Алнико қорытпалары: қасиеттері мен қолданылуы

Кіріспе

Темір қорытпалар отбасы

Alnico – темір қорытпалар отбасы, құрамында темірден басқа негізінен алюминий (Al), никель (Ni) және кобальт (Co) бар, содан аталған қорытпа al ni co деп аталады. Оларға мыс және кейде титан да кіреді. Alnico қорытпалары ферромагниттік және тұрақты магниттер жасауға қолданылады. 1970 жылдары сирек кездесетін жерлердегі магниттер ойда келгенге дейін, олар ең күшті тұрақты магниттердің түрі болды. Бұл отбасыдағы қорытпалардың басқа саудалық атаулары: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax және Ticonal. Alnico қорытпаларының құрамы әдетте 8–12% Al, 15–26% Ni, 5–24% Co, 6% Cu дейін, 1% Ti дейін және қалғаны Fe. Alnico-ның дамуы 1931 жылы басталды, сол кезде Жапониядағы Т. Мисима темір, никель және алюминий қорытпасының коэрцитивтілігі сол кездегі ең жақсы магниттік болаттардың екі есеге артығын анықтады.

Қасиеттері

Алнико қорытпалары магниттелгенде күшті магнит өрістерін тудырады және жоғары коэрцитивтілікке (демагниттендіруге қарсы тұру қабілетіне) ие, осылайша берік тұрақты магниттерді жасауға мүмкіндік береді. Көп қолданылатын магниттердің ішінде тек неодим және самарий кобальты сияқты сирек кездесетін магниттер ғана күштірек. Алнико магниттерінің полюстеріндегі магнит өрісінің күші 1500 гаусс (0,15 тесла) немесе Жердің магнит өрісінің күшінен 3000 есе артық болуы мүмкін. Кейбір алнико маркалары изотропты болып табылады және кез келген бағытта тиімді магниттелуі мүмкін. Алнико 5 және алнико 8 сияқты басқа түрлері анизотропты, олардың әрқайсысының магниттелу бағыты немесе ориентациясы болады. Анизотропты қорытпалар, әдетте, изотропты түрлерге қарағанда белгілі бір бағытта жоғары магниттік қабілетке ие. Алниконың қалдық магниттелуі (Br) 12000 Г (1,2 Т) асуы мүмкін, оның коэрцитивтілігі (Hc) 1000 оерстедке (80 кА/м) дейін жете алады, ал ең жоғары энергия көбейтіндісі ((BH)max) 5,5 МГ·Ое (44 Т·А/м) дейін болуы мүмкін. Сондықтан, алнико жабық магниттік тізбектерде күшті магниттік ағын тудыра алады, бірақ демагниттендіруге төзімділігі салыстырмалы түрде төмен. Кез келген тұрақты магниттің полюстеріндегі өріс күші пішініне өте байланысты және әдетте материалдың қалдық магниттелу күшінен төмен болады. Алнико қорытпаларының Кюри температурасы кез келген магниттік материалдың арасында ең жоғары болып табылады, шамамен 800 °C (1472 °F), бірақ максималды жұмыс температурасы әдетте шамамен 538 °C (1000 °F) дейін шектеледі. Олар қыздырылғанда қызыл түске дейін ысыған кезде де пайдалы