همبستگی ساختار کریستالی و عملکرد مغناطیسی در آلیاژهای آلنیکو

1. مقدمه‌ای بر آلیاژهای آلنیکو

آلیاژهای آلنیکو (آلومینیوم-نیکل-کبالت) دسته‌ای از مواد آهنربای دائمی هستند که در اوایل قرن بیستم توسعه یافتند و به دلیل پایداری دمایی عالی و مقاومت در برابر خوردگی مشهورند. این آلیاژها عمدتاً از آهن (Fe) به عنوان فلز پایه، آلومینیوم (Al، 8-12 درصد وزنی)، نیکل (Ni، 15-26 درصد وزنی)، کبالت (Co، 5-24 درصد وزنی) و مقادیر کمی مس (Cu) و تیتانیوم (Ti) تشکیل شده‌اند. آهنرباهای آلنیکو به انواع ایزوتروپیک و آنیزوتروپیک طبقه‌بندی می‌شوند که نوع دوم به دلیل رشد کریستال جهت‌دار که از طریق فرآیندهای انجماد کنترل‌شده حاصل می‌شود، خواص مغناطیسی برتر را نشان می‌دهد.

عملکرد مغناطیسی آلیاژهای آلنیکو ذاتاً با ساختار بلوری، ترکیب فازی و ویژگی‌های ریزساختاری آنها مرتبط است. این مقاله به بررسی ساختار بلوری آلیاژهای آلنیکو، مکانیسم‌های تشکیل آن و تأثیر عمیق آن بر خواص مغناطیسی مانند پسماند (Br)، وادارندگی (Hc) و حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax) می‌پردازد.

۲. ساختار کریستالی آلیاژهای آلنیکو

۲.۱ فاز اولیه: α-Fe (مکعبی مرکزپر، BCC)

فاز غالب در آلیاژهای آلنیکو، α-Fe است که در ساختار مکعبی مرکز پر (BCC) متبلور می‌شود. این فاز، ماتریس آلیاژ را تشکیل می‌دهد و به طور قابل توجهی در خواص مغناطیسی آن نقش دارد. ساختار BCC α-Fe با موارد زیر مشخص می‌شود:

• نفوذپذیری مغناطیسی بالا : به دلیل گشتاورهای مغناطیسی هم‌تراز اتم‌های آهن.
• مغناطش اشباع متوسط : تقریباً ۲.۱۸ تسلا (تسلا) در دمای اتاق.
• ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری پایین : به این معنی که حوزه‌های مغناطیسی می‌توانند به راحتی تحت میدان‌های خارجی تغییر جهت دهند.

با این حال، α-Fe خالص، وادارندگی کمی از خود نشان می‌دهد و مستعد مغناطیس‌زدایی است. برای افزایش وادارندگی، آلیاژهای آلنیکو عناصر اضافی را در خود جای می‌دهند که فازهای ثانویه با ساختارهای کریستالی متمایز تشکیل می‌دهند.

۲.۲ فازهای ثانویه: ترکیبات بر پایه Fe-Co و Al-Ni

در طول انجماد، آلیاژهای آلنیکو تحت تجزیه اسپینودال قرار می‌گیرند، فرآیندی که در آن محلول جامد فوق اشباع به دو فاز مجزا تقسیم می‌شود:

1. فاز غنی از آهن-کبالت (فاز مغناطیسی):
   • ساختار کریستالی: BCC یا تتراگونال (بسته به ترکیب و عملیات حرارتی).
   • نقش: به عنوان فاز مغناطیسی اولیه عمل می‌کند و به دلیل کوپلینگ فرومغناطیسی قوی، به پسماند مغناطیسی بالا (Br) کمک می‌کند.
   • مثال: در آلیاژ Alnico 5، فاز Fe-Co حاوی حدود 24 درصد وزنی کبالت است که دمای کوری و پایداری مغناطیسی آن را افزایش می‌دهد.
2. فاز غنی از آلومینیوم-نیکل (فاز غیر مغناطیسی):
   • ساختار کریستالی: ترکیبات بین فلزی با وجوه مرکزپر (FCC) یا ترکیبات پیچیده بین فلزی (مثلاً NiAl، FeAl).
   • نقش: به عنوان یک فاز ماتریسی یا مرزی عمل می‌کند، حوزه‌های مغناطیسی را ایزوله می‌کند و از طریق ناهمسانگردی شکل، وادارندگی را افزایش می‌دهد.
   • مثال: فاز Al-Ni در Alnico 8 رسوبات میله‌ای شکلی تشکیل می‌دهد که دیواره‌های دامنه را می‌چسبانند و Hc را بالا می‌برند.

