Сплавы семейства Alnico: свойства и применение

Введение

Семейство железных сплавов

Alnico – это семейство железных сплавов, состоящих помимо железа преимущественно из алюминия (Al), никеля (Ni) и кобальта (Co), отсюда и акроним al ni co. Они также содержат медь, а иногда и титан. Сплавы Alnico являются ферромагнитными и используются для изготовления постоянных магнитов. До разработки редкоземельных магнитов в 1970-х годах они были самым мощным типом постоянных магнитов. Другие торговые названия сплавов этой группы: Alni, Alcomax, Hycomax, Columax и Ticonal. Типичный состав сплавов Alnico: 8–12% Al, 15–26% Ni, 5–24% Co, до 6% Cu, до 1% Ti, а остальное – Fe. Разработка сплавов Alnico началась в 1931 году, когда Т. Мисима в Японии обнаружил, что сплав железа, никеля и алюминия обладает коэрцитивной силой, вдвое превышающей коэрцитивную силу лучших магнитных сталей того времени.

Свойства

Сплавы алнико могут быть намагничены для создания сильных магнитных полей и обладают высокой коэрцитивной силой (сопротивлением к размагничиванию), что делает их эффективными постоянными магнитами. Среди более распространенных магнитов только редкоземельные магниты, такие как неодим и самарий-кобальт, превосходят их по силе. Магниты из алнико способны создавать магнитную индукцию на полюсах до 1500 гаусс (0,15 тесла), что примерно в 3000 раз превышает напряженность магнитного поля Земли. Некоторые марки алнико являются изотропными и могут быть эффективно намагничены в любом направлении. Другие типы, такие как alnico 5 и alnico 8, анизотропны и имеют предпочтительное направление намагничивания или ориентацию. Анизотропные сплавы, как правило, обладают большей магнитной способностью в предпочтительном направлении, чем изотропные. Остаточная индукция (Br) сплавов алнико может превышать 12 000 Гс (1,2 Т), коэрцитивная сила (Hc) может достигать 1000 эрстед (80 кА/м), а максимальный энергетический продукт ((BH)max) – до 5,5 МГ·Ое (44 Т·А/м). Таким образом, алнико способен создавать сильный магнитный поток в замкнутых магнитных цепях, но обладает относительно невысокой устойчивостью к размагничиванию. Напряженность поля на полюсах любого постоянного магнита в значительной степени зависит от его формы и обычно значительно ниже остаточной индукции материала. Сплавы алнико имеют одну из самых высоких температур Кюри среди всех магнитных материалов – около 800 °C (1472 °F), хотя максимальная рабочая температура обычно ограничена примерно 538 °C (1000 °F). Это единственные магниты, сохраняющие полезные магнитные свойства даже при нагревании докрасна. Это свойство, а также хрупкость и высокая температура плавления, обусловлены сильной тенденцией к упорядочению, вызванной межметаллическими связями между алюминием и другими компонентами. При правильном обращении они также являются одними из самых стабильных магнитов. Магниты из алнико электропроводны, в отличие от керамических магнитов. Класс MMPA Код IEC ref. Состав по весу (Fe составляет остаток) Магнитные свойства Физические свойства Тепловые свойства Макс. энергетический продукт, (BH)max Остаточная индукция, Br Коэрцитивная сила, Hc Внутренняя коэрцитивная сила, Hci Плотность Предел прочности на разрыв Модуль поперечного изгиба HRC Коэффициент теплового расширения (10−6 на °C) Удельное электрическое сопротивление при 20 °C (мкОм·см) Обратимый температурный коэффициент, (% на °C) Температура Кюри Макс. рабочая температура Al Ni Co Cu Ti (МГ·Ое) (кДж/м3) (Гс) (мТ) (Э) (кА/м) (Э) (кА/м) (фунт/дюйм3) (г/см3) (psi) (МПа) (psi) (МПа) Вблизи Br Вблизи макс. энергетического продукта Вблизи Hc (°C) (°F) (°C) (°F) Изотропный литой AlNiCoAlnico 1R1 0 11 2 21 5 3 1.41 1.17 200 720 470 374 80 38 0.249 6.94 000 281 400 097 45 12.675 Alnico 2R1 0 4 10 19 13 3 1.71 3.57 500 750 560 455 80 46 0.256 7.13 000 217 000 484 51 12.465 0.03 0.02 0.028 101 490 450 840 Alnico 3R1 0 2 12 25 3 1.35 10.77 000 700 480 385 004 0.249 6.91 200 083 230 000 158 45 13.060 Анизотропный литой AlNiCoAlnico 5R1 1 18 14 24 3 5.54 3.81 2800 1280 640 516 40 510 0.264 7.35 400 371 050 072 50 11.447 0.02 0.015 +0.018 601 580 525 975 Alnico 5DGR1 1 28 14 24 3 6.55 7.71 3300 1330 670 536 70 530 0.264 7.35 200 369 000 625 011.447 Alnico 5 7R1 1 38 14 24 3 7.55 9.71 3500 1350 740 597 40 590 0.264 7.35 000 348 000 555 011.447 Alnico 6R1 1 48 16 24 3 13.93 1.01 0500 1050 780 628 006 0.265 7.32 300 015 845 000 310 50 11.450 0.02 0.015 +0.038 601 580 525 975 Alnico 8R1 1 57 15 35 4 5.34 2.28 2008 201 650 131 186 0148 0.262 7.31 000 059 300 000 207 55 11.053 0.025 0.01 +0.018 601 580 550 1020 Alnico 8HCR1 1 78 14 38 3 8.50 3.98 7200 720 1900 151 217 0173 0.262 7.31 000 059 300 000 207 55 11.054 0.025 0.01 +0.018 601 580 550 1020 Alnico 9R1 1 67 15 35 4 9.07 1.61 0600 1060 1500 119 150 0119 0.262 7.37 000 488 000 555 5110.53 0.025 0.01 +0.018 601 580 550 1020 Изотропный спеченный AlNiCoAlnico 2R1 0 4 10 19 13 3 1.51 1.97 100 710 550 445 70 450 0.246 6.86 500 044 870 000 048 34 512 3.468 Анизотропный спеченный AlNiCoAlnico 5R1 1 10 8 14 24 3 3.93 1.01 0900 1090 620 496 30 500 0.250 6.95 000 034 555 000 037 94 511.350 Alnico 6R1 1 11 8 15 24 3 12.92 3.19 400 940 790 638 20 650 0.250 6.95 500 037 910 000 068 94 511.454 Alnico 8R1 1 12 7 15 35 4 4.03 1.87 400 740 1500 119 169 0134 0.252 7.05 000 034 555 000 037 94 511.054 Alnico 8HCR1 1 13 7 14 38 3 4.53 5.86 700 670 1800 143 202 0161 0.252 7.05 500 037 94 511.054

