Differenze nella nomenclatura dei gradi dei magneti Alnico e nella composizione del nucleo

I magneti in Alnico (Alluminio-Nichel-Cobalto) sono una classe di magneti permanenti sviluppata all'inizio del XX secolo, noti per la loro eccellente stabilità termica, resistenza alla corrosione e alta densità di flusso magnetico a temperature elevate. Sono composti principalmente da ferro (Fe), alluminio (Al), nichel (Ni) e cobalto (Co), con piccole aggiunte di rame (Cu), titanio (Ti) o niobio (Nb) per perfezionarne la microstruttura e migliorarne le proprietà magnetiche.

I magneti in Alnico sono classificati in diversi gradi in base alla loro composizione e alle prestazioni magnetiche, con designazioni comuni come Alnico 2, Alnico 5, Alnico 8 e Alnico 9. Inoltre, alcuni gradi specializzati come i magneti SmCo (Samario-Cobalto) di tipo 2:17 vengono talvolta menzionati nello stesso contesto a causa del loro contenuto di cobalto, sebbene appartengano a una diversa famiglia di magneti in terre rare. Questo articolo si concentra sui gradi di Alnico e sulla loro nomenclatura, distinguendoli brevemente dagli altri magneti contenenti cobalto.

2. Nomenclatura del grado Alnico: basi e standard

2.1 Nomenclatura standard MMPA

La convenzione di denominazione più ampiamente riconosciuta per i magneti Alnico è lo standard MMPA (Magnetic Materials Producers Association) , che assegna gradi numerici (ad esempio, Alnico 2, Alnico 5, Alnico 8) in base alle loro proprietà magnetiche e alla composizione. Questi gradi sono standardizzati per aiutare gli utenti a selezionare il magnete appropriato per applicazioni specifiche.

2.2 Nomenclatura cinese

In Cina, i gradi Alnico sono spesso designati utilizzando una combinazione di lettere e numeri cinesi pinyin . Ad esempio:

• LNG OLNGT i prefissi indicano la fusione di Alnico (dove "LNGT" include il titanio).
• I prefissi F indicano l'Alnico sinterizzato.
• I numeri che seguono il prefisso rappresentano il valore minimo del prodotto energetico massimo (BH)max in kJ/m³.
• Il suffisso "J" può indicare una lega ad alta coercitività.

2.3 Altre convenzioni di denominazione

Alcuni produttori utilizzano nomi proprietari come Columax, Alcomax, Hycomax o Ticonal , sebbene siano meno comuni nella letteratura tecnica moderna. I gradi numerici MMPA rimangono i più universalmente compresi.

3. Differenze compositive tra i gradi di Alnico

La principale distinzione tra i gradi di Alnico risiede nel contenuto di cobalto (Co) , che influenza direttamente le loro proprietà magnetiche. Anche altri elementi come nichel (Ni), alluminio (Al), rame (Cu) e titanio (Ti) svolgono un ruolo cruciale nel determinare le prestazioni. Di seguito è riportata una ripartizione dettagliata dei principali gradi di Alnico e delle loro composizioni:

3.1 Alnico 2

• Composizione : circa 5% Al, 15% Ni, 20% Co, 55% Fe, 1% Cu .
• Proprietà magnetiche:
  • Rimanenza (Br) : moderata (circa 0,7–0,9 T).
  • Coercitività (Hc) : bassa (circa 40–50 kA/m).
  • Prodotto energetico massimo (BHmax) : basso (circa 5–10 kJ/m³).
• Caratteristiche:
  • Isotropico (proprietà magnetiche non direzionali).
  • Adatto per applicazioni a basso campo in cui costi e facilità di magnetizzazione sono prioritari.
  • Spesso utilizzato in sensori, relè e motori a bassa potenza.

3.2 Alnico 5

• Composizione : circa 8% Al, 15% Ni, 24% Co, 35% Fe, 4% Cu, 1% Ti .
• Proprietà magnetiche:
  • Rimanenza (Br) : alta (circa 1,0–1,3 T).
  • Coercitività (Hc) : moderata (circa 48–160 kA/m).
  • Prodotto energetico massimo (BHmax) : da moderato ad alto (circa 25–40 kJ/m³).
• Caratteristiche:
  • Anisotropico (proprietà magnetiche direzionali ottenute tramite trattamento termico in un campo magnetico).
  • Prestazioni bilanciate con buona stabilità della temperatura.
  • Ampiamente utilizzato nei motori elettrici, nei generatori, negli altoparlanti e nei separatori magnetici.

3.3 Alnico 8

• Composizione : circa 8% Al, 24% Ni, 14% Co, 46% Fe, 2% Ti .
• Proprietà magnetiche:
  • Rimanenza (Br) : Molto alta (circa 1,1–1,4 T).
  • Coercitività (Hc) : Alta (circa 160–240 kA/m).
  • Prodotto energetico massimo (BHmax) : elevato (circa 35–50 kJ/m³).
• Caratteristiche:
  • Anisotropico con prestazioni magnetiche superiori rispetto all'Alnico 5.
  • Eccellente stabilità della temperatura e resistenza alla corrosione.
  • Utilizzato in motori ad alte prestazioni, sensori e apparecchiature audio in cui è richiesta la massima potenza magnetica.

3.4 Alnico 9

• Composizione : simile all'Alnico 8 ma con proporzioni leggermente modificate (ad esempio, contenuto più elevato di Co o Ti).
• Proprietà magnetiche:
  • Rimanenza (Br) : paragonabile ad Alnico 8.
  • Coercitività (Hc) : superiore a quella dell'Alnico 8.
  • Prodotto energetico massimo (BHmax) : tra i più alti nella famiglia Alnico.
• Caratteristiche:
  • Meno comuni di Alnico 5 e 8, ma utilizzati in applicazioni specializzate che richiedono prestazioni magnetiche estreme.

