Corelația dintre structura cristalină și performanța magnetică în aliajele Alnico

1. Introducere în aliajele Alnico

Aliajele Alnico (aluminiu-nichel-cobalt) sunt o clasă de materiale pentru magneți permanenți, dezvoltate la începutul secolului al XX-lea, renumite pentru stabilitatea lor excelentă la temperatură și rezistența la coroziune. Aceste aliaje constau în principal din fier (Fe) ca metal de bază, cu aluminiu (Al, 8-12% greutate), nichel (Ni, 15-26% greutate), cobalt (Co, 5-24% greutate) și adaosuri minore de cupru (Cu) și titan (Ti). Magneții Alnico sunt clasificați în variante izotrope și anizotrope, acestea din urmă prezentând proprietăți magnetice superioare datorită creșterii direcționale a cristalelor obținute prin procese controlate de solidificare.

Performanța magnetică a aliajelor Alnico este intrinsec legată de structura lor cristalină, compoziția fazelor și caracteristicile microstructurale. Acest articol explorează structura cristalină a aliajelor Alnico, mecanismele sale de formare și impactul său profund asupra proprietăților magnetice, cum ar fi remanența (Br), coercitivitatea (Hc) și produsul energetic magnetic (BHmax).

2. Structura cristalină a aliajelor Alnico

2.1 Faza primară: α-Fe (corp centrat cubic, BCC)

Faza dominantă în aliajele Alnico este α-Fe, care cristalizează într-o structură cubică centrată pe corp (BCC) . Această fază formează matricea aliajului și contribuie semnificativ la proprietățile sale magnetice. Structura BCC a α-Fe este caracterizată prin:

• Permeabilitate magnetică ridicată : Datorită momentelor magnetice aliniate ale atomilor de fier.
• Magnetizare de saturație moderată : aproximativ 2,18 T (tesla) la temperatura camerei.
• Anizotropie magnetocristalină scăzută : ceea ce înseamnă că domeniile magnetice se pot reorienta ușor sub câmpuri externe.

Cu toate acestea, α-Fe pur prezintă o coercivitate scăzută, ceea ce îl face predispus la demagnetizare. Pentru a spori coercivitatea, aliajele Alnico încorporează elemente suplimentare care formează faze secundare cu structuri cristaline distincte.

2.2 Faze secundare: Compuși pe bază de Fe-Co și Al-Ni

În timpul solidificării, aliajele Alnico sunt supuse descompunerii spinodale , un proces în care soluția solidă suprasaturată se separă în două faze distincte:

1. Fază bogată în Fe-Co (fază magnetică):
   • Structura cristalină: BCC sau tetragonală (în funcție de compoziție și tratament termic).
   • Rol: Acționează ca fază magnetică principală, contribuind la o remanență ridicată (Br) datorită cuplării sale feromagnetice puternice.
   • Exemplu: În Alnico 5, faza Fe-Co conține ~24% în greutate Co, sporind temperatura Curie și stabilitatea magnetică.
2. Fază bogată în Al-Ni (fază nemagnetică):
   • Structura cristalină: compuși cubici cu fețe centrate (FCC) sau intermetalici complecși (de exemplu, NiAl, FeAl).
   • Rol: Servește ca matrice sau fază limită, izolând domeniile magnetice și crescând coercitivitatea prin anizotropia formei .
   • Exemplu: Faza Al-Ni din Alnico 8 formează precipitate de tip tijă care fixează pereții domeniilor, generând Hc.

2.3 Rolul cuprului (Cu) și titanului (Ti)

• Cupru : Adăugat în cantități mici (1–3% în greutate) pentru a promova rafinarea granulelor și a îmbunătăți separarea fazelor în timpul descompunerii spinodale. Cu nu modifică semnificativ structura cristalină, dar îmbunătățește uniformitatea microstructurală.
• Titan : În Alnico 8, Ti (3-5% în greutate) formează precipitate bogate în Ti care rafinează și mai mult microstructura și cresc coercitivitatea prin introducerea unor situsuri suplimentare de fixare pentru pereții domeniilor.

