Mechanische eigenschappen van alnicomagneten en vergelijking met andere permanente magneten
1. Inleiding
Alnico (aluminium-nikkel-kobalt) magneten zijn een klasse permanente magneten die in de jaren dertig van de vorige eeuw zijn ontwikkeld en bekend staan om hun uitstekende thermische stabiliteit, hoge remanentie ( Br ) en matige coërciviteit ( Hc ). Hoewel hun magnetische eigenschappen goed gedocumenteerd zijn, zijn hun mechanische prestaties – waaronder hardheid, treksterkte, buigsterkte en taaiheid – eveneens cruciaal voor technische toepassingen. Dit artikel geeft gedetailleerde gegevens over de mechanische eigenschappen van Alnico-magneten en vergelijkt deze met andere permanente magneten, zoals zeldzame-aardemagneten (NdFeB, SmCo) en ferrietmagneten.
2. Mechanische eigenschappen van alnicomagneten
(1) Hardheid
- Typische waarde : Alnico-magneten hebben doorgaans een Rockwell C-hardheid (HRC) van 40-50 of een Vickers-hardheid (HV) van 500-700 .
- Factoren die de hardheid beïnvloeden:
- Legeringssamenstelling : Een hoger gehalte aan kobalt (Co) en nikkel (Ni) verhoogt de hardheid, maar vermindert de ductiliteit.
- Warmtebehandeling : Juiste veroudering en oplossingsgloeien verbeteren de hardheid door de verdeling van de precipitaten te optimaliseren (bijv. Ni-Al- of Co-Ti-fasen).
- Microstructuur : Fijnkorrelige structuren met uniforme precipitaten verhogen de hardheid door het vastzetten van domeinwanden.
(2) Treksterkte
- Typische waarde : De ultieme treksterkte (UTS) van Alnico varieert van 150 tot 300 MPa , afhankelijk van de legeringskwaliteit en de verwerkingsmethode.
- Vergelijking met andere magneten:
- Ferrietmagneten : Lagere treksterkte (~50–100 MPa) vanwege hun keramische samenstelling.
- NdFeB-magneten : hogere treksterkte (~300–500 MPa), maar bros, waardoor ze minder goed bewerkbaar zijn.
- SmCo-magneten : Matige treksterkte (~200–400 MPa) met een betere taaiheid dan NdFeB.
(3) Buigsterkte
- Typische waarde : Alnico-magneten hebben een buigsterkte van 100-200 MPa , waardoor ze beter bestand zijn tegen buigen dan ferrietmagneten, maar minder robuust dan zeldzame-aardemagneten.
- Kernfactor : De anisotrope structuur van Alnico (als gevolg van gerichte stolling) verbetert de buigsterkte langs voorkeurskristallografische assen.
(4) Taaiheid (slagvastheid)
- Typische waarde : Alnico-magneten zijn bros , met een Charpy-impactenergie van <5 J/cm² , vergelijkbaar met ferrietmagneten maar lager dan zeldzame-aardemagneten.
- Beperking : De lage taaiheid van Alnico beperkt het gebruik ervan tot toepassingen waar mechanische schokken minimaal zijn (bijv. sensoren, lucht- en ruimtevaart).
(5) Dichtheid
- Typische waarde : Alnico heeft een dichtheid van 7,2–7,6 g/cm³ , hoger dan ferrietmagneten (4,8–5,2 g/cm³) maar lager dan NdFeB (7,4–7,6 g/cm³) en SmCo (8,3–8,5 g/cm³).
3. Vergelijking met andere permanente magneten
Tabel 1: Mechanische eigenschappen van permanente magneten
| Eigendom | Alnico | NdFeB | SmCo | Ferriet |
|---|---|---|---|---|
| Hardheid (HRC) | 40–50 | 55–60 | 50–55 | 30–40 |
| Treksterkte (MPa) | 150–300 | 300–500 | 200–400 | 50–100 |
| Buigsterkte (MPa) | 100–200 | 200–300 | 150–250 | 50–100 |
| Taaiheid (J/cm²) | <5 | 5–10 | 10–15 | <2 |
| Dichtheid (g/cm³) | 7.2–7.6 | 7.4–7.6 | 8.3–8.5 | 4.8–5.2 |
(1) Alnico versus NdFeB-magneten
- Voordelen van Alnico:
- Betere thermische stabiliteit : Alnico behoudt zijn magnetisme tot 600 °C , terwijl NdFeB boven 200 °C degradeert.
- Betere bewerkbaarheid : Alnico kan worden gesneden, geboord of geslepen, terwijl NdFeB vanwege zijn hardheid diamantgereedschap vereist.
- Nadelen van Alnico:
- Lager magnetisch energieproduct : Alnico'sBH max (~5–10 MGOe) is veel lager dan die van NdFeB (~40–50 MGOe).
- Lagere coërciviteit : Alnico is gevoelig voor demagnetisatie onder omgekeerde velden.
(2) Alnico versus SmCo-magneten
- Voordelen van Alnico:
- Lagere kosten : SmCo bevat dure zeldzame aardmetalen (bijv. samarium, dysprosium), waardoor Alnico economischer is.
- Betere corrosiebestendigheid : Alnico heeft geen coating nodig, terwijl SmCo in vochtige omgevingen kan oxideren.
- Nadelen van Alnico:
- Lagere magnetische prestaties : SmCo heeft een hogereBH max (~25–32 MGOe) en coërciviteit (~600–800 kA/m).
- Lagere temperatuurcoëfficiënt : De remanentie van SmCo verandert minder met de temperatuur (-0,03%/°C versus -0,02%/°C voor Alnico).
(3) Alnico versus ferrietmagneten
- Voordelen van Alnico:
- Hogere remanentie : De Br-waarde van alnico (~1,0–1,4 T) is veel hoger dan die van ferriet (~0,2–0,4 T).
- Betere mechanische sterkte : De trek- en buigsterkte van Alnico zijn hoger dan die van ferrietmagneten.
- Nadelen van Alnico:
- Hogere kosten : Ferrietmagneten zijn aanzienlijk goedkoper vanwege de overvloed aan grondstoffen (bijv. ijzeroxide, strontiumcarbonaat).
- Lagere magnetische stabiliteit : Ferrietmagneten hebben een hogere temperatuurcoëfficiënt van remanentie (~-0,2%/°C).
4. Toepassingen gebaseerd op mechanische eigenschappen
(1) Alnico-magneten
- Sensoren voor hoge temperaturen : Deze worden gebruikt in sensoren in de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie vanwege hun thermische stabiliteit.
- Elektrische gitaarelementen : Bewerkbare vormen en stabiele magnetische velden verbeteren de geluidskwaliteit.
- Militaire uitrusting : Bestand tegen demagnetisatie door schokken en trillingen.
(2) NdFeB-magneten
- Krachtige motoren : Gebruikt in elektrische voertuigen (EV's) en windturbines voor maximaal koppel.
- MRI-apparaten : vereisen sterke magnetische velden voor beeldvorming.
(3) SmCo-magneten
- Actuatoren voor de lucht- en ruimtevaart : werken betrouwbaar bij extreme temperaturen.
- Medische hulpmiddelen : worden gebruikt in pacemakers en hoortoestellen vanwege hun biocompatibiliteit.
(4) Ferrietmagneten
- Goedkope motoren : Te vinden in huishoudelijke apparaten (bijv. koelkasten, ventilatoren).
- Luidsprekers : leveren voldoende magnetische velden tegen minimale kosten.
5. Conclusie
Alnico-magneten vertonen een matige hardheid, treksterkte en buigsterkte, maar hebben een lage taaiheid, waardoor ze minder geschikt zijn voor toepassingen met hoge impactbelastingen. In vergelijking met zeldzame-aardemagneten (NdFeB, SmCo) biedt Alnico een betere thermische stabiliteit en bewerkbaarheid, maar lagere magnetische prestaties. Ferrietmagneten zijn weliswaar goedkoper, maar hebben inferieure magnetische en mechanische eigenschappen. De keuze van de magneet hangt af van de eisen van de toepassing met betrekking tot temperatuurbestendigheid, magnetische sterkte, kosten en mechanische duurzaamheid .
Voor precisietoepassingen bij hoge temperaturen blijft Alnico onvervangbaar, terwijl voor hoogwaardige, kostengevoelige toepassingen de voorkeur uitgaat naar NdFeB of SmCo. Inzicht in deze afwegingen is essentieel voor een optimale magneetselectie in technische ontwerpen.