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

По состоянию на 2018 год стоимость магнитов из алнико составляла около 44 долл. США/кг (20 долл. США/фунт) или 4,30 долл. США/МГ·Ое.

Классификация

Магниты из алнико традиционно классифицируются с использованием номеров, присвоенных Ассоциацией производителей магнитных материалов (MMPA), например, alnico 3 или alnico 5. Эти классификации указывают на химический состав и магнитные свойства. (Сами номера классификации не имеют прямого отношения к свойствам магнита; например, более высокий номер не обязательно указывает на более сильный магнит.) Эти классификационные номера, хотя и все еще используются, были заменены новой системой MMPA, которая определяет магниты Alnico на основе максимального энергетического произведения в мегагаусах оерстед и внутренней принудительной силы в килооерстедах, а также системой классификации IEC. Литой алнико производится обычными методами с использованием песчаных форм, связанных смолой. Синтерованные магниты из алнико формируются с использованием методов производства порошковой металлургии. Синтеровка алнико подходит для сложных геометрических форм. Большинство производимых магнитов из алнико являются анизотропными, что означает, что магнитное направление зерен ориентировано в одном направлении. Анизотропные магниты из алнико ориентируются путем нагрева выше критической температуры и охлаждения в присутствии магнитного поля. И изотропные, и анизотропные магниты из алнико требуют правильной термической обработки для развития оптимальных магнитных свойств. Без нее коэрцитивная сила алнико составляет около 10 Оэ, что сопоставимо с техническим железом, мягким магнитным материалом. После термической обработки алнико становится композитным материалом, называемым «материалом с осадками», – он состоит из осадков, богатых железом и кобальтом, в матрице, богатой NiAl. Анизотропия алнико ориентируется вдоль желаемой магнитной оси путем приложения внешнего магнитного поля во время нуклеации частиц осадка, которая происходит при охлаждении от 900 °C (1652 °F) до 800 °C (1472 °F), вблизи точки Кюри. Существуют локальные анизотропии различных ориентаций без внешнего поля из-за спонтанной намагниченности. Структура осадка является «барьером» против изменений намагниченности, поскольку она предпочитает небольшое количество состояний намагниченности, для перехода в любое промежуточное состояние которых требуется много энергии. Кроме того, слабое магнитное поле смещает намагниченность только фазы матрицы и является обратимым.

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.

Применение

Магниты из алнико широко используются в промышленных и бытовых приложениях, где требуются мощные постоянные магниты. Примеры включают электродвигатели, звукосниматели для электрогитар, микрофоны, датчики, громкоговорители, магнетроны и магниты для коров. Во многих областях применения они вытесняются редкоземельными магнитами, обладающими более сильным остаточным магнитным потоком (Br) и большей максимальной магнитной энергией (B·Hmax), что позволяет использовать магниты меньшего размера для решения тех же задач. Высокая термостойкость алниковых магнитов делает их незаменимыми в приложениях, где менее термостойкие магниты не подходят, например, в магнитных мешалках с подогревом.