تأثير شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب على درجة التوجيه في التصلب الاتجاهي (توجيه المجال المغناطيسي) لمغناطيسات ألنكو

تُستخدم مغناطيسات الألنيكو، كنوع من المغناطيس الدائم ذي الأداء الممتاز، على نطاق واسع في مجالات متنوعة كالمحركات والمستشعرات وأجهزة الصوت. وتُعدّ عملية التصلب الاتجاهي مع توجيه المجال المغناطيسي تقنية أساسية لتحضير مغناطيسات الألنيكو عالية الأداء. إذ تُتيح هذه العملية التحكم الفعال في اتجاه بلورات السبيكة، ما يُحسّن خصائصها المغناطيسية. ستتناول هذه المقالة تأثير شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب على درجة التوجيه في عملية التصلب الاتجاهي لمغناطيسات الألنيكو.

1. أساسيات التصلب الاتجاهي مع توجيه المجال المغناطيسي

1.1 المبادئ الأساسية للتصلب الاتجاهي

التصلب الاتجاهي هو عملية تصلب تتحكم في اتجاه نمو البلورات من خلال إحداث تدرج حراري محدد في المعدن المنصهر. في هذه العملية، يتحرك سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل في اتجاه محدد، مما يسمح للبلورات بالنمو بشكل تفضيلي على طول هذا الاتجاه، لتشكل في النهاية بنية عمودية أو أحادية البلورة. تتميز هذه البنية بمزايا كبيرة من حيث الخواص الميكانيكية والمغناطيسية.

1.2 دور اتجاه المجال المغناطيسي

عند تطبيق مجال مغناطيسي أثناء عملية التصلب الاتجاهي، تتعرض البلورات المتباينة مغناطيسيًا لعزم مغناطيسي. ونظرًا لاختلاف القابلية المغناطيسية على طول محاور البلورة المختلفة، تدور البلورات تحت تأثير العزم المغناطيسي لتقليل طاقتها المغناطيسية، وبالتالي تحقيق التوجيه. بالنسبة لسبائك الألنيكو، تتميز الأطوار الرئيسية مثل α-Fe و NiAl بتباين مغناطيسي واضح، مما يجعلها مناسبة لمعالجة التوجيه بالمجال المغناطيسي.

2. تأثير شدة المجال المغناطيسي على درجة التوجيه

2.1 التحليل النظري لتأثير شدة المجال المغناطيسي

يمكن التعبير عن عزم الدوران المغناطيسي المؤثر على بلورة مغناطيسية غير متجانسة في مجال مغناطيسي على النحو التالي:

أين:

• τ هو عزم الدوران المغناطيسي،
• μ0 هي نفاذية الفراغ،
• V هو حجم البلورة،
• يمثل Δχ الفرق في القابلية المغناطيسية بين محاور البلورة المختلفة،
• H هي شدة المجال المغناطيسي،
• θ هي الزاوية بين محور التمغنط السهل للبلورة واتجاه المجال المغناطيسي.

يتضح من الصيغة أن عزم الدوران المغناطيسي يتناسب طرديًا مع شدة المجال المغناطيسي H. ومع ازدياد شدة المجال المغناطيسي، يزداد عزم الدوران المغناطيسي المؤثر على البلورة، مما يسهل عليها التغلب على مقاومة المعدن المنصهر والدوران لمحاذاة محور التمغنط السهل مع اتجاه المجال المغناطيسي، وبالتالي تحسين درجة التوجيه.

2.2 التحقق التجريبي من تأثير شدة المجال المغناطيسي

أظهرت الدراسات التجريبية أنه في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك الألنيكو، عندما تكون شدة المجال المغناطيسي منخفضة (مثلًا، أقل من 1 تسلا)، تزداد درجة توجيه البلورات ببطء مع زيادة شدة المجال المغناطيسي. ويعود ذلك إلى أن عزم الدوران المغناطيسي يكون صغيرًا نسبيًا عند شدة المجال المغناطيسي المنخفضة، وتتعرض البلورات لمقاومة أكبر من المعدن المنصهر، مما يُصعّب دورانها بفعالية.

