Magnesy AlNiCo

Magnes alnico to rodzaj trwałego magnesu, który składa się głównie z aluminium (Al), niklu (Ni) i kobaltu (Co), stąd nazwa "AlNiCo". Magnesy alnico charakteryzują się rekordowo wysoką temperaturą Curie oraz wyjątkową stabilnością temperaturową ponieważ współczynniki temperaturowe dla TK(B_r) i TK (H_cB) mają bardzo niskie wartości. Oprócz tego magnesy te są naturalnie odporne na korozję, co jest ich dużą zaletą. Są bardzo twarde ale mniej podatne na pęknięcia w stosunku do magnesów neodymowych czy ferrytowych.

W związku z bardzo niską koercją (odpowiedzialną za podatność na odmagnesowanie), aby taki magnes alnico był użyteczny, czyli był źródłem wystarczającego dla użytkownika pola magnetycznego, zazwyczaj stosuje się wysokie lub bardzo wysokie magnesy, co pomaga w ustaleniu punktu pracy Jd trochę wyżej i skutkuje większą indukcja magnetyczną na powierzchni bieguna magnesu, lub stosuje się zabieg polegający na namagnesowaniu magnesu dopiero po zamontowaniu w obwodzie magnetycznym. Istnieje wtedy mniejsze prawdopodobieństwo, że magnes alnico będzie się rozmagnesowywał od puknięć lub uderzeń (w związku z niską koercją kierunki namagnesowania obszarów atomowych wykazujących namagnesowanie zwanych domenami magnetycznymi mają tendencję do obracania się i wtedy własności magnetyczne osłabiają się).

Magnesy neodymowe i samarowo-kobaltowe mają zdecydowanie wyższe parametry magnetyczne w tym koercję ale żadne z nich nie mają tak doskonałej stabilności temperaturowej.

Skład chemiczny odlewanych magnesów AlNiCo różni się w zależności od konkretnego materiału magnetycznego. Magnesy alnico zawierają głównie aluminium (Al), nikiel (Ni) i kobalt (Co) jako podstawowe składniki, a także domieszki innych pierwiastków, takich jak miedź (Cu), żelazo (Fe) i czasami tytan (Ti), krzem (Si), oraz inne pierwiastki w śladowych ilościach.

Podstawowy skład chemiczny dla popularnych typów materiałów magnetycznych typu alnico wygląda następująco:

Alnico 5:
Al: 8-12%
Ni: 15-25%
Co: 5-24%
Cu: 3-6%
Fe: reszta (do 100%)
Alnico 8:
Al: 7-9%
Ni: 14-18%
Co: 34-38%
Cu: 3-4%
Fe: reszta (do 100%)

Alnico 3:
Al:15-25%
Ni: 40-50%
Co: 10-25%
Cu: 1-2%
Ti: 3-5%
Dodatkowo stop alnico 3 może zawierać niewielkie ilości innych pierwiastków, takich jak krzem (Si) i żelazo (Fe).

Rozwój alnico datuje się na rok 1931, kiedy Tokushichi Mishima w Japonii odkrył, że stop składający się z 58% żelaza, 30% niklu i 12% aluminium miał koercję ponad 400 [Oe]. Było to prawie dwukrotnie więcej niż dla najlepszej stali magnetycznej. Niedługo później odkryto, że dodatek kobaltu i miedzi poprawia jeszcze znacznie własności magnetyczne. Pierwsze magnesy alnico zostały wyprodukowane przez firmę TDK Corporation w Japonii w 1932 roku. W 1933 roku, naukowiec z General Electric, Charles E. Adams, niezależnie opracował podobne magnesy w Stanach Zjednoczonych.

Magnesy alnico są produkowane w hutach. Proces produkcji jest bardzo skomplikowany ale można go streścić w kilku najważniejszych punktach.

1. Ważenie
Metale, takie jak aluminium, nikiel, kobalt, miedź, i inne pierwiastki, są ważone i sprawdzane pod kątem jakości oraz czystości.

