خواص مکانیکی آهنرباهای آلنیکو و مقایسه آن با سایر آهنرباهای دائمی

۱. مقدمه

آهنرباهای آلنیکو (آلومینیوم-نیکل-کبالت) دسته‌ای از آهنرباهای دائمی هستند که در دهه 1930 توسعه یافتند و به دلیل پایداری حرارتی عالی، پسماند مغناطیسی بالا ( Br ) و وادارندگی متوسط ​​( Hc ) شناخته می‌شوند. در حالی که خواص مغناطیسی آنها به خوبی مستند شده است، عملکرد مکانیکی آنها - از جمله سختی، استحکام کششی، استحکام خمشی و چقرمگی - به همان اندازه برای کاربردهای مهندسی حیاتی است. این مقاله داده‌های دقیق خواص مکانیکی آهنرباهای آلنیکو را ارائه می‌دهد و آنها را با سایر آهنرباهای دائمی مانند آهنرباهای خاکی کمیاب (NdFeB، SmCo) و آهنرباهای فریت مقایسه می‌کند.

2. خواص مکانیکی آهنرباهای آلنیکو

(1) سختی

• مقدار معمول : آهنرباهای آلنیکو معمولاً سختی راکول C (HRC) 40-50 یا سختی ویکرز (HV) 500-700 را نشان می‌دهند.
• عوامل مؤثر بر سختی:
  • ترکیب آلیاژ : محتوای بالاتر کبالت (Co) و نیکل (Ni) سختی را افزایش می‌دهد اما شکل‌پذیری را کاهش می‌دهد.
  • عملیات حرارتی : پیرسازی مناسب و آنیل انحلالی با بهینه‌سازی توزیع رسوب (مثلاً فازهای Ni-Al یا Co-Ti) سختی را بهبود می‌بخشند.
  • ریزساختار : ساختارهای ریزدانه با رسوبات یکنواخت، سختی را از طریق پین شدن دیواره حوزه افزایش می‌دهند.

(2) مقاومت کششی

• مقدار معمول : استحکام کششی نهایی (UTS) آلنیکو بسته به درجه آلیاژ و روش پردازش، از 150 تا 300 مگاپاسکال متغیر است.
• مقایسه با سایر آهنرباها:
  • آهنرباهای فریت : به دلیل ماهیت سرامیکی خود، UTS پایین‌تری (حدود ۵۰ تا ۱۰۰ مگاپاسکال) دارند.
  • آهنرباهای NdFeB : استحکام کششی نهایی بالاتر (حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ مگاپاسکال) اما شکننده که قابلیت ماشینکاری را محدود می‌کند.
  • آهنرباهای SmCo : UTS متوسط ​​(~200-400 MPa) با چقرمگی بهتر از NdFeB.

(3) مقاومت خمشی

• مقدار معمول : آهنرباهای آلنیکو دارای مقاومت خمشی ۱۰۰ تا ۲۰۰ مگاپاسکال هستند که آنها را در برابر خم شدن نسبت به آهنرباهای فریت مقاوم‌تر می‌کند اما نسبت به آهنرباهای خاکی کمیاب استحکام کمتری دارند.
• عامل کلیدی : ساختار ناهمسانگرد آلنیکو (به دلیل انجماد جهت‌دار) استحکام خمشی را در امتداد محورهای کریستالوگرافی ترجیحی بهبود می‌بخشد.

(4) چقرمگی (مقاومت در برابر ضربه)

• مقدار معمول : آهنرباهای آلنیکو شکننده هستند و انرژی ضربه شارپی آنها کمتر از 5 ژول بر سانتی‌متر مربع است ، مشابه آهنرباهای فریت اما کمتر از آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب.
• محدودیت : چقرمگی پایین، آلنیکو را به کاربردهایی محدود می‌کند که در آنها شوک‌های مکانیکی حداقل هستند (مثلاً حسگرها، هوافضا).

(5) تراکم

• مقدار معمول : آلنیکو چگالی 7.2 تا 7.6 گرم بر سانتی‌متر مکعب دارد که از آهنرباهای فریت (4.8 تا 5.2 گرم بر سانتی‌متر مکعب) بیشتر اما از NdFeB (7.4 تا 7.6 گرم بر سانتی‌متر مکعب) و SmCo (8.3 تا 8.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب) کمتر است.

۳. مقایسه با سایر آهنرباهای دائمی

جدول 1: خواص مکانیکی آهنرباهای دائمی

(1) آهنرباهای آلنیکو در مقابل آهنرباهای NdFeB

• مزایای آلنیکو:
  • پایداری حرارتی بهتر : آلنیکو خاصیت مغناطیسی خود را تا دمای 600 درجه سانتیگراد حفظ می‌کند، در حالی که NdFeB در دمای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد تخریب می‌شود.
  • قابلیت ماشینکاری بالاتر : آلنیکو را می‌توان برش داد، سوراخ کرد یا سنگ زد، در حالی که NdFeB به دلیل سختی‌اش به ابزارهای الماسی نیاز دارد.
• معایب آلنیکو:
  • محصول با انرژی مغناطیسی کمتر : Alnico'sBH حداکثر (~5-10 MGOe) بسیار کمتر از NdFeB (~40-50 MGOe) است.
  • وادارندگی کمتر : آلنیکو تحت میدان‌های معکوس مستعد مغناطیس‌زدایی است.

(2) آهنرباهای آلنیکو در مقابل آهنرباهای اسمز معکوس (SmCo)

• مزایای آلنیکو:
  • هزینه کمتر : SmCo حاوی عناصر خاکی کمیاب گران‌قیمت (مانند ساماریوم، دیسپروزیم) است که باعث می‌شود آلنیکو اقتصادی‌تر باشد.
  • مقاومت در برابر خوردگی بهتر : آلنیکو نیازی به پوشش ندارد، در حالی که SmCo ممکن است در محیط‌های مرطوب اکسید شود.
• معایب آلنیکو:
  • عملکرد مغناطیسی پایین‌تر : SmCo عملکرد مغناطیسی بالاتری داردBH حداکثر (~۲۵-۳۲ MGOe) و وادارندگی (~۶۰۰-۸۰۰ kA/m).
  • ضریب دمایی پایین‌تر : پسماند SmCo با دما کمتر تغییر می‌کند (-0.03%/°C در مقابل -0.02%/°C آلنیکو).

(3) آلنیکو در مقابل آهنرباهای فریت

• مزایای آلنیکو:
  • پسماند بالاتر : میزان Br موجود در آلیاژ آلنیکو (حدود ۱.۰ تا ۱.۴ تسلا) بسیار بیشتر از میزان Br موجود در فریت (حدود ۰.۲ تا ۰.۴ تسلا) است.
  • استحکام مکانیکی بهتر : استحکام کششی و خمشی آلنیکو از آهنرباهای فریت بیشتر است.
• معایب آلنیکو:
  • هزینه بالاتر : آهنرباهای فریت به دلیل مواد اولیه فراوان (به عنوان مثال، اکسید آهن، کربنات استرانسیم) به طور قابل توجهی ارزان‌تر هستند.
  • پایداری مغناطیسی پایین‌تر : آهنرباهای فریت ضریب دمایی پسماند بالاتری دارند (~-0.2%/°C).

۴. کاربردهای مبتنی بر خواص مکانیکی

(1) آهنرباهای آلنیکو

• سنسورهای دمای بالا : به دلیل پایداری حرارتی در سنسورهای هوافضا و خودرو استفاده می‌شوند.
• پیکاپ‌های گیتار الکتریک : شکل‌های قابل ماشینکاری و میدان‌های مغناطیسی پایدار، کیفیت صدا را افزایش می‌دهند.
• تجهیزات نظامی : مقاوم در برابر مغناطیس‌زدایی تحت ضربه و لرزش.

(2) آهنرباهای NdFeB

• موتورهای با کارایی بالا : در خودروهای الکتریکی (EV) و توربین‌های بادی برای حداکثر گشتاور استفاده می‌شوند.
• دستگاه‌های MRI : برای تصویربرداری به میدان‌های مغناطیسی قوی نیاز دارند.

(3) آهنرباهای SmCo

• عملگرهای هوافضا : در دماهای بسیار بالا با اطمینان کار می‌کنند.
• تجهیزات پزشکی : به دلیل زیست سازگاری در دستگاه‌های تنظیم ضربان قلب و سمعک استفاده می‌شود.

(4) آهنرباهای فریت

• موتورهای کم‌هزینه : در لوازم خانگی (مثلاً یخچال، پنکه) یافت می‌شوند.
• بلندگوها : میدان‌های مغناطیسی کافی را با حداقل هزینه فراهم می‌کنند.

۵. نتیجه‌گیری

آهنرباهای آلنیکو سختی، استحکام کششی و استحکام خمشی متوسطی را نشان می‌دهند اما از چقرمگی پایینی رنج می‌برند که استفاده از آنها را در کاربردهای با ضربه بالا محدود می‌کند. در مقایسه با آهنرباهای خاکی کمیاب (NdFeB، SmCo)، آلنیکو پایداری حرارتی و قابلیت ماشینکاری بهتری ارائه می‌دهد اما عملکرد مغناطیسی پایین‌تری دارد. آهنرباهای فریت، اگرچه ارزان‌تر هستند، اما از نظر خواص مغناطیسی و مکانیکی در سطح پایین‌تری قرار دارند. انتخاب آهنربا به الزامات کاربرد برای مقاومت در برابر دما، استحکام مغناطیسی، هزینه و دوام مکانیکی بستگی دارد.

برای کاربردهای دقیق و با دمای بالا، آلنیکو همچنان غیرقابل جایگزین است، در حالی که کاربردهای با کارایی بالا و حساس به هزینه، NdFeB یا SmCo را ترجیح می‌دهند. درک این بده بستان‌ها برای انتخاب بهینه آهنربا در طراحی‌های مهندسی ضروری است.