تحلیل تطبیقی: آهنرباهای AlNiCo در مقابل آهنرباهای NdFeB
ترکیب و ساخت
آهنرباهای AlNiCo
آهنرباهای AlNiCo آلیاژهای فلزی هستند که عمدتاً از آلومینیوم تشکیل شده‌اند (8–۱۲٪، نیکل (15–۲۶٪، کبالت (5–۲۴٪)، آهن (متعادل) و عناصر کمیاب مانند مس و تیتانیوم. این آلیاژها از طریق دو روش تولید می‌شوند:
- ریخته‌گری آلیاژ مذاب در قالب ریخته می‌شود و امکان ایجاد اشکال پیچیده (مثلاً آهنرباهای نعل اسبی) با دقت ابعادی عالی را فراهم می‌کند.
- پخت آلیاژ پودر شده پرس و گرم می‌شود و چگالی و استحکام مکانیکی بالاتری به دست می‌دهد.
آهنرباهای NdFeB
آهنرباهای NdFeB ترکیباتی از عناصر خاکی کمیاب هستند که بر اساس ساختار کریستالی تتراگونال Nd₂Fe₁₄B ساخته شده‌اند. آنها حاوی نئودیمیم هستند (25–۳۵٪، آهن (60–۷۰٪) و بور (1–۲٪)، با جایگزینی‌های اختیاری (مثلاً دیسپروزیم برای افزایش وادارندگی). تولید شامل می‌شود:
- متالورژی پودر مواد اولیه ذوب می‌شوند، به پودر تبدیل می‌شوند، در یک میدان مغناطیسی همسو می‌شوند و در دمای ... زینتر می‌شوند. 1000–1200°C.
- پس پردازش ماشینکاری، پوشش (مثلاً Ni-Cu-Ni) و عملیات حرارتی، عملکرد را بهبود می‌بخشند.
عملکرد مغناطیسی
محصول انرژی و پسماند
آهنرباهای NdFeB از نظر قدرت مغناطیسی غالب هستند و حداکثر انرژی حاصل از آنها (BHmax) از ... 220–۴۳۰ کیلوژول بر متر مربع³ (30–۵۵ MGOe)، در مقایسه با AlNiCo’ها 5–۵۲ کیلوژول بر متر مربع³ (0.6–۶.۵ مگاژول. NdFeB’پسماند (Br) به ۱ می‌رسد.1–۱.۵ تن، در حالی که AlNiCo’s Br برابر با 0 است.8–۱.۳ تسلا، که NdFeB را برای کاربردهای فشرده و گشتاور بالا مانند موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی ایده‌آل می‌کند.
اجبار
آهنرباهای NdFeB وادارندگی ذاتی بالایی از خود نشان می‌دهند (Hcj = 800–۳۰۰۰ کیلوآمپر بر متر)، که مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی را ممکن می‌سازد. آلنیکو’Hcj به طور قابل توجهی پایین تر است (40–۱۲۰ کیلوآمپر بر متر)، که نیاز به جابجایی دقیق برای جلوگیری از وارونگی میدان مغناطیسی دارد. با این حال، AlNiCo’وادارندگی پایین، امکان مغناطش/دمغناطیس‌زدایی آسان را برای حسگرهای قابل تنظیم فراهم می‌کند.
پایداری حرارتی
ضرایب دما
AlNiCo در پایداری حرارتی عالی است، با ضریب دمایی برگشت‌پذیر پسماند (αBr) از -0.02٪ /°C، در مقایسه با NdFeB’-0.12%/°C. این یعنی AlNiCo’خروجی مغناطیسی s به صورت خطی با دما کاهش می‌یابد، در حالی که NdFeB در دماهای بالاتر دچار تلفات نمایی می‌شود. 100°C.
دمای کوری و محدوده عملیاتی
آلنیکو’دمای کوری (Tc = 850°ج) و برد عملیاتی (-)250°سی تا 550°ج) بسیار بیشتر از NdFeB’اس تی سی (310–380°ج) و 80–200°حد سی. برای مثال، AlNiCo LNGT32 عملکرد خود را در ... حفظ می‌کند. 550°C، در حالی که NdFeB N42SH در موارد بالاتر شکست می‌خورد 150°C. این امر AlNiCo را برای حسگرهای هوافضا و کوره‌های صنعتی حیاتی می‌کند.