3. Mecanisme de formare a structurii cristaline în aliajele Alnico

3.1 Procesul de solidificare

Aliajele Alnico sunt de obicei produse prin solidificare direcțională (turnare) sau metalurgie a pulberilor (sinterizare). Procesul de solidificare influențează profund structura cristalină:

1. Solidificare direcțională:
   • Ratele controlate de răcire (de exemplu, 1–10°C/min) promovează creșterea granulelor columnare aliniate de-a lungul unei direcții preferențiale.
   • Această aliniere sporește anizotropia magnetică, deoarece axa de magnetizare ușoară (EMA) a fazei α-Fe se aliniază cu orientarea granulelor.
   • Exemplu: Piesele turnate din Alnico 5 prezintă granule columnare cu EMA paralelă cu direcția de solidificare, rezultând conținut ridicat de Br și Hc.
2. Metalurgia pulberilor (sinterizare):
   • Pulberile fine sunt presate și sinterizate la temperaturi ridicate (1100–1250°C).
   • Microstructura rezultată este mai izotropă din cauza orientării aleatorii a granulelor, ceea ce duce la o performanță magnetică mai scăzută în comparație cu Alnico turnat.

3.2 Tratament termic

Tratamentul termic post-solidificare este esențial pentru optimizarea structurii cristaline și a proprietăților magnetice:

1. Tratament cu soluție:
   • Încălzire la 1100–1250°C pentru a dizolva fazele secundare în matricea α-Fe.
   • Stingere (răcire rapidă) pentru a reține o soluție solidă suprasaturată.
2. Îmbătrânire (Descompunerea spinodală):
   • Încălzire la 600–800°C pentru perioade lungi de timp (ore până la zile) pentru a induce separarea fazelor în fazele Fe-Co și Al-Ni.
   • Faza Fe-Co formează precipitate alungite (asemănătoare tijei sau lamelare), în timp ce faza Al-Ni acționează ca o matrice.
   • Această morfologie sporește anizotropia formei, crescând coercitivitatea.
3. Îmbătrânirea câmpului magnetic:
   • Aplicarea unui câmp magnetic puternic în timpul îmbătrânirii aliniază precipitatele de Fe-Co de-a lungul direcției câmpului, crescând și mai mult anizotropia magnetică.
   • Exemplu: Alnico 5 învechit într-un câmp de 5–10 kOe prezintă o creștere de 20–30% a Br în comparație cu probele neînvechite în câmp.

4. Corelația dintre structura cristalină și proprietățile magnetice

4.1 Remanență (Br)

Remanența este magnetizarea reziduală după îndepărtarea unui câmp extern. Este determinată în principal de:

• Fracția volumică a fazei Fe-Co : Un conținut mai mare de Fe-Co crește Br datorită cuplării feromagnetice mai puternice.
• Orientarea granulelor : Granulele columnare aliniate de-a lungul EMA (ca în Alnico turnat) maximizează Br prin reducerea mișcării peretelui domeniului.
• Puritatea fazei : Fazele nemagnetice minime (de exemplu, oxizi, porozitate) previn scurgerile de flux, conservând Br.

Exemplu : Alnico 5 (turnat) are un Br de 1,2–1,3 T, în timp ce Alnico 5 sinterizat are un Br de ~1,0–1,1 T datorită granulelor mai puțin aliniate.

4.2 Coercitivitate (Hc)

Coercitivitatea este rezistența la demagnetizare. Este influențată de:

• Anizotropia de formă a precipitatelor Fe-Co : Precipitatele de tip tijă sau lamelare acționează ca locuri de fixare pentru pereții domeniilor, necesitând câmpuri electroni mai mari pentru a le deplasa.
• Limite de interfază : Faza Al-Ni înconjoară precipitatele Fe-Co, creând bariere în calea mișcării pereților domeniilor.
• Defecte cristalografice : Dislocațiile și limitele granulelor pot fie împiedica, fie ajuta mișcarea pereților domeniilor, în funcție de orientarea lor.

