Vor fi adăugate urme de elemente de pământuri rare la magneții de aluminiu-nichel-cobalt și va avea această adăugare un impact pozitiv sau negativ asupra performanței?

1. Introducere în magneții Alnico

Magneții Alnico, compuși în principal din aluminiu (Al), nichel (Ni), cobalt (Co) și fier (Fe), se numără printre cei mai vechi magneți permanenți dezvoltați. Aceștia sunt clasificați în tipuri izotropi și anizotropi pe baza orientării lor magnetice, variantele anizotrope (de exemplu, Alnico 5, Alnico 8) prezentând produse de energie magnetică mai mari datorită creșterii direcționale a cristalelor. Magneții Alnico sunt renumiți pentru stabilitatea lor excelentă la temperatură (funcționând până la 500–600°C) și rezistența la coroziune, ceea ce îi face indispensabili în aplicații precum industria aerospațială, senzori și instrumente electrice. Cu toate acestea, coercitivitatea lor relativ scăzută limitează utilizarea lor în medii cu câmp de demagnetizare ridicat.

2. Rolul elementelor de pământuri rare în Alnico

Elementele de pământuri rare (REE), cum ar fi lantanul (La), ceriul (Ce), scandiul (Sc) și neodimul (Nd), sunt adăugate ocazional la aliajele Alnico în cantități infime (de obicei <1%) pentru a optimiza performanța. Adăugarea lor servește mai multor scopuri:

• Microstructura de rafinare : REE acționează ca rafinori de granule, promovând creșterea uniformă a cristalelor și reducând defectele, ceea ce sporește rezistența mecanică și ductilitatea.
• Îmbunătățirea rezistenței la coroziune : REE formează straturi de oxid stabile pe suprafața magnetului, inhibând oxidarea și degradarea chimică, aspecte cruciale pentru fiabilitatea pe termen lung în medii dure.
• Modularea proprietăților magnetice : Anumite REE pot ajusta subtil coercivitatea, remanența și anizotropia magnetică a magnetului prin modificarea compoziției de fază și a structurii domeniilor aliajului.

3. Impactul pozitiv al adaosurilor de pământuri rare

3.1 Proprietăți mecanice îmbunătățite

• Rezistență și tenacitate : Studiile efectuate asupra aliajelor de tip Alnico (de exemplu, aliajele cu entropie ridicată Al-Co-Cr-Fe-Ni) demonstrează că adăugarea de La sau Sc crește semnificativ limita de curgere, rezistența maximă la tracțiune și tenacitatea la fractură. De exemplu, adaosurile de La rafinează dimensiunea granulelor, ducând la o microstructură mai omogenă care rezistă propagării fisurilor.
• Stabilitate la temperaturi ridicate : REE îmbunătățesc rezistența la fluaj a aliajului la temperaturi ridicate, menținând integritatea mecanică în aplicații precum turbinele aerospațiale.

3.2 Rezistență superioară la coroziune

• Straturi pasive de oxid : Terrele rare, în special La și Ce, formează pelicule de oxid dense, aderente (de exemplu, La₂O₃, CeO₂) care protejează magnetul de umiditate, săruri și acizi. Acest lucru reduce coroziunea prin coroziune și fisurarea prin stres, prelungind durata de viață în medii marine sau chimice.
• Efecte sinergice cu alte elemente : Combinate cu cuprul (Cu) sau titanul (Ti), REE-urile sporesc stabilitatea fazelor intermetalice (de exemplu, fazele Fe-Co), inhibând și mai mult coroziunea.

3.3 Optimizarea proprietăților magnetice

• Ajustarea coercivității : Deși REE au în general un impact direct minim asupra coercivității în Alnico, acestea o pot influența indirect prin rafinarea microstructurii. De exemplu, adaosurile de Sc în aliajele Al-Sc promovează formarea fazelor fine α-Fe, care pot stabiliza domeniile magnetice.
• Pierderi magnetice reduse : Rețelele rare de energie (REE) pot minimiza pierderile prin curenți turbionari în aplicațiile de curent alternativ prin creșterea rezistivității electrice, deși acest lucru este mai relevant în cazul materialelor magnetice moi.

4. Potențiale provocări și limitări

4.1 Cost și disponibilitate

• Reacțiile rare precum Nd și Dy sunt scumpe și supuse vulnerabilităților lanțului de aprovizionare. Utilizarea lor în Alnico este limitată la nișe de înaltă performanță, unde costul este secundar performanței.

4.2 Complexitatea procesării

• Terrele rare au puncte de topire și reactivitate ridicate, ceea ce complică topirea și turnarea aliajelor. Controlul precis al nivelurilor de dopare este esențial pentru a evita fragilizarea sau segregarea fazelor.

4.3 Randamente descrescătoare

• Dincolo de niveluri infime (de exemplu, >1%), REE-urile pot forma compuși intermetalici fragili (de exemplu, faze La-Fe), degradând proprietățile mecanice. Concentrația optimă variază în funcție de compoziția aliajului și de tratamentul termic.

5. Studii de caz și dovezi experimentale

5.1 Aliaje de înaltă entropie de tip Alnico dopate cu La

• Cercetările asupra aliajelor AlCoCrFeNi₂.₁ arată că adaosurile de La (0,5–1% în greutate) cresc duritatea cu 15–20%, limita de curgere cu 20–30% și rezistența la coroziune în soluție de NaCl 3,5% prin reducerea densității curentului de coroziune cu 50%. Măsurătorile magnetice relevă o ușoară creștere a remanenței (Br) și o reducere a coercitivității (Hc), atribuită structurii granulare rafinate.

5.2 Alnico 5 modificat cu Sc

• Adaosurile de scandiu (0,1–0,3% în greutate) în Alnico 5 rafinează structura cristalină columnară, îmbunătățind ductilitatea mecanică cu 10–15% fără a sacrifica produsul energetic magnetic (BHmax). Acest lucru permite secțiuni magnetice mai subțiri pentru dispozitive miniaturizate.

5.3 Alnico care conține Ce pentru industria aerospațială

• Ceriul este utilizat în variantele Alnico pentru senzorii motoarelor cu reacție datorită capacității sale de a menține stabilitatea magnetică la temperaturi care depășesc 400°C, rezistând în același timp coroziunii induse de sulf în medii bogate în combustibil.

6. Comparație cu alte tipuri de magneți

• Vs. Magneți NdFeB : Deși magneții NdFeB oferă un BHmax mai mare, aceștia sunt predispuși la coroziune și demagnetizare termică. Magneții Alnico dopați cu REE oferă o alternativă rentabilă în medii cu temperaturi ridicate și predispuse la coroziune.
• Vs. Magneți de ferită : Alnico depășește performanțele magneților de ferită în ceea ce privește stabilitatea la temperatură și rezistența mecanică, deși feritele sunt mai ieftine. Adaosurile de REE reduc și mai mult această diferență în aplicațiile de nișă.

7. Tendințe viitoare

• Dopare cu gradient de REE : Adaptarea distribuției REE în cadrul magnetului pentru a optimiza proprietățile local (de exemplu, o coercivitate mai mare la margini).
• Reciclarea REE-urilor : Recuperarea REE-urilor din magneții uzați pentru a reduce impactul asupra mediului și costurile.
• Magneți hibrizi : Combinând Alnico cu faze magnetice moi (de exemplu, Fe-Si) pentru a crea magneți compoziti cu permeabilitate reglabilă.