عندما تزداد شدة المجال المغناطيسي إلى نطاق معين (مثلاً، من 1 إلى 5 تسلا)، تزداد درجة توجيه البلورات بشكل ملحوظ مع ازدياد شدة المجال المغناطيسي. في هذا النطاق، يكون عزم الدوران المغناطيسي كافياً للتغلب على مقاومة المعدن المنصهر، مما يُمكّن البلورات من الدوران والاصطفاف بكفاءة.

مع ذلك، عندما تكون شدة المجال المغناطيسي عالية جدًا (مثلًا، أكبر من 5 تسلا)، يتباطأ ازدياد درجة توجيه البلورات أو حتى يميل إلى الاستقرار. ويعود ذلك إلى أنه عندما تصل شدة المجال المغناطيسي إلى مستوى معين، تكون البلورات قد أكملت توجيهها بشكل أساسي، ولن تؤدي زيادة شدة المجال المغناطيسي إلى تحسين درجة التوجيه بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، قد تُسبب شدة المجال المغناطيسي العالية جدًا بعض الآثار السلبية، مثل زيادة تكلفة المعدات واستهلاك الطاقة في العملية.

2.3 تأثير عتبة شدة المجال المغناطيسي

في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك الألنيكو، توجد عتبة لشدة المجال المغناطيسي لتوجيه الأطوار المختلفة. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لطور AlNi في سبائك الألنيكو، تزداد عتبة شدة المجال المغناطيسي لتوجيهه مع زيادة محتوى النيكل في السبيكة، وتقل مع ارتفاع درجة حرارة التسخين شبه الصلب. وهذا يدل على أن توجيه طور AlNi يتأثر بعوامل مثل عدد وحجم ولزوجة المعدن السائل.

3. تأثير معدل التصلب على درجة التوجيه

3.1 التحليل النظري لتأثير معدل التصلب

يشير معدل التصلب إلى سرعة حركة سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل أثناء عملية التصلب. وله تأثير كبير على البنية المجهرية ودرجة توجيه البلورات في السبيكة. ووفقًا لنظرية التصلب، يؤثر معدل التصلب على شكل نمو البلورات وتوجيهها من خلال التأثير على تدرج درجة الحرارة ومعدل التبريد عند سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل.

عندما يكون معدل التصلب منخفضًا، يكون تدرج درجة الحرارة عند سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل صغيرًا نسبيًا، ويكون معدل التبريد بطيئًا. في هذه الحالة، يتوفر للبلورات وقت كافٍ للنمو والدوران، مما يُسهم في تحسين درجة التوجيه. مع ذلك، قد يؤدي انخفاض معدل التصلب بشكل مفرط إلى مشاكل مثل الحبيبات الخشنة والانفصال الشديد، مما لا يُحسّن الأداء العام للسبيكة.

عندما يكون معدل التصلب مرتفعًا، يكون تدرج درجة الحرارة عند سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل كبيرًا نسبيًا، ويكون معدل التبريد سريعًا. في هذه الحالة، يقل زمن نمو البلورات، ويتقيد دورانها، مما قد يقلل من درجة توجيهها. مع ذلك، فإن ارتفاع معدل التصلب يُحسّن من دقة الحبيبات ويقلل من الانفصال، وهو ما يُفيد في تحسين الخواص الميكانيكية للسبيكة.

3.2 التحقق التجريبي من تأثير معدل التصلب

أظهرت الدراسات التجريبية أن العلاقة بين معدل التصلب ودرجة التوجيه في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك الألنيكو ليست خطية. فعندما يكون معدل التصلب ضمن نطاق معين، تكون درجة التوجيه عالية نسبيًا. أما عندما يكون معدل التصلب أقل أو أعلى من هذا النطاق، فإن درجة التوجيه تنخفض.

على سبيل المثال، في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك ألنكو 8، عند ضبط معدل التصلب عند حوالي 10-50 ميكرومتر/ثانية، يمكن الحصول على درجة توجيه عالية نسبيًا. أما عندما يكون معدل التصلب أقل من 10 ميكرومتر/ثانية، فعلى الرغم من أن البلورات لديها وقت كافٍ للدوران، إلا أن الحبيبات الخشنة والانفصال الشديد الناتج عن انخفاض معدل التصلب سيؤديان إلى انخفاض الأداء العام للسبيكة، بما في ذلك الخصائص المغناطيسية. وعندما يكون معدل التصلب أعلى من 50 ميكرومتر/ثانية، فإن تقييد دوران البلورات بسبب سرعة التصلب سيؤدي إلى انخفاض درجة التوجيه.

