هل ستتم إضافة كميات ضئيلة من العناصر الأرضية النادرة إلى مغناطيسات الألومنيوم والنيكل والكوبالت، وهل سيكون لهذه الإضافة تأثير إيجابي أم سلبي على الأداء؟

1. مقدمة عن مغناطيسات ألنكو

تُعدّ مغناطيسات الألنيكو، المُكوّنة أساسًا من الألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والحديد (Fe)، من أوائل المغناطيسات الدائمة التي طُوّرت. تُصنّف هذه المغناطيسات إلى نوعين: متناحية الخواص وغير متناحية الخواص، وذلك بناءً على اتجاهها المغناطيسي. وتتميز الأنواع غير متناحية الخواص (مثل الألنيكو 5 والألنيكو 8) بقيم طاقة مغناطيسية أعلى نتيجةً لنمو البلورات الموجه. تشتهر مغناطيسات الألنيكو بثباتها الحراري الممتاز (حيث تعمل حتى 500-600 درجة مئوية) ومقاومتها للتآكل، مما يجعلها ضرورية في تطبيقات مثل صناعة الطيران والفضاء، وأجهزة الاستشعار، والأجهزة الكهربائية. مع ذلك، فإنّ انخفاض إكراهها المغناطيسي نسبيًا يُحدّ من استخدامها في البيئات ذات المجالات المغناطيسية العالية.

2. دور العناصر الأرضية النادرة النزرة في الألنيكو

تُضاف العناصر الأرضية النادرة، مثل اللانثانوم (La) والسيريوم (Ce) والسكانديوم (Sc) والنيوديميوم (Nd)، أحيانًا إلى سبائك الألنيكو بكميات ضئيلة (عادةً أقل من 1%) لتحسين الأداء. وتخدم إضافتها أغراضًا متعددة:

• تحسين البنية المجهرية : تعمل العناصر الأرضية النادرة كمحسنات للحبوب، مما يعزز نمو البلورات بشكل موحد ويقلل من العيوب، الأمر الذي يعزز القوة الميكانيكية والليونة.
• تحسين مقاومة التآكل : تشكل العناصر الأرضية النادرة طبقات أكسيد مستقرة على سطح المغناطيس، مما يمنع الأكسدة والتدهور الكيميائي، وهو أمر بالغ الأهمية للموثوقية على المدى الطويل في البيئات القاسية.
• تعديل الخصائص المغناطيسية : يمكن لبعض العناصر الأرضية النادرة أن تعدل بشكل طفيف الإكراه المغناطيسي، والمغناطيسية المتبقية، والتباين المغناطيسي عن طريق تغيير التركيب الطوري للسبيكة وبنية المجال المغناطيسي.

3. الآثار الإيجابية لإضافة العناصر الأرضية النادرة

3.1 تحسين الخواص الميكانيكية

• القوة والمتانة : تُظهر الدراسات التي أُجريت على سبائك شبيهة بالألنيكو (مثل سبائك الألومنيوم-الكوبالت-الكروم-الحديد-النيكل عالية الإنتروبيا) أن إضافة اللانثانوم أو السكانديوم تزيد بشكل ملحوظ من مقاومة الخضوع، ومقاومة الشد القصوى، ومتانة الكسر. فعلى سبيل المثال، تُحسّن إضافة اللانثانوم حجم الحبيبات، مما يؤدي إلى بنية مجهرية أكثر تجانسًا تقاوم انتشار الشقوق.
• استقرار درجات الحرارة العالية : تعمل العناصر الأرضية النادرة على تحسين مقاومة الزحف للسبيكة عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يحافظ على السلامة الميكانيكية في تطبيقات مثل توربينات الفضاء الجوي.

3.2 مقاومة فائقة للتآكل

• طبقات الأكسيد الخاملة : تشكل العناصر الأرضية النادرة، وخاصة اللانثانوم والسيريوم، أغشية أكسيد كثيفة ومتماسكة (مثل La₂O₃ و CeO₂) تحمي المغناطيس من الرطوبة والأملاح والأحماض. وهذا يقلل من التآكل النُقري والتشقق الناتج عن الإجهاد، مما يطيل عمر الخدمة في البيئات البحرية أو الكيميائية.
• التأثيرات التآزرية مع العناصر الأخرى : عند دمجها مع النحاس (Cu) أو التيتانيوم (Ti)، تعمل العناصر الأرضية النادرة على تعزيز استقرار الأطوار بين الفلزية (مثل أطوار Fe-Co)، مما يؤدي إلى زيادة تثبيط التآكل.

