Alnico: Alumiini-nikkeli-koboltti-seos ja kestomagneetin ominaisuudet
Alnico: alumiini-nikkeli-koboltti-seos ja kestomagneetin ominaisuudet — historia, korkea koersiivisuus, magneettisuus ja käytöt teollisuudessa sekä elektroniikassa.
Alnico on metalliseos, joka koostuu raudasta, alumiinista (Al), nikkelistä (Ni) ja koboltista (Co). Nimi on lyhenne sanoista Al-Ni-Co. Alnico voi sisältää myös kuparia ja joskus titaania.
Alnikoseokset ovat ferromagneettisia (mekanismi, jonka avulla jotkin materiaalit muodostavat kestomagneetteja). Alnikoseoksilla on myös korkea koersiivisuus (ne eivät menetä helposti magneettisuuttaan), ja niitä käytetään kestomagneettien valmistukseen. Ennen harvinaisten maametallien magneettien kehittämistä 1970-luvulla alnikomagneetit olivat vahvin magneettityyppi. Alnico-magneettien kehittäminen alkoi, kun T. Mishima Japanissa havaitsi, että raudan, nikkelin ja alumiinin seoksella oli kaksinkertainen koersiivisuus silloisiin parhaisiin magneetteihin verrattuna. (Alnicon koersiivisuus on 400 oerstedia).
Koostumus ja tyypilliset lajit
Alnico-seokset ovat koostumukseltaan vaihtelevia. Tyypillisesti ne sisältävät pääaineina rautaa ja n. 5–15 % alumiinia, 5–30 % nikkeliä sekä osan kobolttia eri suhteissa. Joissakin seoksissa on myös kuparia parantamassa magneettisia ominaisuuksia ja joskus titaania kiteytyksen ohjaukseen. Alnico-magneetteja valmistetaan eri laatuina, yleisesti merkinnöillä Alnico 2–9; näistä Alnico 5 ja Alnico 8 ovat tunnettuja korkeammasta koersiivisuudesta ja käytettävyydestään teollisuusmagneeteissa.
Magneettiset ominaisuudet
- Remanenssi (Br): Alnico-magneeteilla on korkea remanenssi, tyypillisesti noin 0,6–1,3 teslaa (T), riippuen lajista ja suuntaavuudesta.
- Koersiivisuus (Hc): Alnico on suhteellisen korkekoersiivinen verrattuna pehmeisiin ferromagneetteihin, mutta selvästi heikompi kuin nykyiset harvinaismaaltermagneetit. Alnicon koersiivisuus mainitaan usein noin 400 oerstedia (~31,8 kA/m) riippuen lajista.
- Energiatiheys (BHmax): Alnico-magneettien energeettinen tuotto on yleensä matalampi kuin neodyymi- tai samarium-koboltti -magneeteilla; tyypillisiä arvoja ovat noin 1–5 MGOe (megagauss-oersted) lajista riippuen.
- Curie-lämpötila: Alnico-seoksilla on korkea Curie-piste, usein noin 800–860 °C, minkä vuoksi ne soveltuvat korkealämpötilakäyttöön.
- Lämpötilastabiilisuus: Alnico-magneeteilla on pieni lämpötilakerroin magneettivuudelle (esim. Br), tyypillisesti hyvin pieni negatiivinen arvo (noin -0,02 %/°C), eli ne säilyttävät magneettisuutensa hyvin erilaisissa lämpötiloissa.
Valmistus ja käsittely
Alnico-magneetit valmistetaan yleensä kahdella päämenetelmällä: valssaus/valaminen (cast) ja puristussinteröinti (sintered). Lisäksi on olemassa suunnatun kiteytyksen tekniikoita, joissa mikrostruktuuri ohjataan magnetoitavuuden parantamiseksi (anisotrooppinen materiaali). Magnetointivaiheessa lopullinen magneettikenttä asetetaan voimakkaalla ulkoisella kentällä; magnetointi voi edellyttää hyvinkin voimakkaita pulssikenttiä.
Myös lämpökäsittelyillä (esimerkiksi ikäännytys tai jännityksenpoisto sekä kenttä-annealointi) säädetään koersiivisuutta ja remanenssia. Valmistusprosessit tekevät alnicosta usein särkyvän/brittin, joten koneistus on hankalaa; magneetit muotoillaan yleensä ennen lopullista magnetisointia tai käytetään tarkkoja talttoja ja jyrsintämenetelmiä.
Käyttökohteet
Alnico-magneetteja käytetään edelleen monissa sovelluksissa, joissa tarvitaan hyvää lämpötilastabiilisuutta ja suurta remanenssia mutta ei välttämättä kaikkein suurinta energiatiheyttä. Tyypillisiä käyttökohteita:
- Teollisuuden kiinnitysmagnetit ja pidätysmagnetit
- Sähkömoottorit ja generaattorit (erityisesti vanhemmissa ja korkealämpötilasovelluksissa)
- Anturit ja mittalaitteet
- Elektroniset mittarit ja kytkinlaitteet
- Kaiuttimet ja kitaramikit (Alnico-magneettien erityinen äänenlaatu on haettu niissä)
- Sovellukset, joissa magneetin kuumeneminen on merkittävä tekijä
Edut ja rajoitukset
- Edut: erinomainen lämpötilastabiilisuus, korkea remanenssi, kestävyys korkeissa lämpötiloissa, pitkäikäisyys ja hyvät pito-ominaisuudet oikeissa olosuhteissa.