магниттік қасиеттерін сақтайтын жалғыз магниттер. Бұл қасиет, сондай-ақ олардың хруптылығы және жоғары балқу температурасы алюминий мен басқа да құрамдас бөліктер арасындағы металдық байланысқа байланысты тәртіпке бейімділіктен туындайды. Дұрыс қолданғанда, алнико магниттері ең тұрақты магниттердің бірі болып табылады. Алнико магниттері керамикалық магниттерден айырмашылығы электр тогын өткізеді. MMPA класының IEC коды ref. Салмағы бойынша құрамы (Fe қалдықты құрайды) Магниттік қасиеттер Физикалық қасиеттер Термиялық қасиеттер Макс. энергия көбейтіндісі, (BH)max Қалдық индукция, Br Коэрцитивтік күш, Hc Ішкі коэрцитивтік күш, Hci Тығыздық Тартылу беріктігі Көлденең жарылу модулі HRC Жылулық кеңею коэффициенті (10−6 °C) Электрлік кедергі, 20 °C (μОм·см) Кері қайтарулы температура. коэффициенті, (% °C) Кюри температурасы Макс. пайдалану температурасы Al Ni Co Cu Ti (МГ·Ое) (кДж/м3) (гаусс) (мТ) (Ое) (кА/м) (Ое) (кА/м) (фунт/куб. дюйм) (г/см3) (psi) (МПа) (psi) (МПа) Br-ге жақын Макс. энергия көбейтіндісіне жақын Hc (°C) (°F) (°C) (°F) Изотропты құю AlNiCoAlnico 1R1 0 1122153 1.411.1720072047037480380.2496.940002814000974512.675Alnico 2R1 0 41019133 1.713.5750075056045580460.2567.13000217000484512.465 0.03 0.02 0.028101490450840Alnico 3R1 0 21225 3 1.3510.7700070048038500400.2496.91200083230001584513.060 Анизотропты құю AlNiCoAlnico 5R1 1 1814243 5.543.812800128064051640510.2647.354003710500725011.447 0.02 0.015 +0.018601580525975Alnico 5DGR1 1 2814243 6.557.713300133067053670530.2647.35200369000625011.447Alnico 5 7R1 1 3814243 7.559.713500135074059740590.2647.35000348000555011.447Alnico 6R1 1 481624313.931.010500105078062800640.2657.323000158450003105011.450 0.02 0.015 +0.038601580525975Alnico 8R1 1 571535455.342.28200820165013118601480.2627.31000059300002075511.053 0.025 0.01 +0.0186015805501020Alnico 8HCR1 1 781438385.039.87200720190015121701730.2627.31000059300002075511.054 0.025 0.01 +0.0186015805501020Alnico 9R1 1 671535459.071.6106001060150011915001190.2627.370004880005555110.53 0.025 0.01 +0.0186015805501020 Изотропты күйдірілген AlNiCoAlnico 2R1 0 41019133 1.511.9710071055044570450.2466.8650004487000048345123.468 Анизотропты күйдірілген AlNiCoAlnico 5R1 1 10814243 3.931.010900109062049630500.2506.950000345550003794511.350Alnico 6R1 1 1181524312.923.1940094079063820650.2506.9550003791000006894511.454Alnico 8R1 1 1271535454.031.87400740150011916901340.2527.050000345550003794511.054Alnico 8HCR1 1 1371438384.535.86700670180014320201610.2527.0550003794511.054

