فرآیند تولید آهنرباهای AlNiCo: یک مرور کلی

1. آماده‌سازی مواد اولیه: اساس عملکرد مغناطیسی

ترکیب آهنرباهای AlNiCo با دقت مهندسی شده است تا تعادل بین خواص مغناطیسی، پایداری حرارتی و دوام مکانیکی برقرار شود. آلیاژ پایه متشکل از:

• آلومینیوم (آلومینیوم) : 8–۱۲ درصد وزنی
• نیکل (نیکل) : 15–۲۶ درصد وزنی
• کبالت (Co) : 5–۲۴ درصد وزنی
• آهن (Fe) : تعادل (معمولاً 50–۶۵ درصد وزنی
• عناصر کمیاب : مس (Cu)، تیتانیوم (Ti) یا نیوبیوم (Nb) (0–۵ درصد وزنی برای اصلاح ساختار دانه و افزایش وادارندگی.

ملاحظات کلیدی :

• محتوای کبالت : سطوح بالاتر کبالت، وادارندگی و مقاومت دمایی را بهبود می‌بخشند اما هزینه را افزایش می‌دهند. برای مثال، آلنیکو ۸ (۳۴٪ کبالت) در مقایسه با آلنیکو ۵ (۲۴٪ کبالت) پایداری حرارتی بهتری نشان می‌دهد.
• ایزوتروپیک در مقابل ناهمسانگرد آهنرباهای ایزوتروپیک (جهت‌گیری تصادفی دانه‌ها) ضعیف‌تر هستند اما تولید آنها آسان‌تر است، در حالی که آهنرباهای ناهمسانگرد (دانه‌های هم‌تراز) از طریق انجماد جهت‌دار یا هم‌ترازی میدان مغناطیسی در طول پردازش، به محصولات با انرژی بالاتر (BHmax) دست می‌یابند.

2. فرآیند ریخته‌گری: روش سنتی برای آهنرباهای با کارایی بالا

ریخته‌گری رایج‌ترین روش برای تولید آهنرباهای AlNiCo است، به خصوص برای گریدهای ناهمسانگرد که نیاز به جهت‌گیری دقیق دانه دارند. این فرآیند شامل:

مرحله ۱: ذوب و آلیاژسازی

• مواد اولیه در کوره القایی یا قوس الکتریکی تحت خلاء یا گاز بی‌اثر (آرگون) ذوب می‌شوند تا از اکسیداسیون جلوگیری شود.
• آلیاژ مذاب تا دمای ۱ درجه سانتیگراد فوق گرم می‌شود.600–1,700°ج) برای اطمینان از همگنی.

مرحله ۲: ریختن و انجماد جهت‌دار

• آلیاژ در حفره‌های قالب که با سرامیک یا گرافیت پوشیده شده‌اند، ریخته می‌شود.
• نوآوری انتقادی برای آهنرباهای ناهمسانگرد، قالب در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرد (3–۵ تسلا) در حین انجماد. این امر دانه‌های فرومغناطیس (فازهای شبیه Nd₂Fe₁₄B) را در امتداد جهت میدان همسو می‌کند و وادارندگی و پسماند مغناطیسی را به حداکثر می‌رساند.
• ریخته‌گری سرد برخی از تولیدکنندگان از قالب‌های خنک‌شونده با آب برای تسریع انجماد، اصلاح ساختار دانه و کاهش تخلخل استفاده می‌کنند.

مرحله 3: عملیات حرارتی

• درمان با محلول آهنربای ریخته‌گری شده تا ۱ درجه گرم می‌شود،200–1,250°سی برای 2–۴ ساعت برای حل کردن فازهای ثانویه.
• پیری آهنربا به آرامی خنک می‌شود (1–5°سانتی‌گراد/دقیقه) تا 600–900°C و برای مدت زمان مشخصی نگه داشته شد 20–۵۰ ساعت برای رسوب گذاری ریز α- فازهای Fe و NiAl که دیواره‌های حوزه را پین می‌کنند و وادارندگی را افزایش می‌دهند.
• آنیل مغناطیسی عملیات حرارتی نهایی تحت میدان مغناطیسی، جهت‌گیری دانه‌ها را بهینه‌تر می‌کند.

مرحله ۴: ماشینکاری و پرداخت نهایی

• آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo شکننده و سخت هستند (45–55 HRC)، که برای سنگ‌زنی به ابزارهای نوک الماسی یا برای اشکال پیچیده به EDM سیمی (ماشینکاری تخلیه الکتریکی) نیاز دارد.
• عملیات سطحی مانند آبکاری نیکل یا پوشش اپوکسی، مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشند.

مزایای ریخته‌گری :

• امکان تولید اشکال بزرگ و پیچیده (مثلاً قطعات نعل اسبی، حلقه‌ای یا قوسی) را فراهم می‌کند.
• خواص مغناطیسی برتر (BHmax تا 5.5 MGOe برای Alnico 8).

محدودیت‌ها :

• ضایعات بالای مواد (تا ۵۰٪ در حین ماشینکاری).
• چرخه تولید طولانی‌تر به دلیل عملیات حرارتی متعدد.

3. فرآیند تف‌جوشی: جایگزینی مقرون‌به‌صرفه برای آهنرباهای کوچک

تف‌جوشی برای آهنرباهای AlNiCo کوچک و با حجم بالا (مثلاً حسگرها، بلندگوها) که دقت ابعادی بسیار مهم است، ترجیح داده می‌شود. این فرآیند شامل:

مرحله 1: تولید پودر

• آلیاژ ذوب شده و به پودر ریز تبدیل می‌شود (1–100 μم) با استفاده از اتمیزه کردن با گاز یا آب.
• پودر کروی : برای بسته‌بندی یکنواخت و کاهش تخلخل ترجیح داده می‌شود.

مرحله ۲: فشار دادن

• پودر تحت فشار در قالب‌ها فشرده می‌شود 100–۳۰۰ مگاپاسکال برای تشکیل "کامپکت‌های سبز".
• پرس ایزواستاتیک برای آهنرباهای ناهمسانگرد، ذرات فشرده تحت میدان مغناطیسی فشرده می‌شوند تا دانه‌ها همسو شوند.

مرحله 3: تف‌جوشی

• قطعات فشرده در دمای ۱ زینتر می‌شوند،250–1,350°C در اتمسفر هیدروژن یا خلاء برای 1–۴ ساعت.
• تف‌جوشی فاز مایع مقدار کمی مایع یوتکتیک (مثلاً فاز غنی از Nd) در حین زینترینگ تشکیل می‌شود و باعث افزایش تراکم می‌شود.

مرحله 4: عملیات حرارتی

• مشابه ریخته‌گری، آهنرباهای متخلخل تحت عملیات انحلالی و پیرسازی قرار می‌گیرند تا خواص مغناطیسی بهینه شوند.

مزایای تف جوشی :

• تولید نزدیک به شکل نهایی، ماشینکاری (استفاده از مواد) را کاهش می‌دهد. >90%).
• تلرانس‌های ابعادی بهتر (±۰.۰۵ میلی‌متر در مقابل ±(برای ریخته‌گری ۰.۲ میلی‌متر)

محدودیت‌ها :

• خواص مغناطیسی پایین‌تر (BHmax تا ۳.۵ MGOe) به دلیل تخلخل باقیمانده.
• محدود به اندازه‌های کوچک‌تر (<۲۸ گرم) به دلیل خطرات ترک خوردگی در حین پخت.

4. فناوری‌های نوظهور: تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی)

پیشرفت‌های اخیر در  تولید افزایشی (AM) ، مانند  شکل‌دهی تور با مهندسی لیزر (LENS)  و  ذوب پرتو الکترونی (EBM) ، تولید آهنرباهای AlNiCo با هندسه‌های پیچیده و ترکیبات درجه‌بندی‌شده را امکان‌پذیر می‌سازد. پیشنهادات AM:

• آزادی طراحی اشکال سفارشی (مثلاً ساختارهای شبکه‌ای) با روش‌های سنتی غیرممکن است.
• کاهش ضایعات رسوب لایه به لایه، اتلاف مواد را به حداقل می‌رساند.
• پتانسیل ناهمسانگردی محققان در حال بررسی تنظیم میدان مغناطیسی درجا در طول چاپ برای افزایش وادارندگی هستند.

چالش‌ها :

• هزینه‌های بالای تجهیزات و نرخ تولید پایین.
• دسترسی محدود به پودرهای AlNiCo پیش‌آلیاژی‌شده.

5. کنترل کیفیت و آزمایش

در طول تولید، آهنرباهای AlNiCo تحت آزمایش‌های دقیقی قرار می‌گیرند:

• خواص مغناطیسی : اندازه‌گیری شده با استفاده از  هیسترزیسگراف  برای تعیین پسماند (Br)، وادارندگی (Hc) و حاصلضرب انرژی (BHmax).
• بازرسی ابعادی : CMM (دستگاه اندازه‌گیری مختصات) تطابق با تلرانس‌ها را تضمین می‌کند.
• نقص‌های سطحی : آزمایش اشعه ایکس یا مایع نافذ رنگی، ترک‌ها یا تخلخل را تشخیص می‌دهد.

6. کاربردهای مبتنی بر انعطاف‌پذیری تولید

انتخاب بین ریخته‌گری و تف‌جوشی به الزامات کاربرد بستگی دارد:

• ریخته‌گری موتورهای با کارایی بالا، حسگرهای هوافضا و دستگاه‌های MRI.
• پخت : حسگرهای خودرو، بلندگوها و لوازم الکترونیکی مصرفی.
• تولید افزایشی : نمونه‌های اولیه، ایمپلنت‌های پزشکی سفارشی و قطعات هوافضای خاص.

7. روندهای آینده: پایداری و کاهش هزینه

با افزایش تقاضا برای آهنرباهای عاری از عناصر خاکی کمیاب، تولیدکنندگان در حال بررسی ...:

• AlNiCo بازیافتی بازیابی Nd/Dy از آهنرباهای فرسوده از طریق تخریب هیدروژنی
• آلیاژهای کم کبالت جایگزینی کبالت با آهن یا منگنز برای کاهش هزینه‌ها ضمن حفظ عملکرد.

نتیجه‌گیری

ساخت آهنرباهای AlNiCo حاصل تعامل پیچیده‌ای از متالورژی، مهندسی حرارتی و ماشینکاری دقیق است. در حالی که ریخته‌گری همچنان استاندارد طلایی برای کاربردهای با کارایی بالا است، تف‌جوشی و تولید افزایشی جایگزین‌های مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه‌ای برای آهنرباهای کوچک‌تر ارائه می‌دهند. از آنجایی که صنایع به آهنرباهایی نیاز دارند که در برابر محیط‌های سخت‌تر مقاومت کنند، بدون اینکه کارایی را به خطر بیندازند، نوآوری در کنترل فرآیند و علم مواد همچنان به تکامل تولید آهنربای AlNiCo کمک خواهد کرد.