۲.۳ نقش مس (Cu) و تیتانیوم (Ti)

• مس : به مقدار کم (۱ تا ۳ درصد وزنی) برای بهبود ریزدانه‌سازی و افزایش جداسازی فازها در طول تجزیه اسپینودال اضافه می‌شود. مس ساختار کریستالی را به طور قابل توجهی تغییر نمی‌دهد، اما یکنواختی ریزساختار را بهبود می‌بخشد.
• تیتانیوم : در Alnico 8، تیتانیوم (3-5 درصد وزنی) رسوبات غنی از تیتانیوم تشکیل می‌دهد که ریزساختار را بیشتر اصلاح کرده و با ایجاد مکان‌های پینینگ اضافی برای دیواره‌های دامنه، وادارندگی را افزایش می‌دهد.

۳. مکانیسم‌های تشکیل ساختار بلوری در آلیاژهای آلنیکو

۳.۱ فرآیند انجماد

آلیاژهای آلنیکو معمولاً از طریق انجماد جهت‌دار (ریخته‌گری) یا متالورژی پودر (تفت‌جوشی) تولید می‌شوند. فرآیند انجماد عمیقاً بر ساختار بلوری تأثیر می‌گذارد:

1. انجماد جهت‌دار:
   • سرعت‌های خنک‌سازی کنترل‌شده (مثلاً ۱ تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد بر دقیقه) رشد دانه‌های ستونی هم‌تراز در امتداد یک جهت ترجیحی را افزایش می‌دهند.
   • این هم‌ترازی، ناهمسانگردی مغناطیسی را افزایش می‌دهد، زیرا محور مغناطش آسان (EMA) فاز α-Fe با جهت‌گیری دانه‌ها هم‌تراز می‌شود.
   • مثال: قطعات ریخته‌گری شده از جنس Alnico 5 دانه‌های ستونی با EMA موازی با جهت انجماد نشان می‌دهند که منجر به Br و Hc بالایی می‌شود.
2. متالورژی پودر (تفت‌جوشی):
   • پودرهای ریز در دماهای بالا (۱۱۰۰-۱۲۵۰ درجه سانتیگراد) پرس و تفجوشی می‌شوند.
   • ریزساختار حاصل به دلیل جهت‌گیری تصادفی دانه‌ها، ایزوتروپیک‌تر است و منجر به عملکرد مغناطیسی پایین‌تر در مقایسه با آلنیکو ریخته‌گری شده است.

۳.۲ عملیات حرارتی

عملیات حرارتی پس از انجماد برای بهینه سازی ساختار کریستالی و خواص مغناطیسی بسیار مهم است:

1. درمان با محلول:
   • حرارت دادن تا دمای ۱۱۰۰ تا ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد برای حل کردن فازهای ثانویه در ماتریس α-Fe.
   • کوئنچ کردن (سرد کردن سریع) برای حفظ محلول جامد فوق اشباع.
2. پیری (تجزیه اسپینودال):
   • حرارت دادن در دمای ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد برای مدت طولانی (ساعت‌ها تا روزها) برای القای جداسازی فاز به فازهای Fe-Co و Al-Ni.
   • فاز Fe-Co رسوبات کشیده (میله‌ای یا لایه‌ای) تشکیل می‌دهد، در حالی که فاز Al-Ni به عنوان یک ماتریس عمل می‌کند.
   • این مورفولوژی، ناهمسانگردی شکل را افزایش می‌دهد و وادارندگی را بالا می‌برد.
3. پیری میدان مغناطیسی:
   • اعمال میدان مغناطیسی قوی در طول پیرسازی، رسوبات Fe-Co را در امتداد جهت میدان همسو می‌کند و ناهمسانگردی مغناطیسی را بیشتر افزایش می‌دهد.
   • مثال: نمونه Alnico 5 پیرسازی شده در یک میدان 5 تا 10 kOe، افزایش 20 تا 30 درصدی در Br نسبت به نمونه‌های پیرسازی نشده در میدان را نشان می‌دهد.

۴. همبستگی بین ساختار بلوری و خواص مغناطیسی

۴.۱ پسماند (Br)

پس‌ماند مغناطیسی، مغناطش باقیمانده پس از حذف میدان خارجی است. این مغناطش عمدتاً توسط موارد زیر تعیین می‌شود:

• کسر حجمی فاز Fe-Co : محتوای بالاتر Fe-Co به دلیل جفت شدن فرومغناطیسی قوی‌تر، Br را افزایش می‌دهد.
• جهت‌گیری دانه‌ها : دانه‌های ستونی که در امتداد EMA (مانند Alnico ریخته‌گری شده) تراز شده‌اند، با کاهش حرکت دیواره دامنه، Br را به حداکثر می‌رسانند.
• خلوص فاز : حداقل فازهای غیر مغناطیسی (مثلاً اکسیدها، تخلخل) از نشت شار جلوگیری می‌کند و Br را حفظ می‌کند.

مثال : آلنیکو ۵ (ریخته‌گری شده) دارای Br برابر با ۱.۲ تا ۱.۳ T است، در حالی که آلنیکو ۵ زینتر شده به دلیل دانه‌های کمتر هم‌تراز، Br برابر با ۱.۰ تا ۱.۱ T دارد.

۴.۲ وادارندگی (Hc)

وادارندگی، مقاومت در برابر مغناطیس‌زدایی است و تحت تأثیر موارد زیر قرار دارد:

• ناهمسانگردی شکل رسوبات Fe-Co : رسوبات میله‌ای یا لایه‌ای به عنوان مکان‌های اتصال برای دیواره‌های حوزه عمل می‌کنند و برای جابجایی آنها به میدان‌های قوی‌تری نیاز است.
• مرزهای بین فازی : فاز Al-Ni رسوبات Fe-Co را احاطه کرده و موانعی برای حرکت دیواره دامنه ایجاد می‌کند.
• نقص‌های کریستالوگرافی : نابجایی‌ها و مرزهای دانه می‌توانند بسته به جهت‌گیری‌شان، مانع حرکت دیواره‌ی حوزه شوند یا به آن کمک کنند.

مثال : آلنیکو ۸، با رسوبات غنی از تیتانیوم تصفیه‌شده‌اش، به Hc > 500 kA/m می‌رسد، در حالی که آلنیکو ۵ دارای Hc حدود ۱۶۰-۲۰۰ kA/m است.

۴.۳ حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax)

BHmax حداکثر حاصلضرب پسماند مغناطیسی و وادارندگی مغناطیسی است که چگالی انرژی آهنربا را نشان می‌دهد. این به موارد زیر بستگی دارد:

• یکنواختی ساختار کریستالی : ریزساختارهای همگن با حداقل نقص، حداکثر BH را به حداکثر می‌رسانند.
• تعادل بین Br و Hc : Br بالا به تنهایی کافی نیست؛ برای جلوگیری از دی مغناطیس شدن تحت بار، Hc بالا مورد نیاز است.
• پایداری دمایی : ساختار مبتنی بر BCC آلنیکو در برابر نوسانات حرارتی مقاومت می‌کند و BHmax را تا 500 تا 600 درجه سانتیگراد حفظ می‌کند.