2. Wytapianie
Składniki stopu alnico są łączone w piecu indukcyjnym podczas stapiania w bardzo wysokiej temperaturze. Poszczególne składniki i domieszki mają różną temperaturę topnienia (aluminium – 660^oC, miedź – 1085^oC, krzem – 1414^oC, nikiel – 1455^oC, kobalt – 1495^oC, żelazo – 1538^oC, tytan – 1668^oC) dlatego bierze się pod uwagę najwyższą temperaturę topnienia dla wykorzystywanych pierwiastków.
Jeszcze przed odlewaniem pobierana jest próbka stopu, którą analizuje się pod kątem prawidłowych proporcji pierwiastków żeby móc dokonać ewentualnych korekt w składzie stopu.
Wykonuje się także oczyszczanie stopu poprzez degazację, czyli wprowadzanie do stopu argonu w celu wyparcia niepożądanych gazów takich jak wodór, tlen czy azot oraz stop może być poddany procesom oczyszczania, takim jak rafinacja. Te procesy pomagają w uzyskaniu magnesów o lepszych właściwościach magnetycznych.

3. Odlewanie
W następnym etapie stop jest wlewany do form odlewniczych. Podczas stygnięcia stop ulega krystalizacji. Piasek odlewniczy może wytrzymać wysokie temperatury bez topienia się, co pozwala na wytwarzanie magnesów o różnych kształtach i rozmiarach.
Anizotropowe magnesy alnico są wytwarzane poprzez odlewanie stopu w obecności silnego pola magnetycznego generowanego przez cewki umieszczone wokół formy. Pole magnetyczne wprowadza uporządkowanie domen magnetycznych wewnątrz magnesu, co prowadzi do anizotropii, czyli zróżnicowania właściwości magnetycznych w zależności od kierunku. Po schłodzeniu magnesu, kierunki magnetyczne są "zamrożone" w strukturze krystalicznej, co utrwala anizotropię.
Magnesy izotropowe odlewa się bez obecności pola magnetycznego.

4. Obróbka mechaniczna
Po wyjęciu z formy następuje obróbka mechaniczna magnesu. Obejmuje ona cięcie, szlifowanie, frezowanie i inne techniki obróbki.

5. Wyżarzanie
Magnesy alnico są poddawane wyżarzaniu w kontrolowanej atmosferze w celu uzyskania odpowiedniej struktury oraz eliminacji naprężeń wewnętrznych powstałych podczas procesu odlewania. Wyżarzanie odbywa się zwykle w temperaturze około 800-900°C. Czas trwania tego procesu wynosi od kilku godzin do nawet kilku dni, w zależności od rodzaju magnesu alnico i jego wymiarów. Później magnesy poddawane są procesowi odpuszczania a następnie są powoli schładzane, aby zapewnić jednorodność struktury krystalicznej i uniknąć pęknięć czy zniekształceń. Cały proces jest niezbędny do uzyskania optymalnych właściwości magnetycznych magnesów alnico. Wpływa on na koercję magnetyczną (odporność magnesu na rozmagnesowanie) oraz inne parametry magnetyczne.

6. Magnesowanie
Na koniec kształtki przyszłego magnesu są poddawane namagnesowaniu w magneśnicach jarzmowych lub impulsowych. Anizotropowe magnesy wymagają namagnesowania wzdłuż ustalonego podczas odlewania kierunku magnetycznego i w związku z tym zazwyczaj są magnesowane tylko dwubiegunowo. Magnesy izotropowe natomiast, w związku z tym, że wcześniej nie nadano im żadnego preferowanego kierunku magnesowania mają dużo niższe parametry magnetyczne, ale można je za to namagnesować wielobiegunowo lub pod dowolnym zadanym kątem.

*anizotropowe z normalną krystalizacją
**anizotropowe z częściową krystalizacją kolumnową
***aniztropowe z całkowitą krystalizacją kolumnową