آیا مقادیر ناچیزی از عناصر خاکی کمیاب به آهنرباهای آلومینیوم-نیکل-کبالت اضافه خواهد شد و آیا این افزودن تأثیر مثبت یا منفی بر عملکرد خواهد داشت؟

1. مقدمه‌ای بر آهنرباهای آلنیکو

آهنرباهای آلنیکو، که عمدتاً از آلومینیوم (Al)، نیکل (Ni)، کبالت (Co) و آهن (Fe) تشکیل شده‌اند، از اولین آهنرباهای دائمی توسعه‌یافته هستند. آن‌ها بر اساس جهت مغناطیسی خود به انواع ایزوتروپیک و ناهمسانگرد طبقه‌بندی می‌شوند، که انواع ناهمسانگرد (به عنوان مثال، آلنیکو ۵، آلنیکو ۸) به دلیل رشد جهت‌دار کریستال، محصولات انرژی مغناطیسی بالاتری را نشان می‌دهند. آهنرباهای آلنیکو به دلیل پایداری دمایی عالی (عملکرد تا ۵۰۰-۶۰۰ درجه سانتیگراد) و مقاومت در برابر خوردگی مشهور هستند و همین امر آن‌ها را در کاربردهایی مانند هوافضا، حسگرها و ابزارهای الکتریکی ضروری می‌کند. با این حال، وادارندگی نسبتاً پایین آن‌ها، استفاده از آن‌ها را در محیط‌های با میدان مغناطیسی بالا محدود می‌کند.

۲. نقش عناصر کمیاب خاکی در آلنیکو

عناصر خاکی کمیاب (REEs)، مانند لانتانیم (La)، سریم (Ce)، اسکاندیم (Sc) و نئودیمیم (Nd)، گاهی اوقات به مقادیر بسیار کم (معمولاً کمتر از 1٪) به آلیاژهای آلنیکو اضافه می‌شوند تا عملکرد بهینه شود. افزودن آنها چندین هدف را دنبال می‌کند:

• ریزساختار اصلاح‌شده : عناصر خاکی کمیاب به عنوان ریزکننده دانه عمل می‌کنند و رشد یکنواخت بلور را افزایش داده و عیوب را کاهش می‌دهند که این امر استحکام مکانیکی و شکل‌پذیری را افزایش می‌دهد.
• بهبود مقاومت در برابر خوردگی : عناصر کمیاب خاکی لایه‌های اکسید پایداری روی سطح آهنربا تشکیل می‌دهند و از اکسیداسیون و تخریب شیمیایی جلوگیری می‌کنند که برای قابلیت اطمینان طولانی مدت در محیط‌های سخت بسیار مهم است.
• تعدیل خواص مغناطیسی : برخی از عناصر کمیاب خاکی می‌توانند با تغییر ترکیب فاز و ساختار دامنه آلیاژ، وادارندگی، پسماند و ناهمسانگردی مغناطیسی آهنربا را به طور نامحسوس تنظیم کنند.

۳. تأثیرات مثبت افزودن عناصر خاکی کمیاب

۳.۱ خواص مکانیکی بهبود یافته

• استحکام و چقرمگی : مطالعات روی آلیاژهای شبه آلنیکو (مثلاً آلیاژهای آنتروپی بالای Al-Co-Cr-Fe-Ni) نشان می‌دهد که افزودن La یا Sc به طور قابل توجهی استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی و چقرمگی شکست را افزایش می‌دهد. به عنوان مثال، افزودن La اندازه دانه را اصلاح می‌کند و منجر به ریزساختار همگن‌تری می‌شود که در برابر انتشار ترک مقاومت می‌کند.
• پایداری در دمای بالا : عناصر کمیاب خاکی مقاومت خزش آلیاژ را در دماهای بالا بهبود می‌بخشند و یکپارچگی مکانیکی را در کاربردهایی مانند توربین‌های هوافضا حفظ می‌کنند.

۳.۲ مقاومت عالی در برابر خوردگی

• لایه‌های اکسید غیرفعال : عناصر کمیاب خاکی، به ویژه La و Ce، لایه‌های اکسیدی متراکم و چسبنده‌ای (مثلاً La₂O₃، CeO₂) تشکیل می‌دهند که آهنربا را از رطوبت، نمک‌ها و اسیدها محافظت می‌کنند. این امر باعث کاهش حفره‌دار شدن و ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی می‌شود و عمر مفید آن را در محیط‌های دریایی یا شیمیایی افزایش می‌دهد.
• اثرات هم‌افزایی با سایر عناصر : عناصر خاکی کمیاب در ترکیب با مس (Cu) یا تیتانیوم (Ti)، پایداری فازهای بین فلزی (مثلاً فازهای Fe-Co) را افزایش می‌دهند و خوردگی را بیشتر مهار می‌کنند.

۳.۳ بهینه‌سازی خواص مغناطیسی

• تنظیم وادارندگی : در حالی که عناصر نادر خاکی عموماً تأثیر مستقیم کمی بر وادارندگی در آلیاژ آلنیکو دارند، می‌توانند با اصلاح ریزساختار، به طور غیرمستقیم بر آن تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، افزودن Sc در آلیاژهای Al-Sc تشکیل فازهای ریز α-Fe را افزایش می‌دهد که ممکن است دامنه‌های مغناطیسی را پایدار کند.
• کاهش تلفات مغناطیسی : عناصر کمیاب خاکی کمیاب می‌توانند با افزایش مقاومت الکتریکی، تلفات جریان گردابی را در کاربردهای AC به حداقل برسانند، اگرچه این امر در مواد مغناطیسی نرم اهمیت بیشتری دارد.

۴. چالش‌ها و محدودیت‌های بالقوه

۴.۱ هزینه و موجودی

• عناصر کمیاب خاکی مانند Nd و Dy گران هستند و در معرض آسیب‌پذیری‌های زنجیره تأمین قرار دارند. استفاده از آنها در Alnico محدود به حوزه‌های با کارایی بالا است که در آنها هزینه نسبت به عملکرد در درجه دوم اهمیت قرار دارد.

۴.۲ پیچیدگی پردازش

• عناصر خاکی کمیاب (REEs) نقطه ذوب و واکنش‌پذیری بالایی دارند و ذوب و ریخته‌گری آلیاژ را پیچیده می‌کنند. کنترل دقیق سطوح آلایش برای جلوگیری از تردی یا جدایش فاز ضروری است.

۴.۳ بازده نزولی

• فراتر از سطوح ناچیز (مثلاً >1%)، عناصر کمیاب خاکی ممکن است ترکیبات بین فلزی شکننده (مثلاً فازهای La-Fe) تشکیل دهند که باعث کاهش خواص مکانیکی می‌شود. غلظت بهینه با ترکیب آلیاژ و عملیات حرارتی متفاوت است.

۵. مطالعات موردی و شواهد تجربی

۵.۱ آلیاژهای آنتروپی بالای شبه آلنیکو آلاییده شده با لا

• تحقیقات روی آلیاژهای AlCoCrFeNi₂.₁ نشان می‌دهد که افزودن La (0.5-1 درصد وزنی) با کاهش 50 درصدی چگالی جریان خوردگی، سختی را 15-20 درصد، استحکام تسلیم را 20-30 درصد و مقاومت در برابر خوردگی را در محلول 3.5 درصد NaCl افزایش می‌دهد. اندازه‌گیری‌های مغناطیسی افزایش اندکی در پسماند (Br) و کاهش در وادارندگی (Hc) را نشان می‌دهد که به ساختار دانه‌بندی ریز شده نسبت داده می‌شود.

۵.۲ آلنیکو ۵ اصلاح‌شده با Sc

• افزودن اسکاندیم (0.1-0.3 درصد وزنی) در Alnico 5 ساختار کریستالی ستونی را اصلاح می‌کند و شکل‌پذیری مکانیکی را 10 تا 15 درصد بهبود می‌بخشد، بدون اینکه از حاصلضرب انرژی مغناطیسی (BHmax) کاسته شود. این امر امکان ایجاد بخش‌های مغناطیسی نازک‌تر را برای دستگاه‌های کوچک فراهم می‌کند.

۵.۳ آلنیکو حاوی سریم برای هوافضا

• سریم به دلیل توانایی‌اش در حفظ پایداری مغناطیسی در دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد و مقاومت در برابر خوردگی ناشی از گوگرد در محیط‌های غنی از سوخت، در انواع آلنیکو برای حسگرهای موتور جت استفاده می‌شود.

۶. مقایسه با سایر انواع آهنربا

• در مقایسه با آهنرباهای NdFeB : اگرچه آهنرباهای NdFeB حداکثر BH بالاتری ارائه می‌دهند، اما مستعد خوردگی و مغناطیس‌زدایی حرارتی هستند. آهنرباهای آلنیکو آلاییده شده با REE جایگزین مقرون به صرفه‌ای در محیط‌های با دمای بالا و مستعد خوردگی هستند.
• در مقایسه با آهنرباهای فریت : آلنیکو از نظر پایداری دمایی و مقاومت مکانیکی از آهنرباهای فریت بهتر عمل می‌کند، اگرچه فریت‌ها ارزان‌تر هستند. افزودن عناصر نادر خاکی این شکاف را در کاربردهای خاص، بیشتر کاهش می‌دهد.

۷. روندهای آینده

• آلایش گرادیانی عناصر کمیاب خاکی : تنظیم توزیع عناصر کمیاب خاکی در آهنربا برای بهینه‌سازی خواص به صورت محلی (مثلاً وادارندگی بالاتر در لبه‌ها).
• بازیافت عناصر خاکی کمیاب : بازیابی عناصر خاکی کمیاب از آهنرباهای فرسوده برای کاهش اثرات زیست‌محیطی و هزینه‌ها.
• آهنرباهای هیبریدی : ترکیب آلنیکو با فازهای مغناطیسی نرم (مثلاً Fe-Si) برای ایجاد آهنرباهای کامپوزیتی با نفوذپذیری قابل تنظیم.