Alnico alloys can be magnetised to produce strong magnetic fields and have a high coercivity (resistance to demagnetization), thus making strong permanent magnets. Of the more commonly available magnets, only rare earth magnets such as neodymium and samarium cobalt are stronger. Alnico magnets produce magnetic field strength at their poles as high as 1500 gauss (0.15 tesla), or about 3000 times the strength of Earth's magnetic field. Some alnico brands are isotropic and can be efficiently magnetized in any direction. Other types, such as alnico 5 and alnico 8, are anisotropic, each having a preferred direction of magnetization, or orientation. Anisotropic alloys generally have greater magnetic capacity in a preferred orientation than isotropic types. Alnico's remanence (Br) may exceed 12,000 G (1.2 T), its coercivity (Hc) can be up to 1000 oersteds (80 kA/m), its maximum energy product ((BH)max) can be up to 5.5 MG·Oe (44 T·A/m). Therefore, alnico can produce a strong magnetic flux in closed magnetic circuits, but has relatively small resistance against demagnetization. The field strength at the poles of any permanent magnet depends very much on the shape and is usually well below the remanence strength of the material. Alnico alloys have some of the highest Curie temperatures of any magnetic material, around 800 °C (1472 °F), although the maximal working temperature is typically limited to around 538 °C (1000 °F). They are the only magnets that have useful magnetism even when heated red hot. This property, as well as its brittleness and high melting point, resutls from the strong tendency toward order due to intermetallic bonding between aluminum and other constituents. They are also one of the most stable magnets if handled properly. Alnico magnets are electrically conductive, unlike ceramic magnets. MMPA class IEC code ref. Composition by weight (Fe comprises remainder) Magnetic properties Physical properties Thermal properties Max. energy product, (BH)max Residual induction, Br Coercive force, Hc Intrinsic coercive force, Hci Density Tensile strength Transverse modulus of rupture HRC Thermal expansion coefficient (10−6 per °C) Electrical resistivity, at 20 °C (μΩ·cm) Reversible temp. coefficient, (% per °C) Curie temp. Max. service temp. Al Ni Co Cu Ti (MGOe) (kJ/m3) (gauss) (mT) (Oe) (kA/m) (Oe) (kA/m) (lb/in3) (g/cm3) (psi) (MPa) (psi) (MPa) Near Br Near max. energy prod. Near Hc (°C) (°F) (°C) (°F) Isotropic cast AlNiCoAlnico 1R1 0 1122153 1.411.1720072047037480380.2496.940002814000974512.675Alnico 2R1 0 41019133 1.713.5750075056045580460.2567.13000217000484512.465 0.03 0.02 0.028101490450840Alnico 3R1 0 21225 3 1.3510.7700070048038500400.2496.91200083230001584513.060 Anisotropic cast AlNiCoAlnico 5R1 1 1814243 5.543.812800128064051640510.2647.354003710500725011.447 0.02 0.015 +0.018601580525975Alnico 5DGR1 1 2814243 6.557.713300133067053670530.2647.35200369000625011.447Alnico 5 7R1 1 3814243 7.559.713500135074059740590.2647.35000348000555011.447Alnico 6R1 1 481624313.931.010500105078062800640.2657.323000158450003105011.450 0.02 0.015 +0.038601580525975Alnico 8R1 1 571535455.342.28200820165013118601480.2627.31000059300002075511.053 0.025 0.01 +0.0186015805501020Alnico 8HCR1 1 781438385.039.87200720190015121701730.2627.31000059300002075511.054 0.025 0.01 +0.0186015805501020Alnico 9R1 1 671535459.071.6106001060150011915001190.2627.370004880005555110.53 0.025 0.01 +0.0186015805501020 Isotropic sintered AlNiCoAlnico 2R1 0 41019133 1.511.9710071055044570450.2466.8650004487000048345123.468 Anisotropic sintered AlNiCoAlnico 5R1 1 10814243 3.931.010900109062049630500.2506.950000345550003794511.350Alnico 6R1 1 1181524312.923.1940094079063820650.2506.9550003791000006894511.454Alnico 8R1 1 1271535454.031.87400740150011916901340.2527.050000345550003794511.054Alnico 8HCR1 1 1371438384.535.86700670180014320201610.2527.0550003794511.054