Exemplu : Alnico 8, cu precipitatele sale rafinate bogate în Ti, atinge o valoare a Hc > 500 kA/m, în timp ce Alnico 5 are o valoare a Hc ~160–200 kA/m.

4.3 Produsul energetic magnetic (BHmax)

BHmax este produsul maxim dintre remanență și coercitivitate, reprezentând densitatea de energie a magnetului. Depinde de:

• Uniformitatea structurii cristaline : Microstructurile omogene cu defecte minime maximizează BHmax.
• Echilibru între Br și Hc : O valoare ridicată a Br este insuficientă; o valoare ridicată a Hc este necesară pentru a preveni demagnetizarea sub sarcină.
• Stabilitate la temperatură : Structura pe bază de BCC a Alnico rezistă fluctuațiilor termice, menținând BHmax până la 500–600°C.

Exemplu : Alnico 5 are un BHmax de 35–45 kJ/m³, în timp ce Alnico 8 atinge 50–60 kJ/m³ datorită Hc-ului său mai ridicat.

5. Studii de caz: Alnico 5 și Alnico 8

5.1 Alnico 5 (Fe-14Ni-8Al-24Co-3Cu)

• Structura cristalină:
  • Faza primară: α-Fe (BCC) cu precipitate Fe-Co (tetragonale sau BCC).
  • Fază secundară: Al-Ni (FCC) formând o matrice în jurul barelor Fe-Co.
• Proprietăți magnetice:
  • Br: 1,2–1,3 T (turnat), 1,0–1,1 T (sinterizat).
  • Hc: 160–200 kA/m.
  • BHmax: 35–45 kJ/m³.
• Aplicații : Motoare electrice, senzori, difuzoare.

5.2 Alnico 8 (Fe-15Ni-7Al-34Co-5Ti-3Cu)

• Structura cristalină:
  • Faza primară: α-Fe (BCC) cu precipitate Fe-Co rafinate cu Ti.
  • Fază secundară: Al-Ni-Ti (complex intermetalic) formând o matrice mai dură.
• Proprietăți magnetice:
  • Br: 1,1–1,2 T.
  • Hc: >500 kA/m.
  • BHmax: 50–60 kJ/m³.
• Aplicații : Senzori de temperatură înaltă, componente aerospațiale.

6. Provocări și direcții viitoare

În ciuda avantajelor lor, aliajele Alnico se confruntă cu provocări:

1. Coercitivitate scăzută în comparație cu magneții din pământuri rare : magneții NdFeB au Hc >1000 kA/m, limitând utilizarea Alnico în aplicații cu câmp de demagnetizare ridicat.
2. Fragilitate : Structura BCC a α-Fe face ca Alnico să fie predispus la fisuri în timpul prelucrării.
3. Cost : Deși sunt mai ieftini decât magneții din pământuri rare, magneții Alnico sunt mai scumpi decât magneții din ferită.

Cercetări viitoare :

• Nanostructurare : Rafinarea precipitatelor la scară submicronică pentru a îmbunătăți anizotropia formei.
• Modele compozite : Combinarea Alnico cu faze magnetice moi (de exemplu, Fe-Si) pentru îmbunătățirea BHmax.
• Fabricație aditivă : imprimare 3D Alnico cu orientare controlată a granulelor pentru magneți personalizați.

7. Concluzie

Structura cristalină a aliajelor Alnico, dominată de BCC α-Fe și FCC secundare sau faze intermetalice, este fundamentul proprietăților lor magnetice. Prin solidificare controlată și tratament termic, Alnico obține o remanență ridicată prin precipitate Fe-Co aliniate și o coercivitate ridicată prin anizotropie de formă. Deși există încă provocări, cercetările continue în domeniul nanostructurării și al designului compozitelor promit să extindă relevanța Alnico în aplicațiile magnetice de înaltă performanță.