العناصر السائدة التي تحدد درجة حرارة كوري لمغناطيسات الألنيكو

تُعتبر درجة حرارة كوري (Tc) لمغناطيسات ألنكو، وهي معلمة حاسمة تحدد الحد الأقصى لدرجة الحرارة التشغيلية لها، محكومة بشكل أساسي بالعناصر التالية وتفاعلاتها:

1. الكوبالت (Co)
   • يُعد الكوبالت العنصر الأكثر تأثيراً في سبائك الألنيكو لرفع درجة حرارة كوري. وتؤدي إضافته إلى زيادة ملحوظة في درجة حرارة كوري عن طريق تثبيت الطور المغناطيسي الحديدي من خلال اقتران قوي بين الدوران والمدار وتفاعلات التبادل.
   • يُسهّل التركيب الذري للكوبالت الترتيب المغناطيسي القوي، حتى في درجات الحرارة المرتفعة، من خلال تعزيز المحاذاة المتوازية لدوران الإلكترونات.
2. النيكل (Ni)
   • يساهم النيكل في درجة حرارة كوري من خلال تكوين محاليل صلبة مع الحديد (Fe) والكوبالت، مما يعزز البنية المغناطيسية للسبيكة.
   • على الرغم من أن تأثير النيكل أقل من تأثير الكوبالت، إلا أن وجوده يضمن تركيبة متوازنة تحافظ على درجة حرارة عالية مع تحسين الخصائص المغناطيسية الأخرى مثل الإكراه المغناطيسي.
3. الحديد (Fe)
   • يُشكّل الحديد، باعتباره المعدن الأساسي في مادة الألنيكو، الإطار المغناطيسي الحديدي الأساسي. وتُحدّد درجة حرارة كوري العالية (حوالي 770 درجة مئوية في الحديد النقي) خط الأساس، الذي يرتفع أكثر عند مزجه مع الكوبالت والنيكل.
   • يتمثل دور الحديد في الحفاظ على النفاذية المغناطيسية والتشبع المغناطيسي، مكملاً بذلك مساهمات الكوبالت والنيكل في الاستقرار الحراري.
4. الألومنيوم (Al)
   • يؤثر الألومنيوم بشكل أساسي على بنية الطور والخواص الميكانيكية للسبيكة بدلاً من رفع درجة الحرارة الحرجة (Tc) بشكل مباشر. ومع ذلك، فإنه يدعم بشكل غير مباشر الأداء عند درجات الحرارة العالية عن طريق تثبيت الطور α (طور مغناطيسي حديدي) أثناء المعالجة الحرارية.
   • كما أن الوزن الذري المنخفض للألومنيوم يساعد في تحقيق منتجات طاقة عالية (BHmax) دون كثافة مفرطة.
5. إضافات ثانوية (مثل النحاس والتيتانيوم والنيوبيوم)
   • تُضاف عناصر مثل النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti) بكميات صغيرة لتحسين بنية الحبيبات وزيادة الإكراه المغناطيسي. ورغم أن تأثيرها المباشر على درجة الحرارة الحرجة (Tc) ضئيل، إلا أنها تُسهم في تكوين بنى مجهرية دقيقة الحبيبات تُعزز الاستقرار المغناطيسي العام عند درجات الحرارة العالية.

الآليات التي تحكم درجة حرارة كوري في الألنيكو

تُحدد درجة حرارة كوري بشكل أساسي بقوة تفاعلات التبادل بين اللف المغزلي الذري المتجاور. في سبائك الألنيكو:

• تكامل التبادل (J) : تزداد قيمة J، التي تعكس الطاقة اللازمة لقلب اللف المغزلي بالنسبة للجيران، بوجود الكوبالت والنيكل. وتقاوم قيم J الأعلى الاضطراب الحراري، مما يرفع درجة حرارة التكنيتيوم (Tc).
• المسافة الذرية والبنية الإلكترونية : تتداخل إلكترونات d في الكوبالت والنيكل بشكل أكثر فعالية مع إلكترونات الحديد، مما يُولّد قوى تبادل أقوى. وتضمن المسافة الذرية المثلى، التي يتم تحقيقها من خلال السبائك، أقصى قدر من التداخل دون إجهاد مفرط في الشبكة البلورية.
• التركيب الطوري : يُعدّ طور ألفا عالي الحرارة في مادة الألنيكو، الغني بالحديد والكوبالت، أساسيًا للحفاظ على المغناطيسية الحديدية. تعمل عناصر السبائك على تثبيت هذا الطور، مما يمنع تحلله إلى أطوار غير مغناطيسية (مثل طور غاما) عند درجات الحرارة المرتفعة.

نطاق درجة حرارة كوري لدرجات ألنكو المختلفة

تُصنّف مغناطيسات الألنيكو إلى نوعين: متجانسة الخواص وغير متجانسة الخواص، حيث تتميز الأخيرة بخصائص مغناطيسية أعلى نتيجةً للتوجيه المُفضّل أثناء التصنيع. فيما يلي نطاقات درجة حرارة كوري النموذجية لأنواع الألنيكو الشائعة:

1. ألنكو 2 (متجانس الخواص)
   • درجة حرارة كوري : حوالي 700-750 درجة مئوية
   • الخصائص : قوة إكراه منخفضة (Hc ~ 40–50 كيلو أمبير/متر) وقوة مغناطيسية متوسطة (Br ~ 0.7–0.8 تسلا). تُستخدم في التطبيقات التي تتطلب قوة مغناطيسية متوسطة مع استقرار حراري جيد، مثل أجهزة الاستشعار وأجهزة التثبيت.
2. ألنكو 3 (متجانس الخواص)
   • درجة حرارة كوري : حوالي 750-800 درجة مئوية
   • الخصائص : مشابهة لـ Alnico 2 ولكن مع إكراه مغناطيسي أعلى قليلاً (Hc ~ 50-60 كيلو أمبير/متر). مناسبة للتطبيقات التي تتطلب توازناً بين التكلفة والأداء.
3. ألنكو 5 (غير متجانس الخواص)
   • درجة حرارة كوري : حوالي 800-860 درجة مئوية
   • الخصائص : يُعدّ هذا النوع من سبائك الألنيكو الأكثر استخدامًا، إذ يتميز بقوة مغناطيسية عالية (Br ~ 1.2–1.3 تسلا) وقسرية متوسطة (Hc ~ 50–65 كيلو أمبير/متر). كما أن درجة حرارة كوري العالية تجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية، مثل المحركات الكهربائية ومكبرات الصوت ومكونات صناعة الطيران.
4. ألنكو 6 (غير متجانس الخواص)
   • درجة حرارة كوري : حوالي 850-890 درجة مئوية
   • الخصائص : قوة إكراه محسّنة (Hc ~ 60–75 كيلو أمبير/متر) مقارنةً بـ Alnico 5، مع مغناطيسية مماثلة. يُستخدم في الأجهزة الدقيقة والتطبيقات التي تتطلب خرجًا مغناطيسيًا مستقرًا على نطاقات واسعة من درجات الحرارة.
5. ألنكو 8 (غير متجانس الخواص)
   • درجة حرارة كوري : حوالي 860-900 درجة مئوية
   • الخصائص : يتميز هذا النوع بأعلى قيمة للإكراه المغناطيسي بين أنواع الألنيكو (Hc ~ 75–90 كيلو أمبير/متر)، مع قيمة إكراه مغناطيسي أقل قليلاً (Br ~ 1.0–1.1 تسلا). وهو مصمم للتطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية لإزالة المغنطة عند درجات حرارة مرتفعة، مثل أجهزة الميكروويف والقوابض المغناطيسية.
6. ألنكو 9 (درجة درجات الحرارة العالية)
   • درجة حرارة كوري : حوالي 900-950 درجة مئوية
   • الخصائص : نوع متخصص يتميز بثبات حراري عالٍ للغاية، وغالبًا ما يحتوي على نسبة عالية من الكوبالت. يُستخدم في بيئات قاسية مثل تطبيقات الفضاء والطيران والتطبيقات النووية حيث تتجاوز درجات الحرارة 600 درجة مئوية.

العوامل المؤثرة على التغيرات في درجة حرارة كوري

1. التغيرات التركيبية : يمكن أن تؤدي التغيرات الطفيفة في محتوى الكوبالت أو النيكل إلى تغيير درجة حرارة التصلب (Tc) بعشرات الدرجات. على سبيل المثال، زيادة نسبة الكوبالت من 12% إلى 24% في سبيكة ألنكو 5 يمكن أن ترفع درجة حرارة التصلب (Tc) بمقدار 50 درجة مئوية تقريبًا.
2. عملية التصنيع : يتميز سبيكة الألنيكو المصبوبة عادةً بدرجة حرارة انتقال حراري أعلى من سبيكة الألنيكو الملبدة، وذلك بسبب الاختلافات في بنية الحبيبات ونقاء الطور. كما تتيح عملية الصب تحكمًا أفضل في تكوين طور ألفا.
3. المعالجة الحرارية : تعمل المعالجة الحرارية المغناطيسية (المعالجة الحرارية بمساعدة المجال) على محاذاة اتجاه الحبيبات، مما يعزز الإكراه ويثبت Tc بشكل غير مباشر عن طريق تقليل قابلية التأثر بإزالة المغناطيسية الحرارية.

مقارنة مع أنواع المغناطيس الدائم الأخرى

• المغناطيسات الفريتية : درجة حرارة كوري منخفضة (~250-450 درجة مئوية) ولكنها فعالة من حيث التكلفة للتطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة.
• الساماريوم-الكوبالت (SmCo) : درجة حرارة أعلى (~700-800 درجة مئوية) وقوة قسرية فائقة ولكنها أغلى ثمناً وأكثر هشاشة.
• النيوديميوم (NdFeB) : درجة حرارة منخفضة (~310-400 درجة مئوية) على الرغم من المنتج عالي الطاقة، مما يحد من استخدامه في البيئات ذات درجات الحرارة المعتدلة.

إن الجمع الفريد بين درجة حرارة كوري العالية، والاستقرار الحراري الممتاز، ومقاومة التآكل في مادة ألنكو يجعلها لا غنى عنها في التطبيقات الصناعية والفضاء ذات درجات الحرارة العالية حيث تفشل المغناطيسات الأخرى.