المعالجة الحرارية للمغناطيسات المصنوعة من الألنيكو باستخدام المجال المغناطيسي: المبادئ وتحسين العملية لتحقيق أقصى أداء مغناطيسي

1. مقدمة

تُعدّ مغناطيسات الألنيكو (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) فئةً من المغناطيسات الدائمة المعروفة بثباتها الحراري الممتاز، ومغناطيسيتها المتبقية العالية، وقوة إكراهها العالية نسبيًا. وتُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء والطيران والسيارات والتطبيقات العسكرية حيث يُعدّ الأداء في درجات الحرارة القصوى أمرًا بالغ الأهمية. وتعتمد الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات الألنيكو اعتمادًا كبيرًا على بنيتها المجهرية، والتي يتم التحكم بها من خلال عملية معالجة حرارية متخصصة تُعرف باسم المعالجة الحرارية بالمجال المغناطيسي أو المعالجة الحرارية المغناطيسية .

تستكشف هذه المقالة مبادئ المعالجة الحرارية بالمجال المغناطيسي في مغناطيسات ألنكو وتناقش كيفية تحسين معلمات المعالجة الحرارية - بما في ذلك درجة الحرارة ووقت التثبيت ومعدل التبريد - لتحقيق أقصى قدر من الأداء المغناطيسي.

2. مبادئ المعالجة الحرارية بالمجال المغناطيسي في مغناطيسات ألنكو

2.1 الأساس الميكروي لبنية مغناطيسات الألنيكو

تتكون سبائك الألنيكو بشكل أساسي من الحديد (Fe) والنيكل (Ni) والألومنيوم (Al) والكوبالت (Co)، مع إضافات طفيفة من النحاس (Cu) والتيتانيوم (Ti). وتنشأ الخصائص المغناطيسية من بنية مجهرية ثنائية الطور.

• طور α₁ (غني بالحديد والكوبالت) : طور مغناطيسي حديدي قوي ذو مغنطة تشبع عالية.
• طور α₂ (غني بالنيكل والألومنيوم) : طور مغناطيسي حديدي ضعيف أو طور مغناطيسي مساير ذو مغنطة أقل.

أثناء التصلب أو المعالجة الحرارية، تخضع هذه الأطوار لعملية تفكك طوري ، وهي عملية فصل طوري مستمرة ينتج عنها توزيع دقيق ودوري لأطوار α₁ و α₂. هذه البنية المجهرية ضرورية لتحقيق إكراه مغناطيسي ومغناطيسية متبقية عالية.

2.2 دور المجال المغناطيسي أثناء المعالجة الحرارية

يخدم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي أثناء المعالجة الحرارية غرضين أساسيين:

1. توجيه المجالات المغناطيسية : يعمل المجال المغناطيسي على محاذاة محاور التمغنط السهل (المحاور c) لبلورات الطور α₁، مما يعزز النمو غير المتناحي ويعزز التمغنط المتبقي.
2. قمع المجالات العكسية : يساعد المجال على استقرار جدران المجال، مما يقلل من احتمالية تثبيت جدار المجال بواسطة العيوب، مما يحسن الإكراه.

يتم تطبيق المجال المغناطيسي عادة أثناء مرحلة التبريد للمعالجة الحرارية، عندما تكون السبيكة في نطاق درجة حرارة التحلل الدوراني (حوالي 800-600 درجة مئوية لـ Alnico 8).

2.3 التفكك الدوراني تحت تأثير المجال المغناطيسي

يحدث التفكك الدوراني في سبيكة الألنيكو عندما تُبرَّد السبيكة إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة (Tc)، مما يؤدي إلى تكوين مناطق متناوبة من طوري α₁ و α₂. عند تطبيق مجال مغناطيسي أثناء هذه العملية:

• تنمو المرحلة α₁، كونها أكثر مغناطيسية حديدية، بشكل تفضيلي على طول اتجاه المجال.
• تشكل المرحلة α₂ مصفوفة تحيط بالرواسب α₁ المطولة، مما يخلق بنية دقيقة شديدة التباين.

هذا التركيب المجهري غير المتجانس مسؤول عن الإكراه المغناطيسي العالي والمغناطيسية المتبقية التي لوحظت في مغناطيسات ألنكو المعالجة بالمجال المغناطيسي.

3. تحسين معايير المعالجة الحرارية

لتحقيق أقصى أداء مغناطيسي لمغناطيسات ألنكو، يجب التحكم بدقة في عملية المعالجة الحرارية. وتتمثل المعايير الرئيسية فيما يلي:

1. درجة حرارة معالجة المحلول
2. وسيط التبريد ومعدل التبريد
3. درجة حرارة الشيخوخة (التحلل المحوري)
4. قوة المجال المغناطيسي واتجاهه
5. معدل التبريد أثناء المعالجة الميدانية
6. مدة الاحتفاظ عند درجة حرارة التقادم

3.1 معالجة المحلول

الغرض : إذابة الأطوار الثانوية وتجانس السبيكة.

• درجة الحرارة : عادةً ما تكون 1250-1350 درجة مئوية، اعتمادًا على تركيبة السبيكة.
• الوقت : من ساعة إلى أربع ساعات لضمان الذوبان الكامل.
• التبريد : التبريد السريع (على سبيل المثال، في الماء أو الزيت) للاحتفاظ بمحلول صلب فوق مشبع.

3.2 التبريد السريع

الهدف : منع الترسيب المبكر والحفاظ على حالة شبه مستقرة من أجل التحلل الدوراني اللاحق.

• الوسط : التبريد بالماء أو الزيت شائع.
• المعدل : يجب أن يكون سريعًا بما يكفي لتجنب الترسيب المتوازن ولكن ليس سريعًا جدًا لدرجة إحداث إجهادات متبقية مفرطة.

3.3 الشيخوخة (التحلل النخاعي)

الهدف : إحداث فصل طوري إلى طوري α₁ و α₂ في ظل ظروف مضبوطة.

• درجة الحرارة : 800-600 درجة مئوية، اعتمادًا على نوع السبيكة (على سبيل المثال، يتم عادةً معالجة Alnico 8 عند درجة حرارة 800 درجة مئوية تقريبًا).
• المجال المغناطيسي : يتم تطبيقه أثناء التبريد خلال نطاق الانفصال الطوري.
• قوة المجال : عادة ما تكون 1-5 كيلو أورستد (0.1-0.5 تسلا)، مع تعزيز المجالات الأعلى للتباين بشكل أكبر.

3.4 معدل التبريد أثناء المعالجة الميدانية

الهدف : التحكم في حركية التفكك الدوراني ومحاذاة النطاقات.

• المعدل الأمثل : التبريد البطيء (1-10 درجة مئوية/دقيقة) خلال نطاق التفكك الطوري للسماح بالفصل الطوري الكامل ومحاذاة النطاقات.
• التبريد النهائي : بعد المعالجة الميدانية، يتم التبريد السريع (مثل التبريد بالهواء) إلى درجة حرارة الغرفة لتثبيت البنية المجهرية.

3.5 مدة الاحتفاظ عند درجة حرارة التعتيق

الهدف : ضمان التحلل الدوراني الكامل والبنية المجهرية الموحدة.

• الوقت : من 2 إلى 24 ساعة، حسب سمك السبيكة والقوة القسرية المطلوبة.
• المفاضلة : تعمل الأوقات الأطول على تحسين الإكراه المغناطيسي ولكنها قد تقلل من المغناطيسية المتبقية بسبب خشونة رواسب α₁.

4. دراسة حالة: تحسين أداء مادة ألنكو 8

4.1 جدول المعالجة الحرارية النموذجي لسبائك ألنكو 8

1. المعالجة بالمحلول : 1300 درجة مئوية لمدة ساعتين، متبوعة بالتبريد بالماء.
2. الخطوة الأولى للتقادم : 800 درجة مئوية لمدة 4 ساعات في مجال مغناطيسي (3 كيلو أورستد)، ثم التبريد بمعدل 5 درجات مئوية / دقيقة إلى 600 درجة مئوية.
3. الخطوة الثانية للتقادم : 600 درجة مئوية لمدة 12 ساعة بدون مجال، متبوعة بالتبريد بالهواء.

4.2 النتائج والمناقشة

• الخصائص المغناطيسية:
  • المغناطيسية المتبقية (Br) : 12-13 كيلو غاوس (1.2-1.3 تسلا)
  • الإكراه (HC) : 600-800 Oe (48-64 كيلو أمبير/م)
  • أقصى ناتج طاقة (BH)max : 5–6 MGOe (40–48 kJ/m³)
• البنية المجهرية : رواسب α₁ دقيقة ومستطيلة محاذية لاتجاه المجال، محاطة بمصفوفة α₂.

4.3 تغيرات المعلمات وتأثيراتها

• مجال مغناطيسي أعلى : يزيد من Br ولكنه قد يقلل من Hc إذا أصبحت المجالات متراصفة للغاية.
• تبريد أسرع : يقلل من Hc بسبب عدم اكتمال التحلل الدوراني.
• زيادة مدة التعتيق : تزيد من نسبة الهيدروجين ولكن قد تقلل من نسبة البروم بسبب خشونة الرواسب.

5. تقنيات متقدمة لتحسين الأداء

5.1 الشيخوخة متعددة المراحل

يمكن استخدام خطوتين أو أكثر من خطوات التقادم عند درجات حرارة مختلفة لتحسين البنية المجهرية وتعزيز كل من الإكراه المغناطيسي والمغناطيسية المتبقية. على سبيل المثال:

1. التقادم بدرجة حرارة عالية (800 درجة مئوية) للرواسب الخشنة من نوع α₁.
2. التقادم في درجات حرارة منخفضة (600 درجة مئوية) لتحسين الجودة على نطاق دقيق.

5.2 المجالات المغناطيسية المتدرجة

يمكن أن يؤدي تطبيق مجال متدرج أثناء التبريد إلى إنشاء بنية دقيقة متدرجة، مما يحسن مقاومة إزالة المغناطيسية.

5.3 المجالات المغناطيسية النبضية

يمكن للنبضات المغناطيسية القصيرة وعالية الكثافة أثناء التبريد أن تعزز محاذاة المجالات دون تسخين مفرط.

6. الخاتمة

تُعدّ المعالجة الحرارية باستخدام المجال المغناطيسي لمغناطيسات ألنكو عمليةً بالغة الأهمية لتحقيق الأداء المغناطيسي الأمثل. فمن خلال التحكم الدقيق في معالجة المحلول، والتبريد السريع، ودرجة حرارة التقادم، وشدة المجال المغناطيسي، ومعدل التبريد، ومدة التثبيت، يستطيع المصنّعون تصميم البنية المجهرية لتعظيم المغناطيسية المتبقية، والإكراه المغناطيسي، وناتج الطاقة. كما تُتيح التقنيات المتقدمة، مثل التقادم متعدد المراحل والمجالات المتدرجة، فرصًا إضافية لتحسين الأداء.

التوصيات الرئيسية :

• استخدم مجالًا مغناطيسيًا معتدلًا (1-5 كيلو أورستد) أثناء التبريد خلال نطاق الانفصال الطوري.
• استخدم التبريد البطيء (1-10 درجة مئوية/دقيقة) لفصل الطور بشكل كامل.
• تحسين وقت التقادم لتحقيق التوازن بين الإكراه والبقاء.
• ضع في اعتبارك عملية التقادم متعددة المراحل للحصول على بنى مجهرية دقيقة.

باتباع هذه الإرشادات، يمكن لمغناطيسات ألنكو أن تحقق كامل إمكاناتها في التطبيقات عالية الأداء.