3.3 تأثير معدل التصلب على تباعد التغصنات

يؤثر معدل التصلب أيضًا على تباعد التغصنات في السبيكة. ويُقصد بتباعد التغصنات المسافة بين التغصنات المتجاورة. وبشكل عام، يقل تباعد التغصنات مع زيادة معدل التصلب. فعندما يكون معدل التصلب منخفضًا، يكون تباعد التغصنات كبيرًا، ما يتيح للبلورات مساحة أكبر للنمو والدوران، وهو ما يُسهم في تحسين درجة التوجيه. أما عندما يكون معدل التصلب مرتفعًا، فيكون تباعد التغصنات صغيرًا، ما يُقيد نمو البلورات ودورانها، وهو ما قد يُقلل من درجة التوجيه.

مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن تقارب التفرعات البلورية قد يحد من دوران البلورات إلى حد ما، إلا أنه قد يحسن الخواص الميكانيكية للسبيكة عن طريق صقل الحبيبات. لذا، في الإنتاج العملي، لا بد من إيجاد حل وسط بين درجة التوجيه والخواص الميكانيكية من خلال التحكم الأمثل في معدل التصلب.

4. تأثير اقتران شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب على درجة التوجيه

4.1 التأثير التآزري

في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك الألنيكو، يؤثر كل من شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب بشكل متبادل على درجة التوجيه. عند تثبيت شدة المجال المغناطيسي، يمكن لزيادة مناسبة في معدل التصلب أن تُحسّن تدرج درجة الحرارة عند سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل، مما يُسهم في تكوين سطح تماس مستقر بينهما ونمو البلورات الموجهة. مع ذلك، إذا كان معدل التصلب مرتفعًا جدًا، فإن تقييد دوران البلورات الناتج عن سرعة التصلب سيُلغي التأثير الإيجابي لتوجيه المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى انخفاض درجة التوجيه.

وبالمثل، عند تثبيت معدل التصلب، يمكن لزيادة مناسبة في شدة المجال المغناطيسي أن تزيد من عزم الدوران المغناطيسي المؤثر على البلورات، مما يعزز دورانها ومحاذاتها. مع ذلك، إذا كانت شدة المجال المغناطيسي عالية جدًا، فقد تفوق الآثار السلبية، مثل زيادة تكلفة المعدات واستهلاك الطاقة، الأثر الإيجابي لتحسين درجة التوجيه.

4.2 تحسين معلمات العملية

للحصول على درجة توجيه عالية في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك الألنيكو، من الضروري تحسين معايير العملية مثل شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب. ومن خلال عدد كبير من التجارب والمحاكاة، يمكن تحديد التركيبة المثلى لشدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب بناءً على التركيب المحدد ومتطلبات الأداء للسبيكة.

على سبيل المثال، بالنسبة لسبائك Alnico 8، من خلال البحث التجريبي، تم العثور على أنه عندما يتم التحكم في قوة المجال المغناطيسي عند حوالي 3-5 تسلا ويتم التحكم في معدل التصلب عند حوالي 20-40 ميكرومتر/ثانية، يمكن الحصول على درجة توجيه عالية نسبيًا وأداء شامل جيد.

5. تحليل الحالة

5.1 الإعداد التجريبي

للتحقق من تأثير شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب على درجة التوجيه في عملية التصلب الاتجاهي لسبائك الألنيكو، أُجريت سلسلة من التجارب. وشملت المعدات التجريبية بشكل أساسي فرن تصلب اتجاهي، وجهاز توليد مجال مغناطيسي، ونظام تحكم في درجة الحرارة.

كانت المواد التجريبية عبارة عن سبائك ألنكو 8 ذات تركيب محدد. وُضعت العينات في بوتقة وسُخّنت حتى انصهرت في فرن التصلب الاتجاهي. بعد ذلك، طُبّق مجال مغناطيسي بقوة معينة، وتصلّبت العينات بمعدل تصلب محدد.

