عمليات تحسين بنية الحبيبات وتعزيز الأداء المغناطيسي في مغناطيسات ألنكو المصبوبة

خلاصة

تتميز مغناطيسات الألنيكو، باعتبارها من أوائل المواد المغناطيسية الدائمة التي طُوّرت، بمزايا فريدة في التطبيقات المغناطيسية ذات درجات الحرارة العالية والاستقرار العالي. ويُعدّ تحسين بنية الحبيبات وسيلةً مهمةً لتحسين الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات الألنيكو. تُقدّم هذه الورقة تحليلًا معمقًا لعمليات تحسين بنية حبيبات مغناطيسات الألنيكو المصبوبة، بما في ذلك المعالجة الكيميائية، والاهتزاز والتحريك الميكانيكي، والمعالجة بالمجال الفيزيائي الخارجي. كما تستكشف تأثير تحسين بنية الحبيبات على مؤشرات الأداء المغناطيسي الرئيسية مثل الإكراه المغناطيسي، والمغناطيسية المتبقية، وأقصى ناتج للطاقة المغناطيسية، وتتطلع إلى اتجاهات البحث المستقبلية في هذا المجال.

الكلمات المفتاحية

مغناطيسات ألنكو المصبوبة؛ تحسين الحبيبات؛ الأداء المغناطيسي؛ المعالجة الكيميائية؛ المعالجة بالمجال الفيزيائي الخارجي

1. مقدمة

كانت مغناطيسات الألنيكو، التي طورها عالم المعادن الياباني ميشيما توكوشيتشي عام 1932، القوة المهيمنة في صناعة المغناطيس الدائم قبل ظهور مواد المغناطيس الدائم المصنوعة من العناصر الأرضية النادرة. وتُعرف مغناطيسات الألنيكو بدرجة حرارة كوري العالية التي تصل إلى 890 درجة مئوية، مما يمنحها مقاومة واستقرارًا ممتازين في درجات الحرارة العالية. كما تتميز بمقاومة جيدة للتآكل، مما يضمن موثوقية طويلة الأمد في البيئات القاسية. ورغم انخفاض حصة مغناطيسات الألنيكو في السوق لصالح الفريتات المتلبدة منخفضة التكلفة والمغناطيس الدائم عالي الأداء المصنوع من العناصر الأرضية النادرة، إلا أنها لا تزال تتمتع بمزايا فريدة في التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية تتجاوز 500 درجة مئوية، وتُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التي تتطلب استقرارًا ومتانة عاليين، مثل مكبرات الصوت، وعدادات الطاقة، والمحركات الكهربائية، والمولدات، والمولدات الكهربائية.

ترتبط الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات الألنيكو ارتباطًا وثيقًا ببنيتها المجهرية، ويُعدّ تحسين حجم الحبيبات طريقة فعّالة لتعزيز هذه الخصائص. فمن خلال تقليل حجم الحبيبات، يزداد عدد حدودها، مما يُعيق حركة جدران المجال المغناطيسي، وبالتالي يُحسّن الإكراه المغناطيسي. وفي الوقت نفسه، تُسهم البنية المجهرية الأكثر تجانسًا في تعزيز المغناطيسية المتبقية وأقصى طاقة مغناطيسية للمغناطيس. لذا، فإن دراسة عمليات تحسين حجم حبيبات مغناطيسات الألنيكو المصبوبة ذات أهمية بالغة لتحسين أدائها المغناطيسي وتوسيع نطاق تطبيقاتها.

2. عمليات تحسين بنية حبيبات مغناطيسات ألنكو المصبوبة

2.1 المعالجة الكيميائية

تُعدّ المعالجة الكيميائية طريقة شائعة لتحسين بنية الحبيبات في المواد المعدنية، وتُستخدم على نطاق واسع في إنتاج مغناطيسات ألنكو المصبوبة. تتضمن هذه الطريقة إضافة كمية صغيرة من المواد الكيميائية، المعروفة باسم المُلقِّحات أو المُعدِّلات، إلى المعدن المنصهر. تُحفِّز هذه المواد التبلور غير المتجانس في المصهور، وتزيد من عدد النوى، وبالتالي تُحسِّن بنية الحبيبات.

بالنسبة لمغناطيسات الألنيكو، يُعد اختيار المواد المُلقِّحة أمرًا بالغ الأهمية. فبحسب نظرية درجة عدم تطابق الشبكة البلورية ونظرية الإلكترون التجريبية، تُؤثر المواد المُلقِّحة المختلفة بشكلٍ مُتباين على التكوين غير المتجانس لطورَي دلتا-حديد وجاما-حديد. فعلى سبيل المثال، تُؤثر مواد مثل كبريتيد الكالسيوم (CaS)، وأكسيد اللانثانوم (La₂O₃)، ونيتريد التيتانيوم (TiN)، وأكسيد السيريوم (Ce₂O₃)، وكربيد التيتانيوم (TiC)، وأكسيد السيريوم (CeO₂)، وأكسيد التيتانيوم (Ti₂O₃)، وأكسيد التيتانيوم (TiO₂)، وأكسيد المغنيسيوم (MgO) بشكلٍ ملحوظ على التكوين غير المتجانس لطور دلتا-حديد، بينما تُعد مواد مثل أكسيد الزركونيوم (ZrO₂)، وأكسيد التيتانيوم (Ti₂O₃)، وكبريتيد المنغنيز (MnS)، وثاني أكسيد السيليكون (SiO₂)، وأكسيد الكالسيوم (CaO)، وأكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، وأكسيد السيريوم (CeO₂) أكثر فعاليةً لتكوين طور جاما-حديد.

عند إضافة المواد الملقحة، من الضروري التأكد من دقتها وتوزيعها الجيد في المصهور. وإلا، فإذا تجمعت هذه المواد، فقد لا تنجح في تحسين حبيبات المعدن فحسب، بل قد تؤثر أيضًا على أداء مغناطيسات الألنيكو. إضافةً إلى ذلك، يجب التحكم بدقة في كمية المادة الملقحة المضافة. عمومًا، يمكن لكمية مناسبة من المادة الملقحة أن تحقق تأثيرًا جيدًا في تحسين الحبيبات، ولكن الإفراط في إضافتها قد يؤدي إلى زيادة الشوائب غير المعدنية في المصهور، مما يضر بالخواص المغناطيسية للمغناطيسات.

2.2 الاهتزاز الميكانيكي والتحريك

الاهتزاز الميكانيكي والتحريك هما طريقتان فيزيائيتان يمكن من خلالهما تحقيق تحسين الحبيبات عن طريق إحداث حركة نسبية بين الطورين السائل والصلب في المعدن المنصهر، مما يعزز كسر وانتشار أذرع التغصنات.

2.2.1 التحريك الميكانيكي

يمكن للتحريك الميكانيكي أن يُحدث درجات متفاوتة من الحركة النسبية بين الطورين السائل والصلب في المعدن المنصهر، أي الحركة الحملية للمعدن السائل. قد تتسبب هذه الحركة الحملية في تكسر أذرع التغصنات، ويمكن أن تعمل شظايا التغصنات المتكسرة كنوى جديدة لنمو البلورات، مما يزيد من عدد النوى ويُحسّن بنية الحبيبات.

مع ذلك، ينطوي التقليب الميكانيكي على بعض العيوب. فمن جهة، عند تقليب المصهور، يسهل دخول الغاز، وإذا لم يُعوض الغاز في الوقت المناسب بالمعدن المنصهر، فقد تتشكل عيوب مثل المسامات وانكماش المسامية. ومن جهة أخرى، عند تقليب مصهورات المعادن ذات درجة الانصهار العالية، يكون المحرك عرضة للتآكل، مما قد يُلوث المعدن المنصهر ويُسبب مشاكل جديدة في الجودة.

2.2.2 الاهتزاز الميكانيكي

تعتمد الاهتزازات الميكانيكية أيضًا على الحركة الحرارية للمعدن المنصهر لكسر التفرعات البلورية وتحفيز تكاثر النوى لتحقيق تكرير الحبيبات. مع ذلك، في التطبيقات العملية، عند زيادة تردد الاهتزازات الميكانيكية، قد يقل تأثير تكرير الحبيبات في نظام التصلب المعدني، وقد تتفاقم مشاكل مثل انفصال الكربيدات وتفكك سبيكة الصلب.

2.3 المعالجة بالمجال الفيزيائي الخارجي

تُعدّ المعالجة بالمجال الفيزيائي الخارجي تقنية واعدة لتحسين حبيبات المعادن، وتتميز بكونها صديقة للبيئة وسهلة التشغيل. وتشمل هذه التقنية بشكل أساسي المعالجة بالتيار الكهربائي، والمعالجة بالمجال المغناطيسي، والمعالجة بالموجات فوق الصوتية.

2.3.1 العلاج الحالي

عند مرور تيار نبضي قوي سريع التغير عبر المعدن المنصهر، يتولد مجال مغناطيسي نبضي قوي سريع التغير داخله. وينتج عن تفاعل التيار النبضي القوي مع المجال المغناطيسي النبضي القوي قوة انقباض شديدة في المعدن المنصهر، مما يؤدي إلى انضغاطه بشكل متكرر وتحركه ذهابًا وإيابًا في اتجاه عمودي على التيار. ولا تقتصر فائدة هذه الحركة الترددية على تكسير البلورات الشجرية فحسب، بل تُسهم أيضًا في فقدان المعدن المنصهر لحرارته الفائقة بسرعة، مما يزيد من معدل التبلور. ولذلك، كلما زادت قوة التيار النبضي، كان تأثير تكرير الحبيبات أكثر وضوحًا.

2.3.2 المعالجة بالمجال المغناطيسي

عندما يتصلب المعدن المنصهر في مجال مغناطيسي متناوب، يتولد تيار مستحث في نظام التصلب. وينتج عن تفاعل المجال المغناطيسي مع التيار المستحث قوة كهرومغناطيسية تدفع المعدن نحو المحور أو تسحبه بعيدًا عنه على طول الاتجاه القطري، مما يُسبب تقلبات منتظمة في نظام التصلب. ويُشابه تأثير هذه التقلبات تأثير الحمل الحراري المُعزز المُستخدم عادةً، لذا فإن للمجال المغناطيسي المتناوب تأثيرًا في تحسين بنية الحبيبات.

من منظور تأثير التذبذب الناتج عن المجال المغناطيسي، كلما زادت شدة الحث المغناطيسي، زاد الضغط الكهرومغناطيسي، وبالتالي اشتدت التذبذبات، وتحسنت عملية تكرير الحبيبات. مع ذلك، عند زيادة شدة الحث المغناطيسي، يزداد التيار المستحث تناسبياً، مما يزيد بدوره من التأثير الحراري في نظام التصلب، ويقلل من درجة التبريد الفائق، وبالتالي يقلل من معدل التكوين النووي. لذلك، فإن منحنى العلاقة بين شدة المجال المغناطيسي وتأثير تكرير الحبيبات هو منحنى ذو قيمة قصوى.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمجالات المغناطيسية النبضية أن تولد تيارات دوامية نبضية في المصهور. وينتج عن تفاعل هذه التيارات مع المجال المغناطيسي قوى لورنتز وضغوط مغناطيسية متغيرة بشدة وأقوى بكثير من الضغط الديناميكي للمصهور المعدني. ويؤدي ذلك إلى اهتزاز شديد للمصهور، مما يزيد من درجة التبريد الفائق أثناء التصلب، ويحسن معدل التبلور، ويسبب حملاً قسرياً في المصهور، مانعاً نمو التغصنات أو متكسراً، بل ومحطماً إياها. وتطفو جزيئات التغصنات المتكسرة في السائل عند جبهة التبلور، لتصبح نوى نمو جديدة. لذا، كلما زادت شدة الحث المغناطيسي النبضي، كان تأثير تكرير الحبيبات أكثر وضوحاً.

2.3.3 العلاج بالموجات فوق الصوتية

تستغل المعالجة بالموجات فوق الصوتية تأثيرات التجويف الصوتي والتدفق الصوتي الناتجة عن انتشار الموجات فوق الصوتية في السائل لتحقيق تكرير الحبيبات. فعندما تؤثر الموجات فوق الصوتية على المعدن المنصهر، تتعرض جزيئات السائل لتأثير مجال صوتي دوري متناوب، مما يُولد تأثيرات التجويف الصوتي والتدفق الصوتي. تُحدث هذه التأثيرات تغييرات في مجال التدفق ومجال الضغط ومجال درجة الحرارة في المصهور، مُولدةً تأثيرات موضعية عالية الحرارة والضغط. يؤدي اهتزاز السائل إلى انفصال أذرع التغصنات عن جبهة التصلب، لتُصبح بمثابة نوى غير متجانسة في المصهور، كما يُسهم تأثير تشتيت الموجات فوق الصوتية في توزيع الجزيئات بشكل أكثر تجانسًا. إضافةً إلى ذلك، تُمكن المعالجة بالموجات فوق الصوتية من إزالة الغازات والخبث، ما يجعلها تقنية لتنقية المصهور.

3. تأثير تحسين بنية الحبيبات على مؤشرات الأداء المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو المصبوبة

3.1 الإكراه

تُعدّ الإكراهية مؤشرًا هامًا لقياس قدرة المغناطيس الدائم على مقاومة فقدان المغناطيسية. ويمكن لتحسين بنية الحبيبات أن يُحسّن بشكل ملحوظ إكراهية مغناطيسات الألنيكو. ففي البنية الخشنة، تتحرك جدران النطاقات المغناطيسية بسهولة عبر حدود الحبيبات، مما يجعل المغناطيس أكثر عرضة لفقدان المغناطيسية. بعد تحسين بنية الحبيبات، يزداد عدد حدود الحبيبات، وتعمل هذه الحدود كمراكز تثبيت لجدران النطاقات المغناطيسية، مما يعيق حركتها. وبالتالي، يلزم مجال مغناطيسي خارجي أقوى لتحريك جدران النطاقات المغناطيسية، أي تزداد إكراهية المغناطيس.

على سبيل المثال، في مغناطيس Alnico 5، من خلال عمليات تكرير الحبيبات المناسبة، يمكن زيادة الإكراه من القيمة الأصلية إلى مستوى أعلى، مما يعزز قدرة المغناطيس على الحفاظ على خصائصه المغناطيسية في وجود مجالات مغناطيسية عكسية أو اضطرابات خارجية.

3.2 التخلف

يشير مصطلح التخلف المغناطيسي إلى شدة الحث المغناطيسي المتبقية في المغناطيس بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي تمامًا. كما أن تحسين بنية الحبيبات يُحسّن من التخلف المغناطيسي لمغناطيسات الألنيكو. فالبنية المجهرية الأكثر تجانسًا، الناتجة عن تحسين بنية الحبيبات، تُقلل من تشتت العزوم المغناطيسية وتجعلها أكثر اصطفافًا في نفس الاتجاه، مما يزيد من التخلف المغناطيسي للمغناطيس.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتنقية الحبيبات أن تقلل من عدد العيوب مثل المسام والشوائب في المغناطيس. هذه العيوب قد تُخلّ بمحاذاة المجالات المغناطيسية وتُقلل من المغناطيسية المتبقية. ومن خلال إزالة هذه العيوب أو تقليلها، يُمكن تحسين المغناطيسية المتبقية للمغناطيس بشكل أكبر.

3.3 أقصى ناتج للطاقة المغناطيسية

يُعدّ ناتج الطاقة المغناطيسية القصوى مؤشرًا شاملًا يعكس قدرة المغناطيس الدائم على تخزين الطاقة. وهو يتناسب طرديًا مع حاصل ضرب المغناطيسية المتبقية ومربع الإكراه المغناطيسي. وبما أن تحسين بنية الحبيبات يُحسّن كلاً من الإكراه المغناطيسي والمغناطيسية المتبقية في مغناطيسات الألنيكو، فإنه سيؤدي حتمًا إلى زيادة ناتج الطاقة المغناطيسية القصوى.

يعني ارتفاع قيمة حاصل الطاقة المغناطيسية القصوى أن المغناطيس قادر على تخزين وإخراج طاقة مغناطيسية أكبر ضمن نفس الحجم، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب طاقة مغناطيسية عالية، مثل المحركات والمولدات الكهربائية. فعلى سبيل المثال، في تصميم المحركات الكهربائية عالية الكفاءة، يُمكن استخدام مغناطيسات ألنكو ذات حاصل طاقة مغناطيسية قصوى أعلى لتقليل حجم المحرك ووزنه مع تحسين أدائه.

4. تحليل الحالة

4.1 الحالة 1: تحسين بنية حبيبات مغناطيس ألنكو 5 بالمعالجة الكيميائية

في إحدى شركات إنتاج مغناطيسات ألنكو، ولتحسين الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات ألنكو 5، تم اعتماد معالجة كيميائية لتنقية الحبيبات. وكان المُلقِّح المُختار مُركَّبًا يحتوي على عنصري التيتانيوم والبورون. وخلال عملية الإنتاج، أُضيفت كمية مناسبة من المُلقِّح إلى مصهور ألنكو وفقًا لوزن المصهور.

بعد التصلب والمعالجة الحرارية اللاحقة، تم فحص البنية المجهرية لمغناطيسات ألنكو 5 باستخدام مجهر معدني. ووجد أن حجم حبيبات المغناطيسات المعالجة بالملقح كان أصغر بكثير من حجم حبيبات المغناطيسات غير المعالجة. وانخفض متوسط ​​حجم الحبيبات من حوالي 100 ميكرومتر إلى حوالي 30 ميكرومتر.

أظهرت اختبارات الخصائص المغناطيسية أن الإكراه المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو 5 المُحسّنة الحبيبات قد ازداد من 52 كيلو أمبير/متر إلى 60 كيلو أمبير/متر، وازدادت المغناطيسية المتبقية من 1.2 تسلا إلى 1.25 تسلا، وازداد ناتج الطاقة المغناطيسية القصوى من 40 كيلو جول/متر مكعب إلى 48 كيلو جول/متر مكعب. يشير هذا إلى أن المعالجة الكيميائية باستخدام مُلقِّح مناسب تُحسِّن حبيبات مغناطيسات ألنكو 5 بشكل فعّال، وتُحسِّن خصائصها المغناطيسية بشكل ملحوظ.

4.2 الحالة 2: تحسين بنية حبيبات مغناطيس ألنكو 8 بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية

في مشروع بحثي آخر، طُبقت المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتحسين بنية حبيبات مغناطيس ألنكو 8. أثناء عملية تصلب مصهور ألنكو 8، تم إدخال مسبار فوق صوتي في المصهور، وتم تطبيق موجات فوق صوتية بقدرة وتردد محددين لفترة زمنية معينة.

أظهر التحليل المعدني أن حبيبات مغناطيس ألنكو 8 المعالج بالموجات فوق الصوتية كانت أدق بكثير من حبيبات المغناطيس غير المعالج. وقد أدى العلاج بالموجات فوق الصوتية إلى تكسير التفرعات الشجرية في المصهور، وزيادة عدد النوى، وتحقيق دقة في بنية الحبيبات.

أظهرت قياسات الخصائص المغناطيسية أن الإكراه المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو 8 المعالجة بالموجات فوق الصوتية قد ازداد من 140 كيلو أمبير/متر إلى 160 كيلو أمبير/متر، وازدادت المغناطيسية المتبقية من 1.0 تسلا إلى 1.05 تسلا، وازداد ناتج الطاقة المغناطيسية القصوى من 60 كيلو جول/متر مكعب إلى 70 كيلو جول/متر مكعب. يدل هذا على أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة لتحسين بنية حبيبات مغناطيسات ألنكو 8، ويمكنها أن تعزز أدائها المغناطيسي بشكل ملحوظ.

5. الخاتمة والتوقعات

يُعدّ تحسين بنية الحبيبات وسيلةً مهمةً لتعزيز الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات ألنكو المصبوبة. وتُعتبر المعالجة الكيميائية، والاهتزاز والتحريك الميكانيكي، والمعالجة بالمجالات الفيزيائية الخارجية، جميعها عمليات فعّالة لتحسين بنية الحبيبات. ومن بينها، تُعدّ المعالجة الكيميائية سهلة التطبيق وذات تأثير كبير في تحسين البنية، ولكن يجب التحكم بدقة في اختيار وكمية المواد المُضافة. يُمكن تحقيق تحسين بنية الحبيبات من خلال الاهتزاز والتحريك الميكانيكي عبر الوسائل الفيزيائية، ولكنهما قد يُؤديان إلى بعض العيوب. أما المعالجة بالمجالات الفيزيائية الخارجية، مثل المعالجة بالتيار الكهربائي، والمعالجة بالمجال المغناطيسي، والمعالجة بالموجات فوق الصوتية، فتتميز بكونها صديقة للبيئة وسهلة التطبيق، ولها إمكانات كبيرة للتطوير.

يمكن لتحسين بنية الحبيبات أن يعزز الإكراه المغناطيسي، والمغناطيسية المتبقية، وأقصى ناتج للطاقة المغناطيسية لمغناطيسات الألنيكو، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات المغناطيسية عالية الأداء. ويمكن في الأبحاث المستقبلية استكشاف الجوانب التالية بمزيد من التفصيل:

• تحسين عمليات تكرير الحبيبات، مثل دراسة المعايير المثلى للمعالجة الكيميائية والاهتزاز الميكانيكي والتحريك ومعالجة المجال الفيزيائي الخارجي لتحقيق أفضل تأثير لتكرير الحبيبات.
• تطوير مواد تلقيح أو عوامل تكرير حبوب جديدة وأكثر فعالية لتحسين كفاءة التكرير وتقليل التكاليف.
• اجمع بين طرق تكرير الحبيبات المختلفة لإتاحة الاستفادة الكاملة من مزاياها الخاصة وتحسين الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات ألنكو بشكل أكبر.
• دراسة العلاقة بين تحسين الحبيبات وعوامل أخرى مثل المعالجة الحرارية وتركيب السبيكة وتكنولوجيا المعالجة لتحسين أداء مغناطيسات ألنكو بشكل شامل.

وختاماً، من خلال البحث والابتكار المستمر في عمليات تحسين الحبيبات، يمكن تحسين الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات ألنكو المصبوبة بشكل مستمر، مما يوسع نطاق تطبيقها ويعزز تطوير صناعة المغناطيس الدائم.