العلاقة بين البنية البلورية والأداء المغناطيسي في سبائك الألنيكو

1. مقدمة عن سبائك الألنيكو

سبائك الألنيكو (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) هي فئة من مواد المغناطيس الدائم طُوّرت في أوائل القرن العشرين، وتشتهر بثباتها الحراري الممتاز ومقاومتها للتآكل. تتكون هذه السبائك بشكل أساسي من الحديد (Fe) كمعدن أساسي، مع الألومنيوم (Al، بنسبة 8-12% وزناً)، والنيكل (Ni، بنسبة 15-26% وزناً)، والكوبالت (Co، بنسبة 5-24% وزناً)، وإضافات طفيفة من النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti). تُصنّف مغناطيسات الألنيكو إلى نوعين: متجانسة الخواص وغير متجانسة الخواص، حيث تُظهر الأخيرة خصائص مغناطيسية فائقة بفضل نمو البلورات الموجه الذي يتحقق من خلال عمليات التصلب المُتحكّم بها.

يرتبط الأداء المغناطيسي لسبائك الألنيكو ارتباطًا وثيقًا ببنيتها البلورية، وتركيبها الطوري، وخصائصها المجهرية. تستكشف هذه المقالة البنية البلورية لسبائك الألنيكو، وآليات تكوينها، وتأثيرها العميق على الخصائص المغناطيسية مثل المغناطيسية المتبقية (Br)، والإكراه المغناطيسي (Hc)، وحاصل الطاقة المغناطيسية (BHmax).

2. التركيب البلوري لسبائك الألنيكو

2.1 الطور الأساسي: α-Fe (مكعب مركزي الجسم، BCC)

الطور السائد في سبائك الألنيكو هو α-Fe، الذي يتبلور في بنية مكعبة مركزية الجسم (BCC) . يشكل هذا الطور مصفوفة السبيكة ويساهم بشكل كبير في خصائصها المغناطيسية. تتميز بنية α-Fe المكعبة مركزية الجسم بما يلي:

• نفاذية مغناطيسية عالية : بسبب اصطفاف العزوم المغناطيسية لذرات الحديد.
• مغنطة تشبع معتدلة : حوالي 2.18 تسلا عند درجة حرارة الغرفة.
• انخفاض التباين المغناطيسي البلوري : مما يعني أن المجالات المغناطيسية يمكن أن تعيد توجيه نفسها بسهولة تحت تأثير المجالات الخارجية.

مع ذلك، يتميز الحديد ألفا النقي بانخفاض الإكراه المغناطيسي، مما يجعله عرضة لفقدان المغناطيسية. ولتحسين الإكراه المغناطيسي، تُضاف عناصر أخرى إلى سبائك الألنيكو لتكوين أطوار ثانوية ذات بنى بلورية مميزة.

2.2 الأطوار الثانوية: مركبات أساسها الحديد والكوبالت والألومنيوم والنيكل

أثناء عملية التصلب، تخضع سبائك الألنيكو لعملية التفكك الدوراني ، وهي عملية ينفصل فيها المحلول الصلب فوق المشبع إلى طورين متميزين:

1. الطور الغني بالحديد والكوبالت (الطور المغناطيسي):
   • البنية البلورية: مكعبة مركزية الجسم أو رباعية الأضلاع (حسب التركيب والمعالجة الحرارية).
   • الدور: يعمل كمرحلة مغناطيسية أساسية، مما يساهم في التخلف المغناطيسي العالي (Br) بسبب اقترانه المغناطيسي الحديدي القوي.
   • مثال: في Alnico 5، يحتوي طور Fe-Co على حوالي 24% وزناً من Co، مما يعزز درجة حرارة كوري والاستقرار المغناطيسي.
2. طور غني بالألومنيوم والنيكل (طور غير مغناطيسي):
   • البنية البلورية: مكعب مركزي الوجه (FCC) أو مركبات بين فلزية معقدة (مثل NiAl، FeAl).
   • الدور: يعمل كمصفوفة أو طور حدودي، يعزل المجالات المغناطيسية ويزيد من الإكراه من خلال تباين الشكل .
   • مثال: تشكل مرحلة Al-Ni في Alnico 8 رواسب تشبه القضبان تعمل على تثبيت جدران النطاق، مما يؤدي إلى رفع Hc.

2.3 دور النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti)

• النحاس : يُضاف بكميات صغيرة (1-3% وزناً) لتعزيز تكرير الحبيبات وتحسين فصل الأطوار أثناء التفكك الدوراني. لا يُغير النحاس بشكل ملحوظ البنية البلورية، ولكنه يُحسّن تجانس البنية المجهرية.
• التيتانيوم : في Alnico 8، يشكل Ti (3-5 بالوزن%) رواسب غنية بالتيتانيوم تعمل على تحسين البنية المجهرية وزيادة الإكراه عن طريق إدخال مواقع تثبيت إضافية لجدران النطاق.

3. آليات تكوين البنية البلورية في سبائك الألنيكو

3.1 عملية التصلب

تُنتج سبائك الألنيكو عادةً عن طريق التصلب الاتجاهي (الصب) أو تعدين المساحيق (التلبيد). وتؤثر عملية التصلب بشكل كبير على البنية البلورية.

1. التصلب الاتجاهي:
   • تعمل معدلات التبريد المتحكم بها (على سبيل المثال، 1-10 درجة مئوية/دقيقة) على تعزيز نمو الحبيبات العمودية المتراصة على طول اتجاه مفضل.
   • يعزز هذا التوافق التباين المغناطيسي، حيث يتوافق محور التمغنط السهل (EMA) لطور α-Fe مع اتجاه الحبيبات.
   • مثال: تُظهر مصبوبات Alnico 5 حبيبات عمودية مع EMA موازية لاتجاه التصلب، مما ينتج عنه Br و Hc عاليان.
2. تعدين المساحيق (التلبيد):
   • يتم ضغط المساحيق الناعمة وتلبيدها في درجات حرارة عالية (1100-1250 درجة مئوية).
   • تكون البنية المجهرية الناتجة أكثر تجانسًا بسبب التوجه العشوائي للحبوب، مما يؤدي إلى أداء مغناطيسي أقل مقارنة بـ Alnico المصبوب.

3.2 المعالجة الحرارية

تُعد المعالجة الحرارية بعد التصلب أمراً بالغ الأهمية لتحسين البنية البلورية والخصائص المغناطيسية:

1. معالجة المحلول:
   • التسخين إلى 1100-1250 درجة مئوية لإذابة الأطوار الثانوية في مصفوفة α-Fe.
   • التبريد السريع (التبريد السريع) للحفاظ على محلول صلب فوق مشبع.
2. الشيخوخة (تحلل العقدة النخاعية):
   • التسخين عند درجة حرارة 600-800 درجة مئوية لفترات طويلة (من ساعات إلى أيام) لتحفيز فصل الطور إلى طوري Fe-Co و Al-Ni.
   • يشكل طور Fe-Co رواسب متطاولة (على شكل قضبان أو صفائح)، بينما يعمل طور Al-Ni كمصفوفة.
   • يعزز هذا الشكل المورفولوجي تباين الشكل، مما يزيد من الإكراه.
3. تقادم المجال المغناطيسي:
   • يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي قوي أثناء التقادم إلى محاذاة رواسب الحديد والكوبالت على طول اتجاه المجال، مما يزيد من التباين المغناطيسي.
   • مثال: يُظهر Alnico 5 المعرض لمجال مغناطيسي بقوة 5-10 كيلو أورستد زيادة بنسبة 20-30% في نسبة البروم مقارنة بالعينات غير المعرضة للمجال المغناطيسي.

4. العلاقة بين البنية البلورية والخواص المغناطيسية

4.1 التخلف المغناطيسي (Br)

المغناطيسية المتبقية هي المغنطة المتبقية بعد إزالة مجال خارجي. وتتحدد بشكل أساسي بما يلي:

• نسبة حجم طور Fe-Co : يؤدي ارتفاع محتوى Fe-Co إلى زيادة Br بسبب اقتران مغناطيسي حديدي أقوى.
• توجيه الحبيبات : تعمل الحبيبات العمودية المتراصة على طول EMA (كما هو الحال في Alnico المصبوب) على زيادة Br إلى أقصى حد عن طريق تقليل حركة جدار المجال.
• نقاء الطور : تعمل الأطوار غير المغناطيسية الدنيا (مثل الأكاسيد والمسامية) على منع تسرب التدفق، مما يحافظ على البروم.

مثال : Alnico 5 (المصبوب) له Br من 1.2-1.3 T، بينما Alnico 5 المتلبد له Br ~1.0-1.1 T بسبب الحبيبات الأقل اصطفافًا.

4.2 الإكراه (Hc)

الإكراه المغناطيسي هو مقاومة المادة لإزالة المغناطيسية. ويتأثر بما يلي:

• تباين شكل رواسب الحديد والكوبالت : تعمل الرواسب الشبيهة بالقضبان أو الصفائحية كمواقع تثبيت لجدران النطاقات، مما يتطلب مجالات أعلى لتحريكها.
• حدود الطور البيني : يحيط طور Al-Ni برواسب Fe-Co، مما يخلق حواجز لحركة جدار المجال.
• العيوب البلورية : يمكن أن تعيق الانخلاعات وحدود الحبيبات حركة جدار المجال أو تساعدها، اعتمادًا على اتجاهها.

مثال : يحقق Alnico 8، مع رواسبه الغنية بالتيتانيوم المكررة، Hc > 500 kA/m، بينما Alnico 5 لديه Hc ~160–200 kA/m.

4.3 ناتج الطاقة المغناطيسية (BHmax)

يمثل BHmax الحد الأقصى لحاصل ضرب المغناطيسية المتبقية والإكراه، وهو يمثل كثافة طاقة المغناطيس. ويعتمد على:

• تجانس البنية البلورية : تعمل البنى المجهرية المتجانسة ذات العيوب الدنيا على زيادة قيمة BHmax إلى أقصى حد.
• التوازن بين Br و Hc : ارتفاع Br وحده غير كافٍ؛ هناك حاجة إلى ارتفاع Hc لمنع إزالة المغناطيسية تحت الحمل.
• استقرار درجة الحرارة : تقاوم بنية Alnico القائمة على BCC التقلبات الحرارية، وتحافظ على BHmax حتى 500-600 درجة مئوية.

مثال : Alnico 5 لديه BHmax من 35-45 كيلو جول / م³، بينما Alnico 8 يصل إلى 50-60 كيلو جول / م³ بسبب ارتفاع Hc الخاص به.

5. دراسات حالة: ألنكو 5 وألنيكو 8

5.1 النيكو 5 (Fe-14Ni-8Al-24Co-3Cu)

• البنية البلورية:
  • المرحلة الأولية: α-Fe (BCC) مع رواسب Fe-Co (رباعية أو BCC).
  • المرحلة الثانوية: Al-Ni (FCC) تشكل مصفوفة حول قضبان Fe-Co.
• الخصائص المغناطيسية:
  • Br: 1.2–1.3 T (مصبوب)، 1.0–1.1 T (مُلبد).
  • Hc: 160–200 كيلو أمبير/متر.
  • BHmax: 35–45 كيلو جول/م³.
• التطبيقات : المحركات الكهربائية، أجهزة الاستشعار، مكبرات الصوت.

5.2 النيكو 8 (Fe-15Ni-7Al-34Co-5Ti-3Cu)

• البنية البلورية:
  • المرحلة الأولية: α-Fe (BCC) مع رواسب Fe-Co المنقاة بواسطة Ti.
  • المرحلة الثانوية: Al-Ni-Ti (مركب بين فلزي معقد) يشكل مصفوفة أكثر صلابة.
• الخصائص المغناطيسية:
  • Br: 1.1–1.2 T.
  • Hc: >500 كيلو أمبير/متر.
  • BHmax: 50–60 كيلو جول/م³.
• التطبيقات : أجهزة استشعار درجات الحرارة العالية، ومكونات الفضاء الجوي.

6. التحديات والتوجهات المستقبلية

على الرغم من مزاياها، تواجه سبائك الألنيكو تحديات:

1. انخفاض الإكراه المغناطيسي مقارنة بالمغناطيسات الأرضية النادرة : تتميز مغناطيسات NdFeB بـ Hc >1000 kA/m، مما يحد من استخدام Alnico في تطبيقات مجال إزالة المغناطيسية العالية.
2. الهشاشة : بنية BCC لـ α-Fe تجعل Alnico عرضة للتشقق أثناء التشغيل الآلي.
3. التكلفة : على الرغم من أن مغناطيسات الألنيكو أرخص من مغناطيسات الأرض النادرة، إلا أنها أغلى من مغناطيسات الفريت.

البحوث المستقبلية :

• التشكيل النانوي : تكرير الرواسب إلى مقاييس دون الميكرون لتعزيز تباين الشكل.
• التصاميم المركبة : الجمع بين Alnico مع المراحل المغناطيسية الناعمة (مثل Fe-Si) لتحسين BHmax.
• التصنيع الإضافي : الطباعة ثلاثية الأبعاد لمادة ألنكو مع توجيه حبيبي متحكم به للمغناطيسات المخصصة.

7. الخاتمة

تُشكّل البنية البلورية لسبائك الألنيكو، التي يهيمن عليها طور ألفا-حديد ذو البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) وأطوار ثانوية ذات بنية مكعبة متمركزة في الوجه (FCC) أو أطوار بين فلزية، أساس خصائصها المغناطيسية. ومن خلال التصلب المُتحكم به والمعالجة الحرارية، تُحقق الألنيكو مغناطيسية متبقية عالية عبر ترسبات الحديد والكوبالت المُتراصة، وقسرية عالية عبر تباين الشكل. ورغم وجود بعض التحديات، فإن الأبحاث الجارية في مجال البنية النانوية وتصميم المواد المركبة تُبشّر بتوسيع نطاق استخدام الألنيكو في التطبيقات المغناطيسية عالية الأداء.