مثال : آلنیکو ۵ دارای حداکثر BH برابر با ۳۵ تا ۴۵ کیلوژول بر متر مکعب است، در حالی که آلنیکو ۸ به دلیل Hc بالاتر، به ۵۰ تا ۶۰ کیلوژول بر متر مکعب می‌رسد.

۵. مطالعات موردی: آلنیکو ۵ و آلنیکو ۸

5.1 Alnico 5 (Fe-14Ni-8Al-24Co-3Cu)

• ساختار کریستالی:
  • فاز اولیه: α-Fe (BCC) با رسوبات Fe-Co (چهاروجهی یا BCC).
  • فاز ثانویه: Al-Ni (FCC) که یک ماتریس در اطراف میله‌های Fe-Co تشکیل می‌دهد.
• خواص مغناطیسی:
  • سختی Br: 1.2-1.3 T (ریخته‌گری)، 1.0-1.1 T (ذوب‌شده).
  • Hc: ۱۶۰–۲۰۰ کیلوآمپر بر متر.
  • حداکثر فشار بخار: ۳۵-۴۵ کیلوژول بر متر مکعب.
• کاربردها : موتورهای الکتریکی، حسگرها، بلندگوها.

5.2 Alnico 8 (Fe-15Ni-7Al-34Co-5Ti-3Cu)

• ساختار کریستالی:
  • فاز اولیه: α-Fe (BCC) با رسوبات Fe-Co که توسط Ti تصفیه شده‌اند.
  • فاز ثانویه: Al-Ni-Ti (ترکیب بین فلزی پیچیده) که زمینه سخت‌تری را تشکیل می‌دهد.
• خواص مغناطیسی:
  • غلظت: ۱.۱-۱.۲ ت.
  • Hc: >500 kA/m.
  • حداکثر فشار بخار: ۵۰-۶۰ کیلوژول بر متر مکعب.
• کاربردها : حسگرهای دمای بالا، قطعات هوافضا.

۶. چالش‌ها و مسیرهای آینده

علیرغم مزایای آنها، آلیاژهای آلنیکو با چالش‌هایی روبرو هستند:

1. وادارندگی کم در مقایسه با آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب : آهنرباهای NdFeB دارای Hc >1000 kA/m هستند که استفاده از Alnico را در کاربردهای با میدان مغناطیسی زدایی بالا محدود می‌کند.
2. شکنندگی : ساختار BCC α-Fe باعث می‌شود که Alnico در حین ماشینکاری مستعد ترک خوردگی باشد.
3. هزینه : در حالی که ارزان‌تر از آهنرباهای خاکی کمیاب هستند، آلنیکو گران‌تر از آهنرباهای فریت است.

تحقیقات آینده :

• نانوساختارسازی : پالایش رسوبات تا مقیاس‌های زیر میکرون برای افزایش ناهمسانگردی شکل.
• طرح‌های کامپوزیتی : ترکیب آلنیکو با فازهای مغناطیسی نرم (مثلاً Fe-Si) برای بهبود BHmax.
• تولید افزایشی : چاپ سه‌بعدی Alnico با جهت‌گیری دانه کنترل‌شده برای آهنرباهای سفارشی.

۷. نتیجه‌گیری

ساختار بلوری آلیاژهای آلنیکو، که عمدتاً شامل فازهای BCC α-Fe و فازهای FCC ثانویه یا بین فلزی است، اساس خواص مغناطیسی آنها را تشکیل می‌دهد. آلنیکو از طریق انجماد و عملیات حرارتی کنترل‌شده، از طریق رسوبات همسو شده Fe-Co به پسماند مغناطیسی بالا و از طریق ناهمسانگردی شکل به وادارندگی بالا دست می‌یابد. در حالی که چالش‌ها همچنان پابرجا هستند، تحقیقات مداوم در زمینه نانوساختارسازی و طراحی کامپوزیت‌ها، نویدبخش گسترش اهمیت آلنیکو در کاربردهای مغناطیسی با عملکرد بالا است.