ماهیت "آلیاژ مانند" آهنرباهای آلنیکو و تفاوت‌های اساسی ترکیب آنها با آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب و فریت

آهنرباهای آلنیکو، نوع اولیه‌ای از مواد مغناطیسی دائمی، به دلیل خواص مغناطیسی منحصر به فرد خود، نقش محوری در کاربردهای مختلف صنعتی و فناوری ایفا کرده‌اند. درک ماهیت "آلیاژ مانند" و تفاوت‌های ترکیبی آنها با سایر آهنرباهای دائمی، مانند آهنرباهای خاکی کمیاب و فریت، برای درک ویژگی‌های عملکردی و دامنه کاربرد آنها بسیار مهم است. این مقاله به بررسی ترکیب آلیاژ آهنرباهای آلنیکو، بررسی ویژگی‌های ریزساختاری آنها و مقایسه آنها با آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب و فریت از نظر ترکیب و خواص می‌پردازد.

۲. ماهیت "آلیاژ مانند" آهنرباهای آلنیکو

۲.۱ تعریف و ترکیب

آهنرباهای آلنیکو نوعی ماده مغناطیسی دائمی فلزی هستند که عمدتاً از آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni)، کبالت (Co)، آهن (Fe) و سایر عناصر فلزی کمیاب تشکیل شده‌اند. نام "آلنیکو" از نمادهای شیمیایی عناصر اصلی تشکیل دهنده آن گرفته شده است. ترکیب معمول آهنرباهای آلنیکو بسته به نوع آلیاژ خاص متفاوت است، اما به طور کلی شامل موارد زیر است:

• آلومینیوم (Al) : معمولاً بین ۵٪ تا ۱۲٪ متغیر است که به قابلیت ریخته‌گری، استحکام مکانیکی و پایداری ریزساختاری آلیاژ کمک می‌کند.
• نیکل (Ni) : معمولاً ۱۵ تا ۳۰ درصد از این عنصر را تشکیل می‌دهد و باعث افزایش خواص مغناطیسی مانند مغناطش اشباع و وادارندگی و بهبود پایداری دمایی می‌شود.
• کبالت (Co) : اغلب در مقادیر ۵٪ تا ۲۵٪ وجود دارد که باعث افزایش ناهمسانگردی مغناطیسی، تصفیه رسوبات و افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.
• آهن (Fe) : عنصر پایه که بخش عمده آلیاژ را تشکیل می‌دهد و زمینه مغناطیسی لازم برای رسوب فازهای مغناطیسی سخت را فراهم می‌کند.
• عناصر کمیاب : مانند مس (Cu)، تیتانیوم (Ti) و غیره، در مقادیر کم برای اصلاح بیشتر ریزساختار و بهبود خواص خاص اضافه می‌شوند.

۲.۲ مکانیسم‌های آلیاژسازی و ویژگی‌های ریزساختاری

ماهیت "آلیاژ مانند" آهنرباهای آلنیکو از طریق مکانیسم‌های آلیاژسازی پیچیده و ویژگی‌های ریزساختاری منحصر به فرد آنها آشکار می‌شود. در طول فرآیند عملیات حرارتی، آلیاژ دچار تجزیه اسپینودال می‌شود و در نتیجه یک ساختار دو فازی متشکل از یک ماتریس فاز γ مغناطیسی نرم (مکعبی با وجوه مرکز پر) و رسوبات فاز α₁ مغناطیسی سخت (مکعبی با وجوه مرکز پر) تشکیل می‌شود.

• تجزیه اسپینودال : این یک فرآیند تبدیل فاز پیوسته است که در آن آلیاژ به طور خود به خود و بدون نیاز به هسته‌زایی به دو فاز با ترکیب‌های مختلف جدا می‌شود. در آهنرباهای آلنیکو، تجزیه اسپینودال منجر به توزیع یکنواخت رسوبات فاز α₁ در ماتریس γ می‌شود که برای دستیابی به وادارندگی بالا بسیار مهم است.
• ریخت‌شناسی رسوب : شکل، اندازه و توزیع رسوبات فاز α₁ به طور قابل توجهی بر خواص مغناطیسی آهنرباهای آلنیکو تأثیر می‌گذارد. رسوبات کوچک‌تر و یکنواخت‌تر با نسبت ابعاد بالا (شکل کشیده) با افزایش سد انرژی برای حرکت دیواره دامنه، وادارندگی را افزایش می‌دهند.
• ناهمسانگردی مغناطیسی : آهنرباهای آلنیکو ناهمسانگردی مغناطیسی از خود نشان می‌دهند، به این معنی که خواص مغناطیسی آنها با جهت تغییر می‌کند. این ناهمسانگردی در طول فرآیند عملیات حرارتی، معمولاً از طریق انجماد جهت‌دار یا عملیات حرارتی میدان مغناطیسی، ایجاد می‌شود و رسوبات فاز α₁ را در امتداد یک جهت ترجیحی همسو می‌کند و در نتیجه وادارندگی و پسماند مغناطیسی را بهبود می‌بخشد.

۳. تفاوت‌های ترکیبی بین آهنرباهای دائمی آلنیکو و عناصر خاکی کمیاب

۳.۱ آهنرباهای دائمی عناصر خاکی کمیاب: ترکیب و ویژگی‌ها

آهنرباهای دائمی عناصر خاکی کمیاب، که با آهنرباهای نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) و ساماریوم-کبالت (SmCo) نشان داده می‌شوند، به دلیل خواص مغناطیسی استثنایی خود، از جمله پسماند مغناطیسی بالا، وادارندگی بالا و حاصلضرب انرژی بیشینه بالا ((BH)max) شناخته شده‌اند.

• آهنرباهای NdFeB : عمدتاً از نئودیمیم (Nd)، آهن (Fe) و بور (B) تشکیل شده‌اند و مقادیر کمی از عناصر دیگر مانند دیسپروزیم (Dy) و تربیم (Tb) برای بهبود پایداری دمایی به آنها اضافه شده است. آهنرباهای NdFeB بالاترین (BH)max را در بین تمام آهنرباهای دائمی دارند و آنها را برای کاربردهایی که نیاز به عملکرد مغناطیسی بالا در اندازه جمع و جور دارند، ایده‌آل می‌کنند.
• آهنرباهای SmCo : عمدتاً از ساماریوم (Sm) و کبالت (Co) تشکیل شده‌اند و عناصر دیگری مانند مس (Cu)، آهن (Fe) و زیرکونیوم (Zr) نیز به آنها اضافه شده است. آهنرباهای SmCo پایداری دمایی و مقاومت در برابر خوردگی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند که آنها را برای کاربردهای دمای بالا و محیط‌های خشن مناسب می‌کند.

۳.۲ تضادهای ترکیبی

تفاوت‌های ترکیبی بین آهنرباهای دائمی آلنیکو و عناصر خاکی کمیاب کاملاً مشهود است:

• ترکیب عنصری : آهنرباهای آلنیکو بر فلزات رایجی مانند Al، Ni، Co و Fe متکی هستند، در حالی که آهنرباهای خاکی کمیاب عناصر خاکی کمیاب مانند Nd و Sm را در خود جای داده‌اند که کمیاب و گران هستند. استفاده از عناصر خاکی کمیاب به آهنرباهای خاکی کمیاب خواص مغناطیسی برتر آنها را می‌دهد، اما همچنین منجر به هزینه‌های بالاتر و آسیب‌پذیری‌های زنجیره تأمین می‌شود.
• ساختار فازی : آهنرباهای آلنیکو دارای ساختار دو فازی با رسوبات فاز γ مغناطیسی نرم و فاز α₁ مغناطیسی سخت هستند. در مقابل، آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب ساختار فازی پیچیده‌تری دارند که اغلب شامل ترکیبات بین فلزی با ساختارهای کریستالی منحصر به فرد است که به وادارندگی و پسماند بالای آنها کمک می‌کند.
• بده بستان‌های خواص مغناطیسی : آهنرباهای آلنیکو تعادلی بین خواص مغناطیسی و پایداری دمایی ارائه می‌دهند، با ضریب دمایی پسماند نسبتاً پایین. آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب، اگرچه از نظر (BH)max برتر هستند، اما اغلب ضرایب دمایی بالاتری را نشان می‌دهند و برای حفظ عملکرد در دماهای بالا به عناصر یا پوشش‌های اضافی نیاز دارند.

۴. تفاوت‌های ترکیبی بین آهنرباهای دائمی آلنیکو و فریت

۴.۱ آهنرباهای دائمی فریت: ترکیب و ویژگی‌ها

آهنرباهای دائمی فریت، که به عنوان آهنرباهای سرامیکی نیز شناخته می‌شوند، عمدتاً از اکسید آهن (Fe₂O₃) و سایر اکسیدهای فلزی مانند اکسید استرانسیم (SrO) یا اکسید باریم (BaO) تشکیل شده‌اند. آنها به دلیل هزینه کم، مقاومت در برابر خوردگی خوب و خواص مغناطیسی پایدار، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• ترکیب : ترکیب اصلی آهنرباهای فریت MFe₂O₄ است، که در آن M نشان دهنده یک یون فلزی دو ظرفیتی مانند Sr²⁺ یا Ba²⁺ است. افزودن عناصر دیگری مانند کبالت (Co) یا لانتانیم (La) می‌تواند خواص مغناطیسی را بیشتر تغییر دهد.
• خواص مغناطیسی : آهنرباهای فریت در مقایسه با آهنرباهای آلنیکو و عناصر خاکی کمیاب، پسماند مغناطیسی و وادارندگی مغناطیسی نسبتاً کمی دارند. با این حال، از نظر مقرون به صرفه بودن برتری دارند و برای کاربردهایی که عملکرد مغناطیسی بالا حیاتی نیست، مناسب هستند.

۴.۲ تضادهای ترکیبی

تفاوت‌های ترکیبی بین آهنرباهای دائمی آلنیکو و فریت به شرح زیر است:

• اساس عنصری : آهنرباهای آلنیکو آلیاژهای فلزی هستند، در حالی که آهنرباهای فریت مواد سرامیکی مبتنی بر اکسیدهای فلزی هستند. این تفاوت اساسی در ترکیب منجر به تفاوت‌های مشخصی در خواص فیزیکی و شیمیایی مانند چگالی، سختی و مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.
• عملکرد مغناطیسی : آهنرباهای آلنیکو معمولاً از نظر پسماند مغناطیسی و وادارندگی از آهنرباهای فریت بهتر عمل می‌کنند، اگرچه آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب از آنها پیشی می‌گیرند. از سوی دیگر، آهنرباهای فریت یک راه حل مقرون به صرفه برای کاربردهایی با نیازهای مغناطیسی متوسط ​​ارائه می‌دهند.
• پردازش و تولید : آهنرباهای آلنیکو معمولاً از طریق فرآیندهای ریخته‌گری یا تف‌جوشی تولید می‌شوند که امکان تشکیل اشکال پیچیده و کنترل دقیق بر ریزساختار را فراهم می‌کنند. آهنرباهای فریت با استفاده از تکنیک‌های پردازش سرامیکی، مانند پرس پودر و تف‌جوشی، تولید می‌شوند که برای تولید انبوه مناسب هستند اما انعطاف‌پذیری کمتری در طراحی شکل ارائه می‌دهند.

۵. مقایسه عملکرد و دامنه کاربرد

۵.۱ مقایسه عملکرد

• خواص مغناطیسی : آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب بالاترین میزان پسماند مغناطیسی، وادارندگی مغناطیسی و (BH)max را نشان می‌دهند و پس از آن آهنرباهای آلنیکو و سپس آهنرباهای فریت قرار دارند. با این حال، آهنرباهای آلنیکو تعادل خوبی بین عملکرد مغناطیسی و پایداری دمایی ارائه می‌دهند و آنها را برای کاربردهایی که هر دو مهم هستند، مناسب می‌کنند.
• پایداری دمایی : آهنرباهای آلنیکو ضریب دمایی پسماند پایینی دارند که به آنها اجازه می‌دهد خواص مغناطیسی پایدار را در طیف وسیعی از دما حفظ کنند. آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب، اگرچه قدرتمند هستند، اما اغلب برای عملکرد قابل اعتماد در دماهای بالا به تکنیک‌های جبران دما نیاز دارند. آهنرباهای فریت نیز پایداری دمایی خوبی را نشان می‌دهند، اما در سطح عملکرد مغناطیسی پایین‌تری هستند.
• مقاومت در برابر خوردگی : آهنرباهای آلنیکو و فریت به دلیل لایه‌های اکسید پایدار یا ماهیت سرامیکی خود، عموماً مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند. آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب، به ویژه آهنرباهای NdFeB، بیشتر در معرض خوردگی هستند و برای افزایش دوام خود به پوشش‌های محافظ یا افزودنی‌های آلیاژی نیاز دارند.

۵.۲ دامنه‌های کاربرد

• آهنرباهای آلنیکو : به دلیل پایداری دمایی عالی و عملکرد مغناطیسی متوسط، آهنرباهای آلنیکو به طور گسترده در کاربردهایی مانند موتورها، حسگرها، بلندگوها و قطعات هوافضا که در آنها عملکرد قابل اعتماد در طیف وسیعی از دما ضروری است، استفاده می‌شوند.
• آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب : خواص مغناطیسی برتر آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب، آنها را برای کاربردهای با کارایی بالا مانند موتورهای خودروهای الکتریکی، توربین‌های بادی، هارد دیسک‌ها و تجهیزات تصویربرداری پزشکی، که در آنها اندازه جمع و جور و خروجی مغناطیسی بالا بسیار مهم است، ایده‌آل می‌کند.
• آهنرباهای فریت : هزینه پایین و مقاومت خوب در برابر خوردگی آهنرباهای فریت، آنها را برای محصولات مصرفی با تولید انبوه مانند آهنرباهای یخچال، اسباب‌بازی‌ها و موتورهای کوچک، که در آنها عملکرد مغناطیسی بالا یک نیاز اصلی نیست، مناسب می‌کند.

۶. نتیجه‌گیری

آهنرباهای آلنیکو، با ماهیت منحصر به فرد "آلیاژ مانند"، مجموعه‌ای متمایز از خواص مغناطیسی و ویژگی‌های عملکردی را ارائه می‌دهند که آنها را از آهنرباهای دائمی خاکی کمیاب و فریت متمایز می‌کند. ترکیب آنها، بر اساس فلزات رایج مانند Al، Ni، Co و Fe، امکان تشکیل یک ریزساختار دو فازی با رسوبات مغناطیسی سخت تعبیه شده در یک ماتریس مغناطیسی نرم را فراهم می‌کند و منجر به وادارندگی و پسماند بالا می‌شود. در حالی که آهنرباهای خاکی کمیاب از نظر عملکرد مغناطیسی مطلق از آلنیکو پیشی می‌گیرند، آهنرباهای آلنیکو از نظر پایداری دما و مقرون به صرفه بودن برای کاربردهای خاص برتری دارند. از سوی دیگر، آهنرباهای فریت یک راه حل کم هزینه برای کاربردهایی با نیازهای مغناطیسی متوسط ​​ارائه می‌دهند. درک این تفاوت‌های ترکیبی و عملکردی برای انتخاب مناسب‌ترین ماده آهنربای دائمی برای یک کاربرد خاص، تضمین عملکرد بهینه و مقرون به صرفه بودن، بسیار مهم است.