- Rajoitukset: alhaisempi energiatiheys verrattuna neodyymi- tai samarium-koboltti-magneetteihin, alhaisempi koersiivisuus useimpiin nykymagneetteihin verrattuna (eli alttiimpi demagnetoitumiselle voimakkaissa vastakkaisissa kentissä tai iskuissa), ja mekaaninen haurastuvuus sekä taipumus korroosioon, mikä vaatii pintakäsittelyä tai pinnoitusta.
Käsittely ja suojaus
Alnico-magneetit ovat usein alttiimpia mekaaniselle vauriolle kuin esimerkiksi sintratut neodyymimagneetit, joten niitä tulee käsitellä varovaisesti. Usein ne pinnoitetaan suojaksi korroosiota vastaan tai sijoitetaan rakenteisiin, jotka suojaavat iskuilta ja hankaukselta. Magnetointi tehdään yleensä viimeisenä työvaiheena, ja magnetoitua magneettia on varottava voimakkailta vastakkaisilta kentiltä ja äkillisiltä lämpötilan muutoksilta, vaikka niiden lämpöstabiilisuus onkin hyvä.
Yhteenvetona: Alnico on klassinen ja monikäyttöinen kestomagneettimateriaali, jonka vahvuuksia ovat korkea Curie-piste ja erinomainen lämpötilastabiilisuus. Vaikka modernit harvinaismaametallimagneetit ovat korvanneet alnicon monissa korkean suorituskyvyn sovelluksissa, alnico pitää paikkansa erityistapauksissa ja säilyttää merkityksensä useissa teollisissa ja akustisissa sovelluksissa.
Alnico 5:stä valmistettu "hevosenkenkämagneetti", noin 1 tuuman korkuinen. Metallipalkki (alhaalla) on vartija. Se asetettiin napojen poikki, kun magneetti ei ollut käytössä, ja se auttoi säilyttämään magnetoitumisen.
Ominaisuudet
Alnico seokset voidaan tehdä magneeteiksi voimakkailla magneettikentillä. Harvinaiset maamagneetit, kuten neodyymi ja samarium-koboltti, ovat ainoat helposti löydettävät magneetit, jotka ovat vahvempia kuin alnikomagneetit. Alnico-magneetit tuottavat erittäin voimakkaita magneettikenttiä napojensa kohdalla (napa on magneetin toinen pää), jopa 1500 gaussia (0,15 teslaa), mikä on noin 3000 kertaa voimakkaampi kuin maan magneettikenttä.
Jotkin alnikomagneettityypit ovat isotrooppisia (ominaisuudet ovat samat kaikissa suunnissa), ja ne voidaan magnetoida kunnolla kaikkiin suuntiin. Toiset tyypit, kuten alnico 5 ja alnico 8, ovat anisotrooppisia (ominaisuudet muuttuvat suunnan muuttuessa), ja niillä on magnetoinnin kannalta ensisijainen suunta (yksi suunta on parempi kuin muut suunnat). Anisotrooppiset alnikoseokset tekevät vahvempia magneetteja suositussa suunnassaan kuin isotrooppinen alnikoseos.
Alnico-magneetit ovat ainoat magneetit, joilla on käyttökelpoista magneettisuutta myös silloin, kun niitä kuumennetaan tulikuumiksi.
Vuonna 2008 Alnico-magneettien hinta oli noin 44 dollaria kilolta (20 dollaria kilolta).
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on alnico?
V: Alnico on eräänlainen seos, joka koostuu raudasta, alumiinista, nikkelistä ja koboltista.
K: Mistä nimi alnico on peräisin?
V: Nimi alnico on lyhenne, joka on johdettu sen sisältämistä alkuaineista: Al, Ni ja Co.
K: Mitä muita alkuaineita alnikossa voi olla?
V: Alnikossa voi esiintyä kuparia ja joskus titaania.
K: Mitä ominaisuuksia alnikoseoksilla on?
V: Alnikoseokset ovat ferromagneettisia, niillä on korkea koersiivisuus ja niitä käytetään kestomagneettien valmistukseen.
K: Mikä on koersiivisuus?
V: Koerktiivisuudella tarkoitetaan sitä, kuinka hyvin materiaali kestää magneettisuutensa menettämistä.
K: Mikä oli vahvin magneettityyppi ennen harvinaisten maametallien kehittämistä?
V: Alnikomagneetit olivat vahvin magneettityyppi ennen harvinaisten maametallien kehittämistä.
K: Milloin ja kuka kehitti alnikomagneetin?
V: Alnico kehitettiin vuonna 1931 Japanissa T. Mishiman toimesta, joka havaitsi, että raudan, nikkelin ja alumiinin seoksella oli kaksinkertainen koersiivisuus verrattuna tuon ajan parhaisiin magneetteihin.
Etsiä