5.2 النتائج التجريبية والتحليل

5.2.1 تأثير شدة المجال المغناطيسي

أظهرت النتائج التجريبية أنه عند تثبيت معدل التصلب عند 30 ميكرومتر/ثانية، ومع زيادة شدة المجال المغناطيسي من 1 تسلا إلى 5 تسلا، ازدادت درجة توجيه البلورات بشكل ملحوظ. عند شدة مجال مغناطيسي 1 تسلا، كانت درجة التوجيه منخفضة نسبيًا، حوالي 60% فقط. وعندما زادت شدة المجال المغناطيسي إلى 3 تسلا، ارتفعت درجة التوجيه إلى حوالي 80%. وعندما زادت شدة المجال المغناطيسي إلى 5 تسلا، وصلت درجة التوجيه إلى حوالي 90%، ثم استقرت.

5.2.2 تأثير معدل التصلب

عند تثبيت شدة المجال المغناطيسي عند 4 تسلا، ومع زيادة معدل التصلب من 10 ميكرومتر/ثانية إلى 50 ميكرومتر/ثانية، ازدادت درجة التوجيه أولًا ثم انخفضت. عند معدل تصلب 10 ميكرومتر/ثانية، بلغت درجة التوجيه حوالي 75%. وعندما زاد معدل التصلب إلى 30 ميكرومتر/ثانية، وصلت درجة التوجيه إلى أقصى قيمة لها عند حوالي 90%. وعندما زاد معدل التصلب أكثر إلى 50 ميكرومتر/ثانية، انخفضت درجة التوجيه إلى حوالي 80%.

5.2.3 تأثير الاقتران

من خلال تحليل البيانات التجريبية، تبيّن وجود توليفة مثلى من شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب للحصول على أعلى درجة توجيه. في هذه التجربة، عندما كانت شدة المجال المغناطيسي 4 تسلا ومعدل التصلب 30 ميكرومتر/ثانية، بلغت درجة التوجيه أقصى قيمة لها، حوالي 90%. وهذا يؤكد تأثير اقتران شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب على درجة التوجيه.

6. الخاتمة والتوقعات

6.1 الخاتمة

في عملية التصلب الاتجاهي لمغناطيسات الألنيكو، يؤثر كل من شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب بشكل كبير على درجة التوجيه. فزيادة شدة المجال المغناطيسي بشكل مناسب تزيد من عزم الدوران المغناطيسي المؤثر على البلورات، مما يعزز دورانها ومحاذاتها، بينما قد تؤدي شدة المجال المغناطيسي العالية جدًا إلى آثار سلبية. كما أن زيادة معدل التصلب بشكل مناسب تُحسّن من تدرج درجة الحرارة عند سطح التماس بين الطورين الصلب والسائل، مما يُساعد على نمو البلورات الموجهة، إلا أن معدل التصلب المرتفع جدًا يُعيق دوران البلورات ويُقلل من درجة التوجيه. يوجد تأثير ترابطي بين شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب، ويمكن تحديد توليفة مثلى بينهما من خلال التجارب والمحاكاة للحصول على أعلى درجة توجيه.

6.2 التوقعات

في المستقبل، ومع التطور المستمر لعلوم المواد والتكنولوجيا الكهرومغناطيسية، سيتم تحسين عملية التصلب الاتجاهي لمغناطيسات الألنيكو باستخدام توجيه المجال المغناطيسي. فمن جهة، يمكن للبحوث المتعلقة بأجهزة توليد المجال المغناطيسي الجديدة وتقنيات التحكم بها أن توفر ظروفًا أكثر دقة واستقرارًا للمجال المغناطيسي اللازم لعملية التصلب الاتجاهي. ومن جهة أخرى، يمكن للجمع بين المحاكاة العددية والبحوث التجريبية أن يكشف بشكل أعمق آلية تأثير شدة المجال المغناطيسي ومعدل التصلب على درجة التوجيه، مما يوفر أساسًا علميًا أكثر دقة لتحسين العملية. إضافة إلى ذلك، سيساهم استكشاف تركيبات جديدة لسبائك الألنيكو وتطبيق تقنيات تحضير جديدة في تعزيز التحسين المستمر لأداء مغناطيسات الألنيكو.