3.3 تحسين الخصائص المغناطيسية

• تعديل الإكراه المغناطيسي : على الرغم من أن العناصر الأرضية النادرة لها تأثير مباشر ضئيل عمومًا على الإكراه المغناطيسي في الألنيكو، إلا أنها قد تؤثر عليه بشكل غير مباشر من خلال تحسين البنية المجهرية. على سبيل المثال، تعزز إضافة السكانديوم إلى سبائك الألومنيوم والسكانديوم تكوين أطوار دقيقة من الحديد ألفا، مما قد يساهم في استقرار المجالات المغناطيسية.
• تقليل الفقد المغناطيسي : يمكن للعناصر الأرضية النادرة أن تقلل من خسائر التيار الدوامي في تطبيقات التيار المتردد عن طريق زيادة المقاومة الكهربائية، على الرغم من أن هذا الأمر أكثر أهمية في المواد المغناطيسية اللينة.

4. التحديات والقيود المحتملة

4.1 التكلفة والتوافر

• تُعدّ العناصر الأرضية النادرة مثل النيوديميوم والديسبروسيوم باهظة الثمن وعرضة لمشاكل في سلسلة التوريد. ويقتصر استخدامها في سبائك الألنيكو على التطبيقات المتخصصة عالية الأداء حيث تُعتبر التكلفة ثانوية مقارنة بالأداء.

4.2 تعقيد المعالجة

• تتميز العناصر الأرضية النادرة بدرجات انصهار عالية وتفاعلية كبيرة، مما يُعقّد عملية صهر السبائك وصبها. لذا، يُعدّ التحكم الدقيق في مستويات التطعيم أمرًا بالغ الأهمية لتجنب التقصّف أو انفصال الأطوار.

4.3 تناقص العوائد

• عند تجاوز المستويات الضئيلة (مثلًا، >1%)، قد تُشكّل العناصر الأرضية النادرة مركبات بين فلزية هشة (مثلًا، أطوار اللانثانوم والحديد)، مما يُؤدي إلى تدهور الخواص الميكانيكية. ويختلف التركيز الأمثل باختلاف تركيب السبيكة والمعالجة الحرارية.

5. دراسات الحالة والأدلة التجريبية

5.1 سبائك عالية الإنتروبيا شبيهة بالألنيكو مطعمة باللانثانوم

• أظهرت الأبحاث التي أُجريت على سبائك AlCoCrFeNi₂.₁ أن إضافة اللانثانوم (0.5-1% وزناً) تزيد الصلابة بنسبة 15-20%، ومقاومة الخضوع بنسبة 20-30%، ومقاومة التآكل في محلول كلوريد الصوديوم بتركيز 3.5% عن طريق خفض كثافة تيار التآكل بنسبة 50%. وكشفت القياسات المغناطيسية عن زيادة طفيفة في المغناطيسية المتبقية (Br) وانخفاض في الإكراه المغناطيسي (Hc)، ويعزى ذلك إلى بنية الحبيبات الدقيقة.

5.2 ألنكو 5 المعدل بالسكانديوم

• تؤدي إضافة السكانديوم (0.1-0.3% وزناً) إلى سبيكة ألنكو 5 إلى تحسين البنية البلورية العمودية، مما يزيد من المرونة الميكانيكية بنسبة 10-15% دون التأثير على ناتج الطاقة المغناطيسية (BHmax). وهذا يسمح باستخدام أقسام مغناطيسية أرق للأجهزة المصغرة.

5.3 ألنكو المحتوي على السيريوم لتطبيقات الفضاء الجوي

• يستخدم السيريوم في أنواع الألنيكو لأجهزة استشعار محركات الطائرات النفاثة نظرًا لقدرته على الحفاظ على الاستقرار المغناطيسي في درجات حرارة تتجاوز 400 درجة مئوية، مع مقاومة التآكل الناتج عن الكبريت في البيئات الغنية بالوقود.

6. مقارنة مع أنواع المغناطيس الأخرى

• مقارنة بمغناطيس NdFeB : على الرغم من أن مغناطيس NdFeB يوفر قيمة BHmax أعلى، إلا أنه عرضة للتآكل وفقدان المغناطيسية الحراري. يوفر مغناطيس Alnico المُطعّم بالعناصر الأرضية النادرة بديلاً فعالاً من حيث التكلفة في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والمعرضة للتآكل.
• مقارنة بمغناطيس الفريت : يتفوق مغناطيس الألنيكو على مغناطيس الفريت من حيث الثبات الحراري والقوة الميكانيكية، على الرغم من أن الفريت أرخص. وتساهم إضافة العناصر الأرضية النادرة في تضييق هذه الفجوة في التطبيقات المتخصصة.

7. الاتجاهات المستقبلية

• تطعيم العناصر الأرضية النادرة المتدرجة : تصميم توزيع العناصر الأرضية النادرة داخل المغناطيس لتحسين الخصائص محليًا (على سبيل المثال، زيادة الإكراه عند الحواف).
• إعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة : استعادة العناصر الأرضية النادرة من المغناطيسات التي انتهى عمرها الافتراضي لتقليل التأثير البيئي والتكلفة.
• المغناطيس الهجين : الجمع بين مادة ألنكو مع المراحل المغناطيسية الناعمة (مثل Fe-Si) لإنشاء مغناطيس مركب ذي نفاذية قابلة للتعديل.