetoder för att utnyttja deras respektive fördelar fullt ut och ytterligare förbättra Alnico-magneternas magnetiska egenskaper.
• Studera sambandet mellan kornförfining och andra faktorer som värmebehandling, legeringssammansättning och bearbetningsteknik för att heltäckande förbättra prestandan hos Alnico-magneter.

Sammanfattningsvis kan de magnetiska egenskaperna hos gjutna Alnico-magneter genom kontinuerlig forskning och innovation inom kornförfining kontinuerligt förbättras, vilket utökar deras användningsområde och främjar utvecklingen av permanentmagnetindustrin.