تسمية درجات مغناطيس ألنكو والاختلافات في تركيب النواة

تُعدّ مغناطيسات ألنكو (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) فئة من المغناطيسات الدائمة التي طُوّرت في أوائل القرن العشرين، وتشتهر بثباتها الحراري الممتاز، ومقاومتها للتآكل، وكثافة تدفقها المغناطيسي العالية عند درجات الحرارة المرتفعة. وهي تتكون أساسًا من الحديد (Fe) والألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co)، مع إضافات طفيفة من النحاس (Cu) أو التيتانيوم (Ti) أو النيوبيوم (Nb) لتحسين بنيتها المجهرية وتعزيز خصائصها المغناطيسية.

تُصنّف مغناطيسات الألنيكو إلى درجات مختلفة بناءً على تركيبها وأدائها المغناطيسي، وتُعرف عادةً باسم الألنيكو 2، والألنيكو 5، والألنيكو 8، والألنيكو 9. إضافةً إلى ذلك، تُذكر أحيانًا بعض الدرجات المتخصصة، مثل مغناطيسات الساماريوم-الكوبالت من النوع 2:17، في السياق نفسه نظرًا لاحتوائها على الكوبالت، على الرغم من أنها تنتمي إلى فئة مختلفة من مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة. تركز هذه الورقة على درجات الألنيكو وتسمياتها، مع تمييزها بإيجاز عن أنواع المغناطيسات الأخرى المحتوية على الكوبالت.

2. تسمية درجات الألنيكو: الأسس والمعايير

2.1 التسميات القياسية MMPA

يُعدّ معيار MMPA (رابطة منتجي المواد المغناطيسية) أكثر معايير التسمية شيوعًا لمغناطيسات ألنكو، حيث يُخصّص لها درجات رقمية (مثل ألنكو 2، ألنكو 5، ألنكو 8) بناءً على خصائصها المغناطيسية وتركيبها. وقد وُحّدت هذه الدرجات لمساعدة المستخدمين على اختيار المغناطيس المناسب لتطبيقات محددة.

2.2 التسمية الصينية

في الصين، غالباً ما يتم تحديد درجات مادة الألنيكو باستخدام مزيج من حروف البينيين الصينية والأرقام . على سبيل المثال:

• LNG أوLNGT تشير البادئات إلى صب الألنيكو (حيث يشمل "LNGT" التيتانيوم).
• تشير البادئات F إلى مادة ألنكو المتلبدة.
• تمثل الأرقام التي تلي البادئة الحد الأدنى لقيمة ناتج الطاقة الأقصى (BH)max بالكيلوجول/م³.
• قد يشير اللاحقة "J" إلى سبيكة ذات قوة إكراه عالية.

2.3 اصطلاحات التسمية الأخرى

تستخدم بعض الشركات المصنعة أسماءً تجارية مثل كولوماكس، وألكوماكس، وهايكوماكس، وتيكونال ، على الرغم من أن هذه الأسماء أقل شيوعًا في المراجع التقنية الحديثة. ولا تزال تصنيفات MMPA الرقمية هي الأكثر فهمًا على نطاق واسع.

3. الاختلافات في التركيب الأساسي بين درجات الألنيكو

يكمن الاختلاف الرئيسي بين أنواع الألنيكو في محتواها من الكوبالت (Co) ، الذي يؤثر بشكل مباشر على خصائصها المغناطيسية. كما تلعب عناصر أخرى مثل النيكل (Ni) والألومنيوم (Al) والنحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti) أدوارًا حاسمة في تحديد الأداء. فيما يلي تفصيل لأهم أنواع الألنيكو وتركيباتها:

3.1 ألنكو 2

• التركيب : حوالي 5% ألومنيوم، 15% نيكل، 20% كوبالت، 55% حديد، 1% نحاس .
• الخصائص المغناطيسية:
  • التخلف المغناطيسي (Br) : معتدل (حوالي 0.7-0.9 تسلا).
  • الإكراه (Hc) : منخفض (حوالي 40-50 كيلو أمبير/متر).
  • أقصى ناتج طاقة (BHmax) : منخفض (حوالي 5-10 كيلو جول / م³).
• صفات:
  • متجانس الخواص (خصائص مغناطيسية غير اتجاهية).
  • مناسب للتطبيقات ذات المجال المنخفض حيث تعتبر التكلفة وسهولة المغنطة من الأولويات.
  • تُستخدم غالباً في أجهزة الاستشعار والمرحلات والمحركات منخفضة الطاقة.

3.2 ألنكو 5

• التركيب : حوالي 8% ألومنيوم، 15% نيكل، 24% كوبالت، 35% حديد، 4% نحاس، 1% تيتانيوم .
• الخصائص المغناطيسية:
  • المغناطيسية المتبقية (Br) : عالية (حوالي 1.0-1.3 تسلا).
  • الإكراه (Hc) : معتدل (حوالي 48-160 كيلو أمبير/متر).
  • أقصى ناتج للطاقة (BHmax) : متوسط ​​إلى مرتفع (حوالي 25-40 كيلو جول / م³).
• صفات:
  • غير متناحٍ (خصائص مغناطيسية اتجاهية يتم الحصول عليها عن طريق المعالجة الحرارية في مجال مغناطيسي).
  • أداء متوازن مع ثبات جيد في درجات الحرارة.
  • يستخدم على نطاق واسع في المحركات الكهربائية والمولدات ومكبرات الصوت والفواصل المغناطيسية.

3.3 ألنكو 8

• التركيب : حوالي 8% ألومنيوم، 24% نيكل، 14% كوبالت، 46% حديد، 2% تيتانيوم .
• الخصائص المغناطيسية:
  • التخلف المغناطيسي (Br) : مرتفع جداً (حوالي 1.1-1.4 تسلا).
  • الإكراه (Hc) : عالي (حوالي 160-240 كيلو أمبير/متر).
  • أقصى ناتج طاقة (BHmax) : مرتفع (حوالي 35-50 كيلو جول / م³).
• صفات:
  • مادة غير متجانسة ذات أداء مغناطيسي فائق مقارنة بمادة ألنكو 5.
  • ثبات ممتاز في درجات الحرارة ومقاومة للتآكل.
  • يستخدم في المحركات عالية الأداء، وأجهزة الاستشعار، ومعدات الصوت حيث تكون هناك حاجة إلى أقصى قدر من الإخراج المغناطيسي.

3.4 ألنكو 9

• التركيب : مشابه لـ Alnico 8 ولكن بنسب معدلة قليلاً (على سبيل المثال، محتوى أعلى من Co أو Ti).
• الخصائص المغناطيسية:
  • المغناطيسية المتبقية (Br) : مماثلة لـ Alnico 8.
  • الإكراه المغناطيسي (Hc) : أعلى من Alnico 8.
  • أقصى ناتج طاقة (BHmax) : من بين أعلى القيم في عائلة Alnico.
• صفات:
  • أقل شيوعًا من Alnico 5 و 8، ولكنها تستخدم في تطبيقات متخصصة تتطلب أداءً مغناطيسيًا فائقًا.

3.5 الاتجاهات الرئيسية في التكوين والأداء

• محتوى الكوبالت : يؤدي ارتفاع محتوى الكوبالت عمومًا إلى زيادة المغناطيسية المتبقية (Br) وأقصى ناتج للطاقة (BHmax) ولكنه قد يقلل من الإكراه المغناطيسي (Hc) بشكل طفيف ما لم يتم موازنته بعناصر أخرى مثل التيتانيوم.
• محتوى النيكل : يؤدي ارتفاع نسبة النيكل إلى تحسين الإكراه المغناطيسي والاستقرار الحراري، ولكنه قد يقلل من المغناطيسية المتبقية إذا لم يتم موازنتها مع الكوبالت.
• الألومنيوم والنحاس : تساعد هذه العناصر في تشكيل البنية المجهرية المطلوبة (على سبيل المثال، رواسب NiAl المطولة للحصول على تباين الشكل) وتعزيز الخصائص المغناطيسية.
• التيتانيوم : تمت إضافته في بعض الدرجات (مثل Alnico 8) لتحسين بنية الحبيبات وتحسين الإكراه المغناطيسي.

4. مقارنة مع مغناطيسات أخرى تحتوي على الكوبالت: مغناطيس SmCo من النوع 2:17

على الرغم من أن مغناطيس الساماريوم-الكوبالت (SmCo) من النوع 2:17 ليس من فئة الألنيكو، إلا أنه جدير بالذكر نظراً لاحتوائه على الكوبالت وخصائصه عالية الأداء. وعلى عكس الألنيكو، ينتمي مغناطيس SmCo إلى عائلة مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة، ويتميز بخصائص مغناطيسية فائقة، ولكنه يتطلب تكاليف مواد وتصنيع أعلى.

4.1 التركيب

• 2:17-type SmCo : يحتوي على ما يقرب من 23-28٪ Co ، إلى جانب Sm (الساماريوم) و Fe (الحديد) و Cu (النحاس) و Zr (الزركونيوم).
• الخصائص المغناطيسية:
  • المغناطيسية المتبقية (Br) : حتى 1.1-1.2 تسلا.
  • الإكراه (Hc) : مرتفع للغاية (يصل إلى 2000-2500 كيلو أمبير/متر).
  • أقصى ناتج طاقة (BHmax) : مرتفع جدًا (يصل إلى 250-300 كيلو جول / م³).
• صفات:
  • استقرار استثنائي في درجة الحرارة (قابل للتشغيل حتى 350-400 درجة مئوية).
  • مقاومة عالية للتآكل وإزالة المغناطيسية.
  • يستخدم في تطبيقات الفضاء الجوي والعسكرية والصناعية المتطورة حيث تفوق الأداء التكلفة.

4.2 الاختلافات الرئيسية عن ألنكو

• عائلة المواد : Alnico عبارة عن مغناطيس من سبيكة معدنية، بينما SmCo عبارة عن مغناطيس من العناصر الأرضية النادرة.
• الأداء المغناطيسي : يتفوق SmCo بشكل كبير على Alnico في الإكراه ومنتج الطاقة ولكنه أغلى ثمناً.
• استقرار درجة الحرارة : كلاهما يوفر استقرارًا ممتازًا، لكن SmCo لديه حد أعلى لدرجة الحرارة.
• التطبيقات : يفضل استخدام Alnico للتطبيقات الحساسة للتكلفة وذات درجات الحرارة العالية، بينما يستخدم SmCo حيث يكون الأداء الأقصى أمرًا بالغ الأهمية.

5. فعالية التكلفة والاختيار بناءً على التطبيق

يعتمد اختيار نوع الكوبالت (ألنكو) على تحقيق التوازن بين الأداء المغناطيسي، والثبات الحراري، ومقاومة التآكل، والتكلفة . يؤدي ارتفاع نسبة الكوبالت عمومًا إلى تحسين الأداء، ولكنه يزيد من تكاليف المواد والتصنيع. وتختلف النسبة المثلى من حيث التكلفة باختلاف التطبيق.

5.1 تطبيقات منخفضة التكلفة ومنخفضة الأداء

• Alnico 2 : مناسب لأجهزة الاستشعار والمرحلات والمحركات منخفضة الطاقة حيث يكون خرج مغناطيسي معتدل كافيًا.

5.2 تطبيقات الأداء المتوازن

• Alnico 5 : النوع الأكثر استخدامًا، حيث يوفر توازنًا جيدًا بين التكلفة والأداء للمحركات الكهربائية والمولدات ومكبرات الصوت.

5.3 تطبيقات عالية الأداء

• Alnico 8 : يستخدم في المحركات عالية الأداء وأجهزة الاستشعار ومعدات الصوت حيث تكون هناك حاجة إلى أقصى قدر من الإخراج المغناطيسي، ويكون التكلفة أقل أهمية.

5.4 التطبيقات المتخصصة

• Alnico 9 أو SmCo : مخصص للتطبيقات المتخصصة التي تتطلب أداءً فائقًا أو استقرارًا حراريًا يتجاوز قدرات Alnico.

6. الخاتمة

تُصنّف مغناطيسات الألنيكو إلى درجات (مثل: الألنيكو 2، 5، 8، 9) بناءً على تركيبها وخصائصها المغناطيسية، حيث يُعدّ محتوى الكوبالت العامل الرئيسي المُميّز. توفر الدرجات الأعلى من الكوبالت (مثل: الألنيكو 8) أداءً مغناطيسيًا فائقًا ولكن بتكلفة أعلى، بينما تُوفّر الدرجات الأقل من الكوبالت (مثل: الألنيكو 2) حلاً اقتصاديًا للتطبيقات الأقل تطلبًا. يُساعد نظام التسمية القياسي لجمعية مغناطيسات المعادن (MMPA) وأنظمة الكتابة الصينية (بينيين) المستخدمين على تحديد الدرجة المناسبة لاحتياجاتهم واختيارها.

رغم أن مغناطيسات الألنيكو لا تزال ذات قيمة عالية بفضل ثباتها الحراري ومقاومتها للتآكل، إلا أنها تواجه منافسة من مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة مثل السماريوم كوبالت في التطبيقات عالية الأداء. ومع ذلك، تضمن مزايا الألنيكو الفريدة استمرار أهميته في صناعات مثل السيارات والفضاء والإلكترونيات الاستهلاكية. ويكمن مفتاح تحقيق الكفاءة المثلى من حيث التكلفة في اختيار نوع المغناطيس المناسب لمتطلبات التطبيق، مما يضمن أفضل توازن بين الأداء والتكلفة.