خواص مکانیکی آهنربای AlNiCo چیست؟

1. مقدمه‌ای بر آهنرباهای AlNiCo

آهنرباهای AlNiCo، آلیاژی که عمدتاً از آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni) و کبالت (Co) به همراه آهن (Fe)، مس (Cu) و گاهی تیتانیوم (Ti) تشکیل شده است، از زمان اختراعشان در دهه 1930 بخش قابل توجهی از صنعت آهنرباهای دائمی بوده‌اند. آنها را می‌توان از طریق دو فرآیند اصلی تولید کرد: ریخته‌گری و تف‌جوشی، که به ترتیب منجر به آهنرباهای AlNiCo ریخته‌گری شده و AlNiCo تف‌جوشی شده می‌شود که هر کدام ویژگی‌های مکانیکی متمایزی دارند.

۲. ساختار فیزیکی و تأثیر آن بر خواص مکانیکی

۲.۱ آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo

• ریزساختار : آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo ریزساختاری نسبتاً درشت دانه دارند. در طول فرآیند ریخته‌گری، آلیاژ مذاب جامد می‌شود و رشد دانه‌ها رخ می‌دهد. این ساختار درشت دانه به آهنرباها ویژگی‌های مکانیکی خاصی می‌دهد.
• رفتار مکانیکی : دانه‌های بزرگ می‌توانند منجر به ماهیت شکننده‌تری شوند. هنگامی که نیرویی اعمال می‌شود، ترک‌ها می‌توانند راحت‌تر در امتداد مرز دانه‌ها گسترش یابند و در نتیجه مقاومت کششی و فشاری نسبتاً کمی در مقایسه با برخی دیگر از مواد مغناطیسی ایجاد کنند. با این حال، فرآیند ریخته‌گری امکان تولید آهنرباها در اشکال و اندازه‌های متنوع را فراهم می‌کند که می‌تواند در کاربردهای خاصی که هندسه‌های پیچیده مورد نیاز است، یک مزیت باشد. به عنوان مثال، در برخی از سنسورهای خودرو، اشکال منحصر به فرد آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo را می‌توان دقیقاً متناسب با فضاهای خاص درون موتور یا سایر اجزا تنظیم کرد.

۲.۲ آهنرباهای AlNiCo متخلخل

• ریزساختار : آهنرباهای AlNiCo تف‌جوشی شده با استفاده از متالورژی پودر تولید می‌شوند. ذرات پودری ریز آلیاژ AlNiCo به شکل دلخواه پرس شده و سپس در دماهای بالا تف‌جوشی می‌شوند. این امر منجر به ریزساختاری یکنواخت‌تر و ریزدانه‌تر می‌شود.
• رفتار مکانیکی : ساختار ریزدانه آهنرباهای AlNiCo تف‌جوشی شده معمولاً خواص مکانیکی بهتری از نظر استحکام و چقرمگی در مقایسه با آهنرباهای ریخته‌گری شده ارائه می‌دهد. آنها می‌توانند در حین جابجایی و کار، تنش‌های مکانیکی بالاتری را تحمل کنند. آهنرباهای AlNiCo تف‌جوشی شده اغلب در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آنها دقت بالاتر و یکپارچگی مکانیکی بهتری مورد نیاز است، مانند برخی از ابزارهای پیشرفته و دستگاه‌های الکترومکانیکی در مقیاس کوچک.

۳. استحکام کششی

۳.۱ ویژگی‌های عمومی

آهنرباهای AlNiCo، به طور کلی، استحکام کششی نسبتاً کمی دارند. این امر عمدتاً به دلیل ماهیت شکننده آنها است. ساختار اتمی و وجود عناصر فلزی متعدد در آلیاژ، ماده‌ای را ایجاد می‌کند که خیلی انعطاف‌پذیر نیست. هنگامی که نیروی کششی اعمال می‌شود، پیوندهای بین اتم‌ها قادر به کشش و تغییر شکل قابل توجهی قبل از شکستن نیستند.

۳.۲ مقایسه بین انواع ریخته‌گری شده و تف‌جوشی شده

• AlNiCo ریخته‌گری شده : استحکام کششی آهنرباهای AlNiCo ریخته‌گری شده معمولاً در محدوده‌ای است که در مقایسه با بسیاری از فلزات مهندسی نسبتاً کم است. به عنوان مثال، در برخی کاربردها، استحکام کششی ممکن است حدود چند ده مگاپاسکال باشد. دانه‌های بزرگ و احتمال ایجاد عیوب داخلی در طول فرآیند ریخته‌گری در این مقدار نسبتاً کم نقش دارند.
• AlNiCo متخلخل : آهنرباهای AlNiCo متخلخل معمولاً استحکام کششی بالاتری نسبت به آهنرباهای ریخته‌گری شده دارند. ساختار ریزدانه و توزیع یکنواخت‌تر اجزای آلیاژی در طول فرآیند پخت، منجر به ماده‌ای می‌شود که می‌تواند در برابر نیروهای کششی مقاومت بهتری داشته باشد. استحکام کششی AlNiCo متخلخل در برخی موارد می‌تواند چندین برابر آهنرباهای ریخته‌گری شده باشد و در فرمولاسیون‌های بهینه به چند صد مگاپاسکال برسد.

۴. مقاومت فشاری

۴.۱ ویژگی‌های عمومی

آهنرباهای AlNiCo در مقایسه با استحکام کششی خود، مقاومت فشاری نسبتاً بالایی از خود نشان می‌دهند. دلیل این امر آن است که تحت بارگذاری فشاری، ماهیت شکننده‌ی ماده کمتر یک نقطه ضعف محسوب می‌شود. اتم‌ها به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند و ساختار می‌تواند نیروی اعمال شده را بدون ترک خوردن به راحتی تحت کشش، بهتر تحمل کند.

۴.۲ تفاوت‌های بین انواع ریخته‌گری شده و متخلخل

• آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo : آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo می‌توانند مقاومت فشاری خوبی داشته باشند، اغلب در محدوده چند صد مگاپاسکال. ساختار بزرگ مقیاس می‌تواند بار فشاری را در سطح وسیع‌تری توزیع کند و ماهیت جامد ماده ریخته‌گری شده به آن اجازه می‌دهد تا حد معینی در برابر خرد شدن مقاومت کند. به عنوان مثال، در برخی از ماشین‌آلات مغناطیسی صنعتی که آهنرباها در معرض نیروهای فشاری از سایر اجزا قرار دارند، آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo می‌توانند عملکرد خوبی داشته باشند.
• AlNiCo متخلخل : آهنرباهای AlNiCo متخلخل همچنین از مقاومت فشاری بالایی برخوردارند و در برخی موارد، حتی می‌تواند از آهنرباهای ریخته‌گری شده نیز بالاتر باشد. ساختار ریزدانه می‌تواند تنش فشاری را به طور مؤثرتری توزیع کند و از تشکیل و انتشار ترک‌ها جلوگیری کند. این امر AlNiCo متخلخل را برای کاربردهایی که در آنها دقت و مقاومت بالا تحت فشار مورد نیاز است، مانند برخی از دستگاه‌های الکترومکانیکی مینیاتوری، مناسب می‌کند.

۵. استحکام خمشی

۵.۱ عملکرد کلی

استحکام خمشی، که توانایی یک ماده را در مقاومت در برابر خمش اندازه‌گیری می‌کند، یک ویژگی مکانیکی مهم برای آهنرباهای AlNiCo است، به خصوص در کاربردهایی که ممکن است در معرض نیروهای خمشی قرار گیرند. آهنرباهای AlNiCo عموماً استحکام خمشی متوسطی دارند. ماهیت شکننده آنها توانایی آنها را در تغییر شکل پلاستیک تحت خمش محدود می‌کند و ترک‌ها می‌توانند نسبتاً به راحتی شروع و گسترش یابند.

۵.۲ ریخته‌گری در مقابل متخلخل

• AlNiCo ریخته‌گری شده : استحکام خمشی آهنرباهای AlNiCo ریخته‌گری شده تحت تأثیر ساختار دانه درشت آنها قرار دارد. هنگام خم شدن، تمرکز تنش در مرز دانه‌ها می‌تواند منجر به تشکیل ترک اولیه شود. مقادیر استحکام خمشی برای AlNiCo ریخته‌گری شده معمولاً در مقایسه با آهنرباهای تف‌جوشی شده کمتر است، اغلب در محدوده‌ای که ممکن است استفاده از آنها را در کاربردهایی که نیاز به مقاومت خمشی بالا دارند، محدود کند.
• AlNiCo متخلخل : آهنرباهای AlNiCo متخلخل، با ساختار ریزدانه خود، استحکام خمشی بهتری دارند. توزیع یکنواخت‌تر اجزای آلیاژی، توزیع تنش یکنواخت‌تری را در حین خم شدن فراهم می‌کند و احتمال شروع ترک را کاهش می‌دهد. این امر AlNiCo متخلخل را برای کاربردهایی که در آنها ممکن است تا حدی خمش یا خمیدگی رخ دهد، مانند انواع خاصی از حسگرها، مناسب‌تر می‌کند.

۶. سختی

۶.۱ ویژگی‌های کلی سختی

آهنرباهای AlNiCo به دلیل سختی بالای خود شناخته شده‌اند. ترکیب عناصر فلزی متعدد در آلیاژ، یک ساختار اتمی قوی و سفت و سخت را تشکیل می‌دهد. سختی آهنرباهای AlNiCo معمولاً با استفاده از آزمایش سختی ویکرز اندازه‌گیری می‌شود.

۶.۲ مقایسه بین انواع ریخته‌گری شده و تف‌جوشی شده

• ریخته‌گری AlNiCo : آهنرباهای ریخته‌گری AlNiCo مقادیر سختی بالایی دارند، اغلب در محدوده چند صد HV (سختی ویکرز). ساختار دانه درشت به این سختی کمک می‌کند، زیرا دانه‌های منفرد نسبتاً سخت هستند و فرورفتگی آنها دشوار است. با این حال، وجود نقص‌های احتمالی در فرآیند ریخته‌گری ممکن است کمی بر یکنواختی کلی سختی تأثیر بگذارد.
• AlNiCo متخلخل : آهنرباهای AlNiCo متخلخل نیز سختی بالایی از خود نشان می‌دهند و در برخی موارد، می‌تواند کمی بالاتر از آهنرباهای ریخته‌گری شده باشد. ساختار ریزدانه، توزیع سختی همگن‌تری را در سراسر آهنربا فراهم می‌کند. یکنواختی ماده متخلخل تضمین می‌کند که سختی در مناطق مختلف آهنربا ثابت باشد، که در کاربردهایی که خواص مکانیکی دقیق و ثابتی مورد نیاز است، مفید است.

۷. شکنندگی و چقرمگی

۷.۱ شکنندگی

آهنرباهای AlNiCo ذاتاً موادی شکننده هستند. این شکنندگی نتیجه ساختار اتمی آنها و ماهیت پیوندهای فلز-فلز در آلیاژ است. هنگامی که نیرویی اعمال می‌شود، چه کششی، فشاری یا خمشی، فقدان شکل‌پذیری به این معنی است که ماده بیشتر احتمال دارد که بشکند تا اینکه تغییر شکل پلاستیکی دهد. این شکنندگی عامل مهمی است که باید در طراحی و استفاده از آهنرباهای AlNiCo در نظر گرفته شود، زیرا می‌تواند کاربرد آنها را در موقعیت‌هایی که انتظار نیروهای ضربه‌ای یا تغییر شکل زیاد می‌رود، محدود کند.

۷.۲ چقرمگی

چقرمگی، که توانایی یک ماده برای جذب انرژی قبل از شکستگی است، به دلیل شکنندگی آهنرباهای AlNiCo نسبتاً کم است. با این حال، آهنرباهای AlNiCo تف جوشی شده معمولاً در مقایسه با آهنرباهای ریخته‌گری شده، چقرمگی کمی بهتری دارند. ساختار ریزدانه آهنرباهای تف جوشی شده می‌تواند انرژی ضربه یا نیروی اعمال شده را بهتر توزیع کند و احتمال شکستگی ناگهانی را کاهش دهد. این افزایش اندک در چقرمگی، AlNiCo تف جوشی شده را برای برخی از کاربردها که در آنها درجه خاصی از مقاومت در برابر ضربه مورد نیاز است، مناسب‌تر می‌کند، اگرچه آنها هنوز به اندازه بسیاری از مواد شکل‌پذیر چقرمگی ندارند.

۸. تأثیر بر انتخاب درخواست

۸.۱ کاربردهای ریخته‌گری AlNiCo

توانایی تولید آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo در اشکال پیچیده، آنها را برای کاربردهایی که به هندسه خاصی نیاز است، ایده‌آل می‌کند. به عنوان مثال، در حسگرهای خودرو، اشکال منحصر به فرد آهنرباهای ریخته‌گری شده AlNiCo را می‌توان به طور دقیق برای قرار گرفتن در موتور یا سایر اجزا طراحی کرد. مقاومت فشاری نسبتاً خوب آنها همچنین به آنها اجازه می‌دهد تا در ماشین‌آلات مغناطیسی صنعتی که ممکن است در معرض نیروهای فشاری از سایر قسمت‌ها قرار گیرند، استفاده شوند. با این حال، مقاومت کششی و خمشی پایین و شکنندگی بالای آنها، استفاده از آنها را در کاربردهایی که نیروهای کششی یا خمشی بالا وجود دارد، محدود می‌کند.

۸.۲ کاربردهای AlNiCo متخلخل

آهنرباهای AlNiCo متخلخل، با خواص مکانیکی بهتر از نظر استحکام و چقرمگی، برای کاربردهای با دقت بالا و تنش بالا مناسب‌تر هستند. آن‌ها به طور گسترده در ابزار دقیق استفاده می‌شوند، جایی که میدان‌های مغناطیسی با دقت بالا مورد نیاز است و آهنرباها باید در حین جابجایی و کار، تنش‌های مکانیکی را تحمل کنند. در دستگاه‌های الکترومکانیکی در مقیاس کوچک، مانند برخی از انواع میکروموتورها و حسگرها، ساختار ریزدانه و یکپارچگی مکانیکی بهتر آهنرباهای AlNiCo متخلخل، آن‌ها را به انتخابی ترجیحی تبدیل می‌کند.