Diferencias en el ajuste fino de la composición entre AlNiCo fundido y AlNiCo sinterizado

El AlNiCo (aluminio-níquel-cobalto) es uno de los primeros materiales magnéticos permanentes desarrollados, compuesto principalmente de aluminio (Al), níquel (Ni), cobalto (Co), hierro (Fe) y trazas de otros elementos como cobre (Cu) y titanio (Ti). Según sus diferentes procesos de fabricación, el AlNiCo se puede clasificar en AlNiCo fundido y AlNiCo sinterizado, cada uno con distintas estrategias de ajuste de composición para optimizar su rendimiento en aplicaciones específicas.

1. Composición básica del AlNiCo

La composición fundamental del AlNiCo normalmente incluye:

• Aluminio (Al) : Generalmente varía entre el 5% y el 12%, lo que contribuye a la capacidad de fundición de la aleación, la resistencia mecánica y la estabilidad microestructural.
• Níquel (Ni) : Representa entre el 15% y el 30%, mejorando las propiedades magnéticas como la magnetización de saturación y la coercitividad, y mejorando la estabilidad de la temperatura.
• Cobalto (Co) : Presente en cantidades de 5% a 25%, promueve la anisotropía magnética, refina los precipitados y mejora la resistencia a la corrosión.
• Hierro (Fe) : El elemento base, que constituye la mayor parte de la aleación y proporciona la matriz magnética para la precipitación de fases magnéticas duras.
• Oligoelementos : como el cobre (Cu) y el titanio (Ti), se añaden en pequeñas cantidades para refinar aún más la microestructura y mejorar propiedades específicas.

2. AlNiCo fundido: Ajuste fino de la composición para un alto rendimiento magnético

2.1 Descripción general del proceso de fabricación

El AlNiCo fundido se produce mediante un proceso de fundición que consiste en fundir las materias primas, verter la aleación fundida en moldes y, posteriormente, someterla a un tratamiento térmico para lograr las propiedades magnéticas deseadas. Este proceso permite la producción de imanes grandes y de formas complejas con un rendimiento magnético relativamente alto.

2.2 Estrategias de ajuste fino de la composición

• Mayor contenido de cobalto : El AlNiCo fundido suele contener una mayor proporción de cobalto (hasta un 24 % o más) para mejorar su coercitividad y remanencia. El cobalto promueve la formación de precipitados finos y alargados de fase α₁ (una fase magnética dura) durante la descomposición espinodal, lo cual es crucial para lograr una alta coercitividad.
• Relaciones controladas de aluminio y níquel : Las relaciones de aluminio y níquel se controlan cuidadosamente para optimizar la estructura de fase y las propiedades magnéticas. Por ejemplo, aumentar el contenido de aluminio puede refinar el tamaño de grano y mejorar las propiedades mecánicas de la aleación, mientras que ajustar el contenido de níquel puede influir en la magnetización de saturación y la coercitividad.
• Adición de oligoelementos : Se añaden oligoelementos como el cobre (Cu) y el titanio (Ti) para refinar aún más la microestructura. El cobre puede promover la formación de precipitados finos, mientras que el titanio puede mejorar la estabilidad de la aleación a altas temperaturas mediante la formación de compuestos intermetálicos estables.

2.3 Ejemplo de composición: Alnico-6

Un ejemplo típico de AlNiCo fundido es el Alnico-6, que tiene la siguiente composición:

• Aluminio (Al): 8%
• Níquel (Ni): 16%
• Cobalto (Co): 24%
• Cobre (Cu): 3%
• Titanio (Ti): 1%
• Hierro (Fe) : Equilibrio

Esta composición da como resultado un imán con un producto de energía máximo ((BH)max) de 3,9 megagauss-oesteds (MG·Oe), una coercitividad de 780 oersted y una temperatura de Curie de 860 °C, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alto rendimiento como motores y sensores.

3. AlNiCo sinterizado: ajuste fino de la composición para mejorar la capacidad de fabricación y la precisión dimensional

3.1 Descripción general del proceso de fabricación

El AlNiCo sinterizado se produce mediante un proceso de pulvimetalurgia que consiste en mezclar las materias primas hasta obtener un polvo, prensarlo hasta obtener la forma deseada y, posteriormente, sinterizarlo a altas temperaturas para lograr la densificación y las propiedades magnéticas. Este proceso ofrece ventajas en cuanto a precisión dimensional, acabado superficial y la capacidad de producir imanes pequeños y de formas complejas.

3.2 Estrategias de ajuste fino de la composición

• Menor contenido de cobalto : En comparación con el AlNiCo fundido, el AlNiCo sinterizado suele contener una menor proporción de cobalto (normalmente entre un 15 % y un 20 %) para reducir costes y mejorar la fabricación. Si bien esto puede resultar en una coercitividad y remanencia ligeramente inferiores, el rendimiento magnético general sigue siendo suficiente para muchas aplicaciones.
• Tamaño y distribución optimizados de las partículas de polvo : El tamaño y la distribución de las partículas de la materia prima en polvo se controlan cuidadosamente para garantizar una densificación uniforme durante la sinterización. Los polvos finos promueven una mejor densidad de empaquetamiento y reducen la porosidad, lo que mejora las propiedades mecánicas y el rendimiento magnético.
• Adición de coadyuvantes de sinterización : Se pueden añadir coadyuvantes de sinterización como el boro (B) o el carbono (C) en pequeñas cantidades para mejorar el proceso de sinterización, reduciendo la temperatura de sinterización o promoviendo el crecimiento del grano. Estos coadyuvantes pueden ayudar a lograr mayores densidades y mejores propiedades magnéticas en el producto final.

3.3 Ejemplo de composición: Alnico sinterizado con precisión dimensional mejorada

Un ejemplo típico de AlNiCo sinterizado podría tener la siguiente composición:

• Aluminio (Al): 9%
• Níquel (Ni): 13%
• Cobalto (Co): 18%
• Cobre (Cu): 2%
• Hierro (Fe) : Equilibrio
• Trazas de coadyuvantes de sinterización (por ejemplo, B o C)

Esta composición, combinada con parámetros optimizados de procesamiento y sinterización de polvo, da como resultado un imán con buena precisión dimensional, acabado superficial y propiedades magnéticas adecuadas para aplicaciones como altavoces y motores pequeños.

4. Análisis comparativo de los efectos de ajuste fino de la composición

4.1 Propiedades magnéticas

• AlNiCo fundido : Generalmente presenta mayor coercitividad y remanencia debido a su mayor contenido de cobalto y a su estructura de fases optimizada, resultante de la descomposición espinodal. Esto lo hace adecuado para aplicaciones de alto rendimiento que requieren campos magnéticos intensos.
• AlNiCo sinterizado : Si bien sus propiedades magnéticas pueden ser ligeramente inferiores a las del AlNiCo fundido, siguen siendo suficientes para muchas aplicaciones. La ventaja del AlNiCo sinterizado reside en su mayor facilidad de fabricación y precisión dimensional.

4.2 Propiedades mecánicas

• AlNiCo fundido : Puede presentar propiedades mecánicas ligeramente inferiores debido a la presencia de granos más grandes y a la posible porosidad resultante del proceso de fundición. Sin embargo, esto puede mitigarse mediante tratamientos de posprocesamiento como el prensado isostático en caliente (HIP).
• AlNiCo sinterizado : Suele presentar mejores propiedades mecánicas gracias a su estructura de grano más fino y a la mayor densidad obtenida mediante sinterización. Esto lo hace más resistente al agrietamiento y la rotura bajo tensión.

4.3 Estabilidad de la temperatura

• Ambos tipos : Los imanes de AlNiCo, en general, presentan una excelente estabilidad térmica gracias a sus bajos coeficientes de remanencia de temperatura. Esto significa que sus propiedades magnéticas cambian mínimamente con las variaciones de temperatura, lo que los hace adecuados para aplicaciones que operan en un amplio rango de temperaturas.
• AlNiCo fundido : puede tener una ligera ventaja en términos de estabilidad a altas temperaturas debido a su mayor contenido de cobalto y estructura de fase optimizada.

4.4 Costo y capacidad de fabricación

• AlNiCo fundido : El proceso de fundición puede ser más rentable para producir imanes grandes y de formas sencillas en grandes cantidades. Sin embargo, puede requerir pasos adicionales de posprocesamiento para lograr la precisión dimensional y el acabado superficial deseados.
• AlNiCo sinterizado : Ofrece ventajas en cuanto a capacidad de fabricación y precisión dimensional, especialmente para imanes pequeños y de formas complejas. El proceso de pulvimetalurgia permite una producción casi con forma final, lo que reduce la necesidad de extensas operaciones de mecanizado y acabado. Sin embargo, el coste de las materias primas en polvo y del equipo de sinterización puede ser mayor que el de la fundición.