Альнико

Альнико (сокращение от Aluminium, Nickel, Cobalt — алюминий, никель, кобальт) — это группа магнитотвёрдых (высококоэрцитивных) сплавов на основе системы железо-алюминий-никель-кобальт. Альнико относится к классу литых или спечённых постоянных магнитов, обладающих высокой остаточной магнитной индукцией (до 1,35 Тл) и относительно низкой коэрцитивной силой (до 80 кА/м), что делает их устойчивыми к размагничиванию в основном при низких температурах, но чувствительными к сильным внешним полям. Магниты из альнико широко применялись в электротехнике, измерительных приборах, акустических системах и СВЧ-технике до массового внедрения ферритовых и редкоземельных магнитов, однако сохраняют нишевое применение благодаря высокой температурной стабильности (рабочие температуры до +500 °C).

История

Разработка альнико началась в 1930-х годах в Японии и США. В 1931 году японский металлург Токудзи Мисима (Tokuji Mishima) из Токийского университета открыл сплав на основе железа, никеля и алюминия (Fe-Ni-Al), который обладал значительно более высокими магнитными свойствами по сравнению с существовавшими тогда углеродистыми и вольфрамовыми сталями. Этот сплав получил название «MK-магнит» (по инициалам Мисимы). В 1932 году Мисима запатентовал состав, а в 1934 году компания Sumitomo Special Metals начала промышленное производство.

В 1938 году в США компания Bell Telephone Laboratories (ныне Nokia Bell Labs) усовершенствовала состав, добавив кобальт, что позволило увеличить коэрцитивную силу и энергетическое произведение (BH)max. Новая марка получила название «Alnico» (Al — алюминий, Ni — никель, Co — кобальт). В 1940-х годах были разработаны технологии направленной кристаллизации (столбчатой структуры), которые позволили создавать анизотропные магниты с улучшенными характеристиками. В СССР промышленное освоение альнико началось в 1940-х годах, и сплавы выпускались под марками ЮНДК (Ю — железо, Н — никель, Д — медь, К — кобальт) и ЮНДКБ (с добавлением титана).

В 1950–1970-х годах альнико был доминирующим материалом для постоянных магнитов в электротехнике, авиастроении и приборостроении. С развитием ферритовых магнитов (1950-е) и особенно редкоземельных (самарий-кобальт, неодим-железо-бор, 1970–1980-е) альнико уступил им по удельной магнитной энергии, но остаётся востребованным в областях, где критичны высокая рабочая температура и коррозионная стойкость.

Состав и классификация

Химический состав

Основные компоненты альнико — железо (Fe), алюминий (Al), никель (Ni) и кобальт (Co). Типичные диапазоны содержания (в массовых процентах):

• Алюминий: 8–12 %
• Никель: 14–20 %
• Кобальт: 5–35 %
• Медь: 3–6 % (добавляется для улучшения магнитных свойств)
• Титан: 0–8 % (в некоторых марках)

Остальное — железо. В некоторых составах могут присутствовать небольшие добавки ниобия, кремния или серы для модификации структуры.

Марки и типы

По способу изготовления и структуре альнико делится на:

• Изотропные (литые) — имеют одинаковые магнитные свойства по всем направлениям. Получаются обычным литьём. Примеры марок: Alnico 2, Alnico 3, ЮНДК-1.
• Анизотропные (литые с направленной кристаллизацией) — получают путём затвердевания в магнитном поле или при определённой скорости охлаждения, что создаёт столбчатую структуру. Магнитные свойства вдоль оси кристаллизации значительно выше. Примеры: Alnico 5, Alnico 8, ЮНДК-24, ЮНДК-35Т.
• Спечённые — изготавливаются методом порошковой металлургии (прессование и спекание). Позволяют получать магниты сложной формы с высокой точностью, но с несколько меньшими магнитными свойствами. Примеры: Alnico 6, Alnico 9.

Сравнительная характеристика марок

Физические и магнитные свойства

Магнитные характеристики

Альнико обладает одной из самых высоких остаточных индукций среди всех типов магнитов (до 1,35 Тл), что позволяет создавать сильные магнитные поля при относительно небольших габаритах. Однако коэрцитивная сила (сопротивление размагничиванию) у альнико низкая (40–80 кА/м), что делает его чувствительным к внешним магнитным полям и механическим ударам. Магниты из альнико легко размагничиваются при неправильном обращении (например, при падении или контакте с сильным полем).

Температурная стабильность

Ключевое преимущество альнико — высокая температурная стабильность. Магнитные свойства сохраняются до +500 °C (для некоторых марок до +550 °C), а при охлаждении до криогенных температур (−200 °C) изменения незначительны. Это делает альнико незаменимым в высокотемпературных средах, где ферриты и редкоземельные магниты теряют намагниченность.

Механические и коррозионные свойства

Альнико — твёрдый и хрупкий материал (твёрдость по Роквеллу 45–55 HRC), плохо поддаётся механической обработке, поэтому детали из него обычно изготавливают литьём или спеканием с последующим шлифованием. Материал устойчив к коррозии в обычных атмосферных условиях, но может подвергаться окислению при высоких температурах. Для защиты от коррозии магниты часто покрывают эпоксидными смолами, лаками или никелем.

Применение

Электротехника и измерительные приборы

До 1970-х годов альнико был основным материалом для:

• Магнитных систем громкоговорителей (динамиков) — в акустических системах высокого класса альнико до сих пор ценится за «тёплое» звучание и линейность.
• Стрелочных измерительных приборов (амперметры, вольтметры, гальванометры) — благодаря высокой стабильности поля.
• Электрических счётчиков (индукционных) — в СССР и России использовались магниты из сплавов ЮНДК.
• Магнетронов и клистронов — в СВЧ-технике для создания постоянного магнитного поля.

Авиационная и космическая техника

Благодаря высокой термостойкости альнико применяется в:

• Датчиках и исполнительных механизмах, работающих вблизи двигателей.
• Генераторах и стартерах авиационных двигателей.
• Системах ориентации и стабилизации спутников (в составе магнитных приводов).

Медицина

Используется в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) ранних поколений, а также в некоторых типах магнитных сепараторов для очистки крови.

Прочие области

• Магнитные сепараторы для обогащения руд.
• Тормозные системы и муфты.
• Игрушки и сувениры (в том числе магнитные держатели).
• Изготовление эталонов магнитного поля.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая остаточная индукция (до 1,35 Тл).
• Рабочая температура до +500 °C (максимальная среди всех типов магнитов).
• Устойчивость к коррозии (не требует покрытия в сухих помещениях).
• Относительно низкая стоимость по сравнению с редкоземельными магнитами (самарий-кобальт, неодим-железо-бор).

Недостатки

• Низкая коэрцитивная сила — легко размагничивается.
• Хрупкость — требует осторожности при монтаже.
• Сложность механической обработки.
• Меньшее энергетическое произведение (BH)max по сравнению с редкоземельными магнитами (до 44 кДж/м³ против 200–400 кДж/м³ у неодимовых).

Интересные факты

• В СССР магниты из альнико (сплавы ЮНДК) использовались в знаменитых акустических системