الخواص الميكانيكية لمغناطيسات الألنيكو ومقارنتها بأنواع المغناطيس الدائم الأخرى

1. مقدمة

تُعدّ مغناطيسات الألنيكو (الألومنيوم-النيكل-الكوبالت) فئةً من المغناطيسات الدائمة التي طُوّرت في ثلاثينيات القرن العشرين، وتشتهر بثباتها الحراري الممتاز، ومغناطيسيتها المتبقية العالية ( Br )، وقسريتها المتوسطة ( Hc ). وبينما تُوثّق خصائصها المغناطيسية جيدًا، فإنّ أداءها الميكانيكي - بما في ذلك الصلابة، وقوة الشد، وقوة الانحناء، والمتانة - لا يقلّ أهميةً في التطبيقات الهندسية. تُقدّم هذه المقالة بياناتٍ تفصيليةً عن الخصائص الميكانيكية لمغناطيسات الألنيكو، وتقارنها بمغناطيساتٍ دائمةٍ أخرى، مثل مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة (NdFeB، SmCo) ومغناطيسات الفريت.

2. الخواص الميكانيكية لمغناطيسات ألنكو

(1) الصلابة

• القيمة النموذجية : عادةً ما تُظهر مغناطيسات ألنكو صلابة روكويل سي (HRC) من 40 إلى 50 أو صلابة فيكرز (HV) من 500 إلى 700 .
• العوامل المؤثرة على الصلابة:
  • تركيبة السبيكة : يؤدي ارتفاع نسبة الكوبالت (Co) والنيكل (Ni) إلى زيادة الصلابة ولكنه يقلل من الليونة.
  • المعالجة الحرارية : يؤدي التقادم المناسب والتلدين بالمحلول إلى تحسين الصلابة عن طريق تحسين توزيع الرواسب (مثل أطوار Ni-Al أو Co-Ti).
  • البنية المجهرية : تعمل الهياكل ذات الحبيبات الدقيقة مع الرواسب المنتظمة على تعزيز الصلابة من خلال تثبيت جدار المجال.

(2) قوة الشد

• القيمة النموذجية : تتراوح قوة الشد القصوى (UTS) لسبائك Alnico من 150 إلى 300 ميجا باسكال ، اعتمادًا على درجة السبيكة وطريقة المعالجة.
• مقارنة مع أنواع المغناطيس الأخرى:
  • مغناطيس الفريت : قوة شد قصوى أقل (~50-100 ميجا باسكال) بسبب طبيعتها الخزفية.
  • مغناطيس NdFeB : قوة شد قصوى أعلى (~300-500 ميجا باسكال) ولكنه هش، مما يحد من إمكانية تشكيله.
  • مغناطيس SmCo : قوة شد متوسطة (~200-400 ميجا باسكال) مع صلابة أفضل من NdFeB.

(3) قوة الانحناء

• القيمة النموذجية : تتمتع مغناطيسات ألنكو بقوة انحناء تتراوح بين 100 و200 ميجا باسكال ، مما يجعلها أكثر مقاومة للانحناء من مغناطيسات الفريت ولكنها أقل متانة من مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة.
• العامل الرئيسي : إن البنية غير المتجانسة لـ Alnico (بسبب التصلب الاتجاهي) تعمل على تحسين قوة الانحناء على طول المحاور البلورية المفضلة.

(4) المتانة (مقاومة الصدمات)

• القيمة النموذجية : مغناطيسات ألنكو هشة ، بطاقة تأثير شاربي أقل من 5 جول/سم² ، على غرار مغناطيسات الفريت ولكنها أقل من مغناطيسات الأرض النادرة.
• القيود : انخفاض المتانة يحد من استخدام مادة ألنكو في التطبيقات التي تكون فيها الصدمات الميكانيكية ضئيلة (مثل أجهزة الاستشعار، والفضاء الجوي).

(5) الكثافة

• القيمة النموذجية : تبلغ كثافة Alnico 7.2-7.6 جم/سم³ ، وهي أعلى من كثافة مغناطيس الفريت (4.8-5.2 جم/سم³) ولكنها أقل من كثافة NdFeB (7.4-7.6 جم/سم³) وSmCo (8.3-8.5 جم/سم³).

3. مقارنة مع أنواع المغناطيس الدائم الأخرى

الجدول 1: الخصائص الميكانيكية للمغناطيس الدائم

(1) مغناطيس ألنكو مقابل مغناطيس نيوديميوم حديد بورون

• مزايا ألنكو:
  • استقرار حراري أفضل : يحتفظ Alnico بالمغناطيسية حتى 600 درجة مئوية ، بينما يتدهور NdFeB فوق 200 درجة مئوية .
  • قابلية تشغيل أعلى : يمكن قطع أو حفر أو طحن مادة Alnico، بينما تتطلب مادة NdFeB أدوات ماسية بسبب صلابتها.
• عيوب الألنيكو:
  • ناتج الطاقة المغناطيسية المنخفض : ألنكوBH الحد الأقصى (~5-10 ميجا أورستد) أقل بكثير من NdFeB (~40-50 ميجا أورستد).
  • انخفاض الإكراه المغناطيسي : مادة الألنيكو عرضة لإزالة المغناطيسية تحت تأثير المجالات العكسية.

(2) مغناطيس ألنكو مقابل مغناطيس سماركوبالت

• مزايا ألنكو:
  • انخفاض التكلفة : يحتوي SmCo على عناصر أرضية نادرة باهظة الثمن (مثل الساماريوم والديسبروسيوم)، مما يجعل Alnico أكثر اقتصادية.
  • مقاومة أفضل للتآكل : لا يتطلب Alnico طلاءات، بينما قد يتأكسد SmCo في البيئات الرطبة.
• عيوب الألنيكو:
  • أداء مغناطيسي أقل : يتميز سماركوبالت بمقاومة مغناطيسية أعلىBH الحد الأقصى (~25–32 MGOe) والإكراه (~600–800 kA/m).
  • معامل درجة الحرارة المنخفض : يتغير التمغنط المتبقي لـ SmCo بشكل أقل مع درجة الحرارة (-0.03%/°C مقابل -0.02%/°C لـ Alnico).

(3) النيكو مقابل مغناطيسات الفريت

• مزايا ألنكو:
  • المغناطيسية المتبقية الأعلى : إن مغناطيسية البروم في الألنيكو (~1.0–1.4 تسلا) أعلى بكثير من مغناطيسية الفريت (~0.2–0.4 تسلا).
  • قوة ميكانيكية أفضل : تتجاوز قوة الشد والانحناء لمغناطيس ألنكو تلك الموجودة في مغناطيس الفريت.
• عيوب الألنيكو:
  • التكلفة الأعلى : تعتبر مغناطيسات الفريت أرخص بكثير بسبب وفرة المواد الخام (مثل أكسيد الحديد وكربونات السترونتيوم).
  • استقرار مغناطيسي أقل : تتميز مغناطيسات الفريت بمعامل درجة حرارة أعلى للمغناطيسية المتبقية (~-0.2%/°C).

4. تطبيقات تعتمد على الخصائص الميكانيكية

(1) مغناطيس ألنكو

• أجهزة الاستشعار ذات درجة الحرارة العالية : تستخدم في أجهزة الاستشعار الخاصة بالفضاء والطيران والسيارات نظرًا لاستقرارها الحراري.
• لاقطات الغيتار الكهربائي : تعمل الأشكال القابلة للتشكيل والمجالات المغناطيسية المستقرة على تحسين جودة الصوت.
• المعدات العسكرية : مقاومة لإزالة المغناطيسية تحت تأثير الصدمات والاهتزازات.

(2) مغناطيسات NdFeB

• المحركات عالية الأداء : تستخدم في المركبات الكهربائية وتوربينات الرياح للحصول على أقصى عزم دوران.
• أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي : تتطلب مجالات مغناطيسية قوية للتصوير.

(3) مغناطيس SmCo

• مشغلات الفضاء الجوي : تعمل بشكل موثوق في درجات حرارة قصوى.
• الأجهزة الطبية : تُستخدم في أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة السمع نظرًا لتوافقها الحيوي.

(4) مغناطيس الفريت

• المحركات منخفضة التكلفة : توجد في الأجهزة المنزلية (مثل الثلاجات والمراوح).
• مكبرات الصوت : توفر مجالات مغناطيسية كافية بأقل تكلفة.

5. الخاتمة

تتميز مغناطيسات الألنيكو بصلابة متوسطة، وقوة شد، وقوة انحناء، لكنها تعاني من ضعف المتانة، مما يحد من استخدامها في التطبيقات عالية التأثير. بالمقارنة مع مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة (مثل النيوديميوم والحديد والبورون، والساماريوم والكوبالت)، توفر مغناطيسات الألنيكو استقرارًا حراريًا أفضل وقابلية أكبر للتشكيل، لكن أداءها المغناطيسي أقل. أما مغناطيسات الفريت، فرغم أنها أرخص، إلا أنها أقل جودة في كل من الخصائص المغناطيسية والميكانيكية. يعتمد اختيار المغناطيس على متطلبات التطبيق من حيث مقاومة الحرارة، والقوة المغناطيسية، والتكلفة، والمتانة الميكانيكية .

بالنسبة للتطبيقات الدقيقة التي تتطلب درجات حرارة عالية، يبقى مغناطيس ألنكو لا غنى عنه، بينما تفضل التطبيقات عالية الأداء والحساسة للتكلفة مغناطيس نيوديميوم حديد بورون أو سماريوم كوبالت. يُعد فهم هذه المفاضلات أمرًا ضروريًا لاختيار المغناطيس الأمثل في التصاميم الهندسية.