As of 2018, Alnico magnets cost about 44 USD/kg (US$20/lb) or US$4.30/BHmax.

Жіктеу

Алнико магниттері дәстүрлі түрде Магниттік Материалдар Өндірушілер Қауымдастығы (MMPA) тағайындаған нөмірлермен жіктеледі, мысалы, alnico 3 немесе alnico 5. Бұл жіктемелер химиялық құрамын және магниттік қасиеттерін көрсетеді. (Жіктеме нөмірлері магниттің қасиеттеріне тікелей қатысы жоқ; мысалы, үлкен сан міндетті түрде күшті магнитті білдірмейді.) Бұл жіктеме нөмірлері әлі де қолданыста болғанымен, MMPA жаңа жүйеге көшті, ол Alnico магниттерін мегагаусс оерстедтермен өлшенетін максималды энергия өніміне және килооерстедтермен өлшенетін ішкі мәжбүрлеу күшіне, сондай-ақ IEC жіктеме жүйесіне сәйкес белгілейді. Құйма алнико дәстүрлі әдістермен, шайырмен байланысқан құм қалыптарды пайдалану арқылы өндіріледі. Сүзілген алнико магниттері ұнтақталған металл өндіріс әдістерін қолдану арқылы жасалады. Сүзілу алнико күрделі геометрия үшін қолайлы. Өндірілетін алниконың көп бөлігі анизотроптық болып табылады, яғни түйіршіктердің магниттік бағыты бір бағытта бағдарланған. Анизотроптық алнико магниттері белгілі бір температурадан жоғары қыздырылып, магнит өрісінің әсерімен салқындату арқылы бағдарланады. Изотроптық және анизотроптық алниконың ең жақсы магниттік қасиеттерін дамыту үшін дұрыс жылулық өңдеу қажет. Әйтпесе, алниконың коэрцитивтілігі шамамен 10 Оэ, жұмсақ магниттік материал болып табылатын техникалық темірге ұқсас. Жылулық өңдеуден кейін алнико композиттік материалға айналады, оны "үрпілі материал" деп атайды – ол темірге және кобальтқа бай үрпілерден, NiAl-ға бай матрицада тұрады. Алниконың анизотропиясы қажетті магниттік ось бойымен сыртқы магнит өрісін қолдану арқылы бағдарланады. Бұл үрпі бөлшектерінің пайда болуы кезінде, Кюри нүктесіне жақын 900 °C (1652 °F) температурадан 800 °C (1472 °F) дейін салқындағанда болады. Сыртқы өріссіз, спонтанды магниттелудің салдарынан әртүрлі бағыттардағы жергілікті анизотропиялар пайда болады. Үрпі құрылымы магниттелудің өзгеруіне қарсы "кедергі" болып табылады, себебі ол материалды кез келген аралық күйге жеткізу үшін көп энергия қажет болатын, азау магниттелу күйлерін қалайды. Сондай-ақ, әлсіз магнит өрісі тек матрица фазасының магниттелуін өзгертеді және бұл өзгеріс қайтымды болады.

Alnico magnets are traditionally classified using numbers assigned by the Magnetic Materials Producers Association (MMPA), for example, alnico 3 or alnico 5. These classifications indicate chemical composition and magnetic properties. (The classification numbers themselves do not directly relate to the magnet's properties; for instance, a higher number does not necessarily indicate a stronger magnet.) These classification numbers, while still in use, have been deprecated in favor of a new system by the MMPA, which designates Alnico magnets based on maximum energy product in megagauss oersteds and intrinsic coercive force as kilo oersted, as well as an IEC classification system. Cast alnico is produced by conventional methods using resin bonded sand molds. Sintered alnico magnets are formed using powdered metal manufacturing methods. Sintering alnico is suitable for complex geometries. Most alnico produced is anisotropic, meaning that the magnetic direction of the grains is oriented in one direction. Anisotropic alnico magnets are oriented by heating above a critical temperature and cooling in the presence of a magnetic field. Both isotropic and anisotropic alnico require proper heat treatment to develop optimal magnetic properties. Without it, alnico's coercivity is about 10 Oe, comparable to technical iron, a soft magnetic material. After the heat treatment alnico becomes a composite material, named "precipitation material"—it consists of iron and cobalt rich precipitates in a rich NiAl matrix. Alnico's anisotropy is oriented along the desired magnetic axis by applying an external magnetic field to it during the precipitate particle nucleation, which occurs when cooling from 900 °C (1652 °F) to 800 °C (1472 °F), near the Curie point. There are local anisotropies of different orientations without an external field due to spontaneous magnetization. The precipitate structure is a "barrier" against magnetization changes, as it prefers few magnetization states requiring much energy to get the material into any intermediate state. Also, a weak magnetic field shifts the magnetization of the matrix phase only and is reversible.

Қолданылуы

Алнико магниттері күшті тұрақты магниттер қажет болатын өнеркәсіптік және тұтынушылық қолдануларда кеңінен қолданылады. Мысалдарға электр моторлары, электр гитара пикаптары, микрофондар, сенсорлар, динамиктер, магнитрон түтікшелері және сиырларға арналған магниттер жатады. Көптеген қолдануларда оларды сирек кездесетін жерлердегі магниттер ығыстырып жатыр, олардың күштірек магниттік өрістері (Br) және жоғары энергия өнімдері (B·Hmax) бірдей қолдану үшін кішірек өлшемді магниттерді пайдалануға мүмкіндік береді. Алнико магниттерінің жоғары температураға төзімділігі, магниттік араластыруға арналған қыздыру тақталары сияқты, төзімділігі төмен магниттермен алмастырылмайтын көптеген қолдануларға әкеледі.