Inverkan av magnetfältstyrka och stelningshastighet på orienteringsgraden vid riktningsstelning (magnetfältorientering) av Alnico-magneter

Alnicomagneter, som en typ av permanentmagnet med utmärkt prestanda, har använts i stor utsträckning inom olika områden såsom motorer, sensorer och ljudutrustning. Riktningsstelningsprocessen med magnetfältorientering är en nyckelteknik för att framställa högpresterande Alnicomagneter. Denna process kan effektivt kontrollera legeringens kristallorientering och därigenom förbättra dess magnetiska egenskaper. Denna artikel kommer att fördjupa sig i inverkan av magnetfältstyrka och stelningshastighet på orienteringsgraden i den riktade stelningsprocessen för Alnicomagneter.

1. Grunderna i riktad stelning med magnetfältsorientering

1.1 Grundläggande principer för riktad stelning

Riktad stelning är en stelningsprocess som styr kristallernas tillväxtriktning genom att etablera en specifik temperaturgradient i den smälta metallen. I denna process rör sig gränssnittet mellan fast och flytande ämne i en specifik riktning, vilket gör att kristallerna kan växa företrädesvis längs en viss riktning och slutligen bilda en kolumnär eller enkristallstruktur. Denna struktur har betydande fördelar när det gäller mekaniska egenskaper och magnetiska egenskaper.

1.2 Magnetfältets orienterings roll

När ett magnetfält appliceras under den riktade stelningsprocessen kommer magnetiska anisotropa kristaller att utsättas för ett magnetiskt vridmoment. På grund av skillnaden i magnetisk susceptibilitet längs olika kristallaxlar kommer kristallerna att rotera under inverkan av det magnetiska vridmomentet för att minimera sin magnetiska energi och därigenom uppnå orientering. För Alnico-legeringar har huvudfaserna såsom α-Fe och NiAl tydlig magnetisk anisotropi, vilket gör dem lämpliga för behandling av magnetfältsorientering.

2. Inverkan av magnetfältstyrka på orienteringsgrad

2.1 Teoretisk analys av magnetfältets styrkas inverkan

Det magnetiska vridmomentet som verkar på en magnetisk anisotropisk kristall i ett magnetfält kan uttryckas som:

där:

• τ är det magnetiska vridmomentet,
• μ0 är vakuumets permeabilitet,
• V är kristallens volym,
• Δχ är skillnaden i magnetisk susceptibilitet mellan olika kristallaxlar,
• H är magnetfältets styrka,
• θ är vinkeln mellan kristallens lättmagnetiserande axel och magnetfältets riktning.

Av formeln framgår att det magnetiska vridmomentet är direkt proportionellt mot magnetfältstyrkan H. När magnetfältstyrkan ökar ökar även det magnetiska vridmomentet som verkar på kristallen, vilket gör det lättare för kristallen att övervinna den smälta metallens motstånd och rotera för att rikta in sin lättmagnetiserande axel med magnetfältets riktning, vilket därigenom förbättrar orienteringsgraden.

2.2 Experimentell verifiering av magnetfältets styrkas inverkan

Experimentella studier har visat att i den riktade stelningsprocessen för Alnico-legeringar, när magnetfältstyrkan är låg (t.ex. mindre än 1T), ökar kristallernas orienteringsgrad långsamt med ökningen av magnetfältstyrkan. Detta beror på att vid låga magnetfältstyrkor är det magnetiska vridmomentet relativt litet, och kristallerna utsätts för större motstånd från den smälta metallen, vilket gör det svårt att rotera effektivt.

När magnetfältstyrkan ökar till ett visst område (t.ex. 1-5T) ökar kristallernas orienteringsgrad avsevärt med ökande magnetfältstyrka. I detta område är det magnetiska vridmomentet tillräckligt för att övervinna den smälta metallens motstånd, vilket gör att kristallerna kan rotera och justera effektivt.

Men när magnetfältstyrkan är för hög (t.ex. större än 5T) saktar ökningen av kristallernas orienteringsgrad ner eller tenderar till och med att stabiliseras. Detta beror på att när magnetfältstyrkan når en viss nivå har kristallerna i princip slutfört sin orientering, och ytterligare ökning av magnetfältstyrkan kommer inte att förbättra orienteringsgraden avsevärt. Dessutom kan en alltför hög magnetfältstyrka också medföra vissa negativa effekter, såsom att öka kostnaden för utrustningen och processens energiförbrukning.

2.3 Tröskeleffekt av magnetfältstyrka

I den riktade stelningsprocessen för Alnico-legeringar finns det ett tröskelvärde för magnetfältstyrkan för orienteringen av olika faser. Till exempel, för AlNi-fasen i Alnico-legeringar ökar dess orienteringströskel för magnetfältstyrkan med ökningen av Ni-innehållet i legeringen och minskar med ökningen av den halvfasta uppvärmningstemperaturen. Detta indikerar att AlNi-fasens orientering påverkas av faktorer som antalet, storleken och viskositeten hos den flytande metallen.

3. Inverkan av stelningshastighet på orienteringsgrad

3.1 Teoretisk analys av stelningshastighetens inverkan

Stelningshastigheten avser den hastighet med vilken gränssnittet mellan fast och vätska rör sig under stelningsprocessen. Den har en betydande inverkan på legeringens mikrostruktur och orienteringsgrad. Enligt stelningsteorin påverkar stelningshastigheten kristallernas tillväxtmorfologi och orientering genom att påverka temperaturgradienten och kylningshastigheten vid gränssnittet mellan fast och vätska.

När stelningshastigheten är låg är temperaturgradienten vid gränssnittet mellan fast och vätska relativt liten och kylningshastigheten är långsam. I detta fall har kristallerna tillräckligt med tid att växa och rotera, vilket bidrar till att förbättra orienteringsgraden. Emellertid kan en för låg stelningshastighet också leda till problem som grovkornighet och allvarlig segregering, vilket inte bidrar till att förbättra legeringens totala prestanda.

När stelningshastigheten är hög är temperaturgradienten vid gränssnittet mellan fast och flytande material relativt stor och kylningshastigheten är snabb. I detta fall förkortas kristallernas tillväxttid och rotationen begränsas, vilket kan minska orienteringsgraden. En hög stelningshastighet kan dock förfina kornen och minska segregationen, vilket är fördelaktigt för att förbättra legeringens mekaniska egenskaper.

3.2 Experimentell verifiering av stelningshastighetens inverkan

Experimentella studier har visat att i den riktade stelningsprocessen för Alnico-legeringar är förhållandet mellan stelningshastigheten och orienteringsgraden inte linjärt. När stelningshastigheten är inom ett visst intervall är orienteringsgraden relativt hög. När stelningshastigheten är lägre eller högre än detta intervall kommer orienteringsgraden att minska.

Till exempel, vid riktningsstelning av Alnico 8-legeringar, när stelningshastigheten kontrolleras till cirka 10-50 μm/s, kan en relativt hög orienteringsgrad erhållas. När stelningshastigheten är lägre än 10 μm/s, trots att kristallerna har tillräckligt med tid att rotera, kommer de grova kornen och den allvarliga segregeringen som orsakas av den låga stelningshastigheten att minska legeringens totala prestanda, inklusive de magnetiska egenskaperna. När stelningshastigheten är högre än 50 μm/s kommer kristallernas begränsade rotation på grund av den snabba stelningshastigheten att leda till en minskning av orienteringsgraden.

3.3 Inverkan av stelningshastighet på dendritavstånd

Stelningshastigheten påverkar också legeringens dendritavstånd. Dendritavstånd avser avståndet mellan intilliggande dendriter. Generellt sett minskar dendritavståndet med ökande stelningshastighet. När stelningshastigheten är låg är dendritavståndet stort, och kristallerna har mer utrymme att växa och rotera, vilket bidrar till att förbättra orienteringsgraden. Men när stelningshastigheten är hög är dendritavståndet litet, och kristallernas tillväxt och rotation begränsas, vilket kan minska orienteringsgraden.

Det bör dock noteras att även om ett litet dendritavstånd kan begränsa kristallernas rotation i viss mån, kan det också förbättra legeringens mekaniska egenskaper genom att förfina kornen. Därför måste man i praktisk produktion göra en kompromiss mellan orienteringsgraden och de mekaniska egenskaperna genom att rimligen kontrollera stelningshastigheten.

4. Kopplingseffekt av magnetfältstyrka och stelningshastighet på orienteringsgrad

4.1 Synergistisk effekt

I den riktade stelningsprocessen för Alnico-legeringar har magnetfältstyrkan och stelningshastigheten en kopplande effekt på orienteringsgraden. När magnetfältstyrkan är fixerad kan en lämplig ökning av stelningshastigheten förbättra temperaturgradienten vid gränssnittet mellan fast och vätska, vilket bidrar till bildandet av ett stabilt gränssnitt mellan fast och vätska och tillväxten av orienterade kristaller. Men om stelningshastigheten är för hög kommer den begränsade rotationen av kristallerna på grund av den snabba stelningshastigheten att motverka den positiva effekten av magnetfältets orientering, vilket leder till en minskning av orienteringsgraden.

På liknande sätt, när stelningshastigheten är fast, kan en lämplig ökning av magnetfältstyrkan öka det magnetiska vridmomentet som verkar på kristallerna, vilket främjar deras rotation och inriktning. Men om magnetfältstyrkan är för hög kan de negativa effekterna, såsom ökad utrustningskostnad och energiförbrukning, uppväga den positiva effekten av att förbättra orienteringsgraden.

4.2 Optimering av processparametrar

För att uppnå en hög orienteringsgrad i den riktade stelningsprocessen för Alnico-legeringar är det nödvändigt att optimera processparametrar såsom magnetfältstyrka och stelningshastighet. Genom ett stort antal experiment och simuleringar kan den optimala kombinationen av magnetfältstyrka och stelningshastighet bestämmas baserat på legeringens specifika sammansättning och prestandakrav.

Till exempel, för Alnico 8-legeringar, har det genom experimentell forskning visat sig att när magnetfältstyrkan kontrolleras till cirka 3-5T och stelningshastigheten kontrolleras till cirka 20-40 μm/s, kan en relativt hög orienteringsgrad och god heltäckande prestanda erhållas.

5. Fallanalys

5.1 Experimentell uppställning

För att verifiera inverkan av magnetfältstyrka och stelningshastighet på orienteringsgraden i den riktade stelningsprocessen för Alnico-legeringar utfördes en serie experiment. Den experimentella utrustningen omfattade huvudsakligen en riktad stelningsugn, en magnetfältsgenereringsanordning och ett temperaturkontrollsystem.

De experimentella materialen var Alnico 8-legeringar med en specifik sammansättning. Proverna placerades i en degel och värmdes upp till smält tillstånd i den riktade stelningsugnen. Därefter applicerades ett magnetfält med en viss styrka, och proverna stelnade med en specifik stelningshastighet.

5.2 Experimentella resultat och analys

5.2.1 Inverkan av magnetfältstyrka

De experimentella resultaten visade att när stelningshastigheten fixerades till 30 μm/s, ökade kristallernas orienteringsgrad avsevärt allt eftersom magnetfältstyrkan ökade från 1T till 5T. När magnetfältstyrkan var 1T var orienteringsgraden relativt låg, endast cirka 60 %. När magnetfältstyrkan ökade till 3T ökade orienteringsgraden till cirka 80 %. När magnetfältstyrkan ytterligare ökade till 5T nådde orienteringsgraden cirka 90 % och tenderade sedan att stabilisera sig.

5.2.2 Inverkan av stelningshastighet

När magnetfältstyrkan fixerades till 4T, ökade först och minskade orienteringsgraden, i takt med att stelningshastigheten ökade från 10 μm/s till 50 μm/s. När stelningshastigheten var 10 μm/s var orienteringsgraden cirka 75 %. När stelningshastigheten ökade till 30 μm/s nådde orienteringsgraden ett maximalt värde på cirka 90 %. När stelningshastigheten ytterligare ökade till 50 μm/s minskade orienteringsgraden till cirka 80 %.

5.2.3 Kopplingseffekt

Genom att vidare analysera experimentdata fann man att det fanns en optimal kombination av magnetfältstyrka och stelningshastighet för att erhålla den högsta orienteringsgraden. I detta experiment, när magnetfältstyrkan var 4T och stelningshastigheten var 30 μm/s, nådde orienteringsgraden det maximala värdet på cirka 90%. Detta verifierade kopplingseffekten av magnetfältstyrka och stelningshastighet på orienteringsgraden.

6. Slutsats och framtidsutsikter

6.1 Slutsats

I den riktade stelningsprocessen för Alnico-magneter har magnetfältstyrkan och stelningshastigheten betydande inverkan på orienteringsgraden. En lämplig ökning av magnetfältstyrkan kan öka det magnetiska vridmomentet som verkar på kristallerna, vilket främjar deras rotation och inriktning, men en alltför hög magnetfältstyrka kan medföra negativa effekter. En lämplig ökning av stelningshastigheten kan förbättra temperaturgradienten vid gränssnittet mellan fast och vätska, vilket bidrar till tillväxten av orienterade kristaller, men en alltför hög stelningshastighet kommer att begränsa kristallernas rotation och minska orienteringsgraden. Det finns en kopplingseffekt mellan magnetfältstyrkan och stelningshastigheten, och en optimal kombination av de två kan bestämmas genom experiment och simuleringar för att erhålla den högsta orienteringsgraden.

6.2 Utsikter

I framtiden, med den kontinuerliga utvecklingen av materialvetenskap och elektromagnetisk teknik, kommer den riktade stelningsprocessen med magnetfältsorientering hos Alnico-magneter att optimeras ytterligare. Å ena sidan kan forskning om nya magnetfältsgenereringsanordningar och styrtekniker ge mer exakta och stabila magnetfältförhållanden för den riktade stelningsprocessen. Å andra sidan kan kombinationen av numerisk simulering och experimentell forskning djupare avslöja påverkansmekanismen för magnetfältstyrka och stelningshastighet på orienteringsgraden, vilket ger en mer vetenskaplig grund för processoptimering. Dessutom kommer utforskningen av nya Alnico-legeringskompositioner och tillämpningen av nya framställningstekniker också att främja den kontinuerliga förbättringen av Alnico-magneters prestanda.