مقاومت در برابر خوردگی
آسیب‌پذیری مواد
NdFeB’محتوای آهن (60–۷۰٪) آن را مستعد اکسیداسیون می‌کند و نیاز به پوشش‌های محافظ (مثلاً اپوکسی، Ni-Cu-Ni) را ضروری می‌سازد. حتی با پوشش‌دهی، NdFeB در محیط‌های مرطوب یا شور تخریب می‌شود و استفاده از آن را در کاربردهای دریایی محدود می‌کند. AlNiCo، به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، نیازی به عملیات سطحی ندارد و همین امر آن را برای حسگرهای فضای باز و تجهیزات فرآوری شیمیایی مناسب می‌کند.
دوام طولانی مدت
آهنرباهای NdFeB بدون پوشش می‌توانند از بین بروند 5–سالانه 10٪ از قدرت مغناطیسی خود را در شرایط سخت حفظ می‌کنند، در حالی که AlNiCo عملکرد خود را به طور نامحدود حفظ می‌کند. برای مثال، آهنرباهای AlNiCo در قطب‌نماهای نظامی برای دهه‌ها بدون نیاز به تعمیر و نگهداری به طور قابل اعتمادی کار کرده‌اند.
هزینه و کاربردها
عوامل قیمت گذاری
هزینه آهنرباهای NdFeB 50–۳۰۰ در هر کیلوگرم به دلیل کبالت’کمبود. با این حال، NdFeB’استحکام برتر اغلب باعث کاهش مصرف مواد می‌شود و هزینه‌های واحد بالاتر را جبران می‌کند.
بخش‌های بازار
- NdFeB : به دلیل اندازه جمع و جور و راندمان بالا، بر لوازم الکترونیکی مصرفی (مثلاً هدفون، هارد دیسک)، موتورهای کششی خودرو و توربین‌های بادی تسلط دارد.
- آلنیکو : در محیط های با دمای بالا (مثلاً موتورهای هواپیما، توربین های گازی)، ابزارهای دقیق (مثلاً ژیروسکوپ ها) و کلاچ های مغناطیسی که در آنها میدان های قابل تنظیم مورد نیاز است، ترجیح داده می شود.
ملاحظات زیست‌محیطی و اخلاقی
زنجیره تأمین عناصر نادر خاکی
تولید NdFeB به نئودیمیم و دیسپروزیم متکی است که استخراج آنها نگرانی‌های زیست‌محیطی و اخلاقی را افزایش می‌دهد (به عنوان مثال، زباله‌های رادیواکتیو در چین)’معادن بایان اوبو). آلنیکو’تامین کبالت این کشور نیز به دلیل کار کودکان در معادن آفریقا با بررسی‌های دقیقی روبرو است، اما تقاضای کمتر آن، این تاثیر را کاهش می‌دهد.
پتانسیل بازیافت
بازیافت NdFeB چالش برانگیز اما رو به رشد است، به طوری که شرکت‌هایی مانند هیتاچی متالز 70 درصد از عناصر خاکی کمیاب را از قراضه بازیابی می‌کنند. آلنیکو’ترکیب فلزی آن بازیافت را ساده می‌کند، هرچند حجم کمتری دارد.
نتیجه‌گیری
آهنرباهای AlNiCo و NdFeB نقش‌های مکملی در فناوری ایفا می‌کنند. NdFeB’استحکام بی‌نظیر و مقرون‌به‌صرفه بودن آن، آن را برای کاربردهای با کارایی بالا ضروری می‌کند، در حالی که AlNiCo’پایداری حرارتی و دوام آن، استفاده از آن را در محیط‌های سخت توجیه می‌کند. از آنجایی که صنایع به قدرت و قابلیت اطمینان نیاز دارند، پیشرفت در آهنرباهای هیبریدی (مثلاً هسته‌های NdFeB با پوسته‌های AlNiCo) ممکن است این شکاف را پر کند، اما در حال حاضر، هر ماده در جایگاه خود غیرقابل جایگزین است.
