آليات الضبط الدقيق لتركيب النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti) في مغناطيس AlNiCo ونسب إضافتهما الحرجة

1. مقدمة عن مغناطيسات ألنكو

تُعدّ مغناطيسات AlNiCo (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) فئةً من المواد المغناطيسية الدائمة التي طُوّرت في أوائل القرن العشرين، وتشتهر بثباتها الحراري الممتاز، وقوة إكراهها العالية، ومقاومتها القوية للتآكل. تتكون هذه المغناطيسات بشكل أساسي من الألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والحديد (Fe)، مع إضافات ضئيلة من النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti) وعناصر أخرى لتحسين الأداء. وبناءً على عمليات التصنيع، تُصنّف مغناطيسات AlNiCo إلى نوعين: AlNiCo المصبوب و AlNiCo المُلبّد ، ولكلٍّ منهما خصائص مجهرية ومغناطيسية مميزة.

تُعدّ إضافة النحاس والتيتانيوم عنصراً أساسياً في تحسين البنية المجهرية، وتعزيز الخصائص المغناطيسية، وتسهيل عملية التصنيع. تستكشف هذه المقالة الآليات التي يُعدّل بها النحاس والتيتانيوم مغناطيسات AlNiCo، وتُحدّد نسب إضافتهما الحرجة لتحقيق الأداء الأمثل.

2. دور النحاس (Cu) في مغناطيس AlNiCo

2.1 آليات إضافة النحاس

يُضاف النحاس إلى مغناطيس AlNiCo بشكل أساسي للأسباب التالية:

1. تحسين الأداء المغناطيسي:
   • يعزز النحاس الإكراه المغناطيسي (Hc) والمغناطيسية المتبقية (Br) من خلال تعزيز تكوين رواسب دقيقة وموزعة بشكل موحد من الطور α₁ أثناء التحلل الدوراني.
   • يقلل ذلك من معدل التبريد الحرج المطلوب للحصول على الخصائص المغناطيسية المثلى، مما يضمن أداءً متسقًا عبر عمليات التصنيع المختلفة.
2. تعزيز الاستقرار الحراري:
   • يشكل النحاس مركبات بين فلزية مستقرة (مثل أطوار النحاس والألومنيوم) تقاوم التدهور في درجات الحرارة المرتفعة، مما يجعل سبيكة AlNiCo مناسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
3. تسهيل المعالجة:
   • في مادة AlNiCo المتلبدة، يعمل النحاس على تحسين قابلية التلبيد عن طريق خفض درجة حرارة التلبيد وتعزيز التكثيف.
   • يقلل من المسامية ويعزز القوة الميكانيكية عن طريق تحسين حدود الحبيبات.

2.2 نسبة الإضافة الحرجة للنحاس

يتراوح محتوى النحاس الأمثل في مغناطيس AlNiCo عادةً من 2% إلى 5% من حيث الوزن ، وذلك اعتمادًا على درجة السبيكة المحددة وطريقة التصنيع:

• صب AlNiCo:
  • عادة ما يكون محتوى النحاس 2-4% ، حيث أن المستويات الأعلى قد تؤدي إلى هشاشة مفرطة بسبب تكوين أطوار خشنة غنية بالنحاس.
  • مثال: يحتوي Alnico-6 على 3% من النحاس ، مما يحقق التوازن بين الإكراه والمتانة الميكانيكية.
• ألنكو المتلبد:
  • يمكن أن يكون محتوى النحاس أعلى قليلاً ( 3-5٪ ) للتعويض عن انخفاض الكثافة التي يتم تحقيقها أثناء التلبيد مقارنة بالصب.
  • مثال: تحتوي بعض أنواع AlNiCo المتلبدة على 4٪ من النحاس لتحسين قابلية التلبيد دون التضحية بالأداء المغناطيسي.

قد يؤدي تجاوز نسبة النحاس 5% إلى:

• انخفاض المغناطيسية المتبقية بسبب فرط استقرار الأطوار غير المغناطيسية.
• زيادة الهشاشة، مما يجعل المغناطيس عرضة للتشقق أثناء التصنيع أو الاستخدام.

3. دور التيتانيوم (Ti) في مغناطيس AlNiCo

3.1 آليات إضافة التيتانيوم

يُضاف التيتانيوم إلى مغناطيسات AlNiCo بشكل أساسي للأسباب التالية:

1. زيادة الإكراه:
   • يعزز التيتانيوم الإكراه الجوهري (Hci) عن طريق تحسين رواسب الطور α₁، مما يزيد من تباين شكلها.
   • يعزز ذلك تكوين رواسب طويلة تشبه الإبر تقاوم إزالة المغناطيسية بشكل أكثر فعالية من الرواسب الكروية.
2. تحسين الاستقرار في درجات الحرارة العالية:
   • يشكل التيتانيوم مركبات بين فلزية مستقرة من التيتانيوم والألومنيوم تمنع نمو الحبيبات عند درجات حرارة مرتفعة، مما يحافظ على الخصائص المغناطيسية حتى 500-600 درجة مئوية .
3. تحسين البنية المجهرية:
   • يعمل التيتانيوم كمحسن للحبيبات ، مما يقلل من متوسط ​​حجم الحبيبات ويحسن القوة الميكانيكية.
   • يمنع ذلك تكوين الطور γ الضار (طور مغناطيسي ناعم) أثناء التصلب أو التلبيد.

3.2 نسبة الإضافة الحرجة للتيتانيوم

يتراوح محتوى التيتانيوم الأمثل في مغناطيس AlNiCo عادةً من 0.5% إلى 2% من حيث الوزن ، مع وجود اختلافات تعتمد على تركيبة السبيكة وعملية التصنيع:

• صب AlNiCo:
  • عادة ما يكون محتوى التيتانيوم 0.5-1.5% ، حيث أن المستويات الأعلى قد تؤدي إلى تكرير مفرط، مما يجعل من الصعب تشكيل المغناطيس.
  • مثال: يحتوي Alnico-8 على 1% من التيتانيوم ، مما يحقق قوة قسرية تبلغ 160 كيلو أمبير/متر .
• ألنكو المتلبد:
  • يمكن أن يكون محتوى التيتانيوم أعلى قليلاً ( 1-2٪ ) للتعويض عن البنية المجهرية الخشنة الناتجة عن التلبيد.
  • مثال: تحتوي بعض أنواع AlNiCo الملبدة ذات الإكراه العالي على 1.5٪ من التيتانيوم لتحسين الأداء المغناطيسي.

قد يؤدي تجاوز نسبة التيتانيوم 2% إلى:

• انخفاض المغناطيسية المتبقية نتيجة الإفراط في تحسين الطور المغناطيسي.
• زيادة الصلابة، مما يجعل المغناطيس هشًا ويصعب معالجته.

4. التأثيرات التآزرية للنحاس والتيتانيوم في مغناطيسات AlNiCo

يؤدي الجمع بين النحاس والتيتانيوم في مغناطيسات AlNiCo إلى تأثيرات تآزرية تعمل على تحسين الأداء بشكل أكبر:

1. تعزيز الإكراه وتوازن التخلف:
   • يعزز النحاس تكوين رواسب الطور α₁، بينما يعمل التيتانيوم على تحسين شكلها، مما يؤدي إلى زيادة الإكراه المغناطيسي دون التضحية بالمغناطيسية المتبقية.
   • مثال: يحقق Alnico-9 (مع 3٪ Cu و 1٪ Ti ) أقصى ناتج طاقة (BH)max يبلغ 10 MG·Oe ، وهو من بين أعلى القيم في سلسلة AlNiCo.
2. مقاومة محسّنة للتقادم الحراري:
   • تعمل تفاعلات النحاس والتيتانيوم على تثبيت البنية المجهرية ضد التدهور الحراري، مما يجعل AlNiCo مناسبًا للاستخدام طويل الأمد في درجات حرارة مرتفعة.
   • مثال: يحتفظ Alnico-5DG (مع 4% نحاس و 1.5% تيتانيوم ) بنسبة 90% من قسرية المغناطيسية الأولية بعد التقادم عند 450 درجة مئوية لمدة 1000 ساعة .
3. قابلية التصنيع المُحسّنة:
   • يعمل النحاس على تحسين قابلية التلبيد، بينما يقلل التيتانيوم من نمو الحبيبات، مما يتيح إنتاج مغناطيسات ذات أشكال معقدة وبنية دقيقة عبر تعدين المساحيق.

5. نسب الإضافة الحرجة في درجات AlNiCo المختلفة

يلخص الجدول التالي نطاقات محتوى النحاس والتيتانيوم النموذجية لأنواع سبائك الألومنيوم والنيكل والكوبالت الشائعة:

6. الخاتمة

تُعدّ إضافة النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti) إلى مغناطيسات AlNiCo عاملاً حاسماً في تحسين خصائصها المغناطيسية، واستقرارها الحراري، وسهولة تصنيعها. يُحسّن النحاس الإكراه المغناطيسي، والمغناطيسية المتبقية، وقابلية التلبيد، بينما يُحسّن التيتانيوم البنية المجهرية، ويزيد الإكراه المغناطيسي، ويُعزز الأداء عند درجات الحرارة العالية. تتراوح نسب الإضافة المثلى للنحاس والتيتانيوم عادةً بين 2-5% و0.5-2% على التوالي، مع وجود اختلافات تبعاً لنوع السبيكة وعملية التصنيع.

من خلال التحكم الدقيق في محتوى النحاس والتيتانيوم، يستطيع المصنّعون تصميم مغناطيسات AlNiCo لتطبيقات متنوعة، بدءًا من المحركات وأجهزة الاستشعار عالية الأداء وصولًا إلى أنظمة الفضاء والطيران والسيارات التي تتطلب تشغيلًا موثوقًا به في ظل ظروف قاسية. وقد تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين هذه الإضافات لتحقيق منتجات طاقة أعلى ونطاقات استقرار حراري أوسع.