3.5 Tendenze chiave nella composizione e nell'esecuzione

• Contenuto di cobalto : un contenuto più elevato di Co generalmente aumenta la rimanenza (Br) e il prodotto energetico massimo (BHmax), ma può ridurre leggermente la coercività (Hc) a meno che non sia bilanciato con altri elementi come il Ti.
• Contenuto di nichel : un contenuto più elevato di Ni migliora la coercitività e la stabilità della temperatura, ma può ridurre la rimanenza se non bilanciato con Co.
• Alluminio e rame : questi elementi contribuiscono a formare la microstruttura desiderata (ad esempio, precipitati allungati di NiAl per l'anisotropia della forma) e migliorano le proprietà magnetiche.
• Titanio : aggiunto in alcuni gradi (ad esempio, Alnico 8) per affinare la struttura del grano e migliorare la coercitività.

4. Confronto con altri magneti contenenti cobalto: SmCo tipo 2:17

Pur non essendo un magnete di grado Alnico, il magnete in Samario-Cobalto (SmCo) di tipo 2:17 merita di essere menzionato per il suo contenuto di cobalto e le sue elevate prestazioni. A differenza dell'Alnico, lo SmCo appartiene alla famiglia dei magneti a terre rare e offre proprietà magnetiche superiori a fronte di costi di produzione e materiali più elevati.

4.1 Composizione

• SmCo di tipo 2:17 : contiene circa il 23-28% di Co , insieme a Sm (samario), Fe (ferro), Cu (rame) e Zr (zirconio).
• Proprietà magnetiche:
  • Remanenza (Br) : fino a 1,1–1,2 T.
  • Coercitività (Hc) : estremamente elevata (fino a 2000–2500 kA/m).
  • Prodotto energetico massimo (BHmax) : molto elevato (fino a 250–300 kJ/m³).
• Caratteristiche:
  • Eccezionale stabilità della temperatura (funzionamento fino a 350–400°C).
  • Altamente resistente alla corrosione e alla smagnetizzazione.
  • Utilizzato in applicazioni aerospaziali, militari e industriali di fascia alta, dove le prestazioni superano i costi.

4.2 Differenze chiave rispetto all'Alnico

• Famiglia di materiali : l'Alnico è un magnete in lega metallica, mentre lo SmCo è un magnete in terre rare.
• Prestazioni magnetiche : SmCo supera notevolmente Alnico in termini di coercitività e prodotto energetico, ma è più costoso.
• Stabilità della temperatura : entrambi offrono un'eccellente stabilità, ma SmCo ha un limite di temperatura superiore più elevato.
• Applicazioni : l'Alnico è preferito per applicazioni ad alta temperatura e con costi contenuti, mentre l'SmCo viene utilizzato quando è fondamentale ottenere le massime prestazioni.

5. Efficacia dei costi e selezione basata sull'applicazione

La scelta del grado di Alnico dipende dal bilanciamento tra prestazioni magnetiche, stabilità termica, resistenza alla corrosione e costo . Un contenuto di cobalto più elevato generalmente migliora le prestazioni, ma aumenta i costi di materiale e lavorazione. Il "punto ottimale" per il rapporto costo-efficacia varia a seconda dell'applicazione:

5.1 Applicazioni a basso costo e basse prestazioni

• Alnico 2 : adatto per sensori, relè e motori a bassa potenza in cui è sufficiente un'uscita magnetica moderata.

5.2 Applicazioni con prestazioni bilanciate

• Alnico 5 : il tipo più diffuso, che offre un buon rapporto tra costi e prestazioni per motori elettrici, generatori e altoparlanti.

5.3 Applicazioni ad alte prestazioni

• Alnico 8 : utilizzato in motori ad alte prestazioni, sensori e apparecchiature audio in cui è richiesta la massima potenza magnetica e il costo è un problema minore.

5.4 Applicazioni specializzate

• Alnico 9 o SmCo : riservato ad applicazioni di nicchia che richiedono prestazioni estreme o stabilità della temperatura che vanno oltre le capacità dell'Alnico.

6. Conclusion

I magneti in Alnico sono classificati in gradi (ad esempio, Alnico 2, 5, 8, 9) in base alla loro composizione e alle proprietà magnetiche, con il contenuto di cobalto come principale elemento di differenziazione. I gradi di cobalto più elevati (ad esempio, Alnico 8) offrono prestazioni magnetiche superiori ma a un costo più elevato, mentre i gradi di cobalto più bassi (ad esempio, Alnico 2) offrono una soluzione conveniente per applicazioni meno impegnative. La nomenclatura standard MMPA e i sistemi basati sul pinyin cinese aiutano gli utenti a identificare e selezionare il grado appropriato per le loro esigenze.

Sebbene i magneti in Alnico rimangano preziosi per la loro stabilità termica e resistenza alla corrosione, devono affrontare la concorrenza dei magneti in terre rare come lo SmCo nelle applicazioni ad alte prestazioni. Tuttavia, i vantaggi unici dell'Alnico ne garantiscono la continua rilevanza in settori come l'automotive, l'aerospaziale e l'elettronica di consumo. La chiave per ottimizzare il rapporto costo-efficacia risiede nell'adattare il grado magnetico ai requisiti specifici dell'applicazione, garantendo il miglior equilibrio tra prestazioni e costi.