كثافة مغناطيسات الألنيكو وتأثير تغيرات نسبة التركيب على معايير الكثافة

1. نظرة عامة على مغناطيسات ألنكو

تتكون مغناطيسات الألنيكو، وهي نوع من السبائك المغناطيسية الدائمة، بشكل أساسي من الألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والحديد (Fe)، مع إضافات طفيفة من عناصر مثل النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti). وتشتهر هذه المغناطيسات بمغناطيسيتها المتبقية العالية، ومعاملها الحراري المنخفض، وثباتها المغناطيسي الممتاز، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب أداءً ثابتًا عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، كما هو الحال في صناعات الطيران والفضاء، والسيارات، والأجهزة الإلكترونية.

2. نطاق كثافة مغناطيسات ألنكو

تتأثر كثافة مغناطيسات الألنيكو بتركيبها وعملية تصنيعها. عمومًا، تتراوح كثافة سبائك الألنيكو بين 6.8 و7.3 غ/سم³ ، وفقًا لما هو محدد في المواصفة القياسية GB/T 17951 "الشروط الفنية العامة للمواد المغناطيسية الصلبة". ويراعي هذا النطاق الاختلافات في نسب العناصر المكونة وتقنيات التصنيع المستخدمة.

• سبائك الألنيكو ذات الكثافة المنخفضة : تميل السبائك ذات المحتوى العالي من الألومنيوم إلى إظهار كثافة أقل. على سبيل المثال، قد تكون كثافة سبيكة الألنيكو التي تتكون من حوالي 8% ألومنيوم، و16% نيكل، و24% كوبالت، و3% نحاس، و1% تيتانيوم، والباقي حديد، أقرب إلى الحد الأدنى من النطاق.
• سبائك ألنكو ذات الكثافة العالية : على النقيض من ذلك، تتميز السبائك التي تحتوي على نسبة أعلى من النيكل أو الكوبالت بكثافة أعلى عمومًا. قد تقترب سبيكة ألنكو ذات التركيب 6.8% ألومنيوم، و14.5% نيكل، و34.0% كوبالت، و4.0% نحاس، و5.0% تيتانيوم، والباقي حديد، من الحد الأعلى لنطاق الكثافة.

3. تأثير تغيرات نسبة التركيب على الكثافة

تعتمد كثافة مغناطيسات الألنيكو بشكل مباشر على الأوزان الذرية ونسب العناصر المكونة لها. ويساهم كل عنصر بشكل مختلف في الكثافة الإجمالية للسبيكة.

• الألومنيوم (Al) : بكثافته التي تبلغ حوالي 2.7 غ/سم³، يُعدّ الألومنيوم أخفّ العناصر الرئيسية في سبائك الألنيكو. وتؤدي زيادة محتوى الألومنيوم إلى انخفاض الكثافة الإجمالية للسبيكة.
• النيكل (Ni) : تبلغ كثافة النيكل حوالي 8.9 جم/سم³. يؤدي ارتفاع محتوى النيكل إلى زيادة كثافة سبيكة الألنيكو.
• الكوبالت (Co) : يتميز الكوبالت بكثافة تبلغ حوالي 8.9 جم/سم³. ومثل النيكل، تؤدي زيادة محتوى الكوبالت إلى زيادة الكثافة.
• الحديد (Fe) : يُعدّ الحديد العنصر الأساسي في سبائك الألنيكو، وتبلغ كثافته حوالي 7.87 غ/سم³. ورغم أن مساهمته في الكثافة كبيرة، إلا أن الاختلافات في محتوى الحديد ضمن تركيبات الألنيكو النموذجية لها تأثير أقل وضوحًا على الكثافة الإجمالية مقارنةً بالألومنيوم أو النيكل أو الكوبالت.
• العناصر الثانوية (النحاس، التيتانيوم) : تبلغ كثافة النحاس والتيتانيوم حوالي 8.96 غ/سم³ و4.51 غ/سم³ على التوالي. ويكون تأثيرهما على الكثافة طفيفًا نسبيًا نظرًا لانخفاض تركيزهما في سبائك الألنيكو.

مثال على التحليل :
لنفترض وجود سبيكتين من الألنيكو بتركيبات مختلفة:

• السبيكة أ : 8% Al، 16% Ni، 24% Co، 3% Cu، 1% Ti، 48% Fe
  • الكثافة المحسوبة: باستخدام طريقة المتوسط ​​المرجح، يمكن تقدير الكثافة على النحو التالي:
    • (0.08 × 2.7) + (0.16 × 8.9) + (0.24 × 8.9) + (0.03 × 8.96) + (0.01 × 4.51) + (0.48 × 7.87) ≈ 7.1 غ/سم³
• سبيكة B : 12% Al، 14% Ni، 20% Co، 4% Cu، 5% Ti، 45% Fe
  • الكثافة المحسوبة:
    • (0.12 × 2.7) + (0.14 × 8.9) + (0.20 × 8.9) + (0.04 × 8.96) + (0.05 × 4.51) + (0.45 × 7.87) ≈ 6.9 جم/سم³

في هذا المثال، تتمتع السبيكة A، ذات المحتوى المنخفض من الألومنيوم والمحتوى العالي من النيكل والكوبالت، بكثافة أعلى من السبيكة B، التي تحتوي على محتوى أعلى من الألومنيوم ونسب أقل نسبيًا من النيكل والكوبالت.

4. تأثير عملية التصنيع على الكثافة

إلى جانب التركيب، تؤثر عملية التصنيع أيضاً على كثافة مغناطيسات الألنيكو. تُستخدم طريقتان رئيسيتان لإنتاج مغناطيسات الألنيكو: الصب والتلبيد.

• الصب : تُصنع مغناطيسات ألنكو المصبوبة عن طريق صهر العناصر المكونة لها وصب السبيكة المنصهرة في قوالب. قد ينتج عن هذه العملية بنية أكثر تجانسًا، ولكن قد تختلف الكثافة اختلافًا طفيفًا تبعًا لمعدل التبريد وتصميم القالب. عمومًا، تتميز مغناطيسات ألنكو المصبوبة بكثافتها ضمن النطاق المحدد، مع بعض الاختلافات الطفيفة الناتجة عن الانكماش أثناء التصلب.
• التلبيد : تُصنع مغناطيسات الألنيكو الملبدة عن طريق ضغط مسحوق سبيكة الألنيكو في الشكل المطلوب، ثم تسخينه إلى درجة حرارة أقل من درجة انصهاره لربط الجزيئات معًا. يُمكن للتلبيد إنتاج مغناطيسات ذات كثافة أعلى مقارنةً بالصب، حيث تُتيح عملية ضغط المسحوق تحقيق كثافة تعبئة أكبر. مع ذلك، تظل كثافة مغناطيسات الألنيكو الملبدة مُحددة بشكل أساسي بتركيب المسحوق.

5. الآثار العملية لتغيرات الكثافة

تؤثر كثافة مغناطيسات ألنكو بشكل عملي على استخدامها في مختلف الصناعات:

• الفضاء الجوي : في تطبيقات الفضاء الجوي، حيث يكون تقليل الوزن أمرًا بالغ الأهمية، قد يفضل استخدام سبائك Alnico ذات الكثافة المنخفضة لتقليل الوزن الإجمالي للمكونات مثل شفرات المحرك وأقراص التوربينات.
• صناعة السيارات : في صناعة السيارات، تُستخدم مغناطيسات ألنكو في أجهزة الاستشعار والمشغلات والمحركات. ويعتمد اختيار كثافة السبيكة على متطلبات الأداء المحددة وقيود المساحة للتطبيق.
• الأجهزة الإلكترونية : بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، مثل مكبرات الصوت وسماعات الرأس، يمكن أن تؤثر كثافة مغناطيسات ألنكو على حجم ووزن المكونات المغناطيسية، مما يؤثر على التصميم العام وقابلية نقل الجهاز.

6. الخاتمة

تُعدّ كثافة مغناطيسات الألنيكو معيارًا بالغ الأهمية، إذ تتأثر بتركيبها وعملية تصنيعها. وتتراوح الكثافة عادةً بين 6.8 و7.3 غ/سم³، ويمكن تعديلها بتغيير نسب الألومنيوم والنيكل والكوبالت وعناصر أخرى في السبيكة. فزيادة نسبة الألومنيوم تؤدي إلى انخفاض الكثافة، بينما تؤدي زيادة نسبة النيكل أو الكوبالت إلى زيادة الكثافة. كما تلعب عملية التصنيع، سواءً كانت صبًا أو تلبيدًا، دورًا في تحديد الكثافة النهائية للمغناطيسات. ويُتيح فهم هذه العلاقات تصميم مغناطيسات الألنيكو بما يتناسب مع متطلبات التطبيقات المختلفة، مما يُحسّن الأداء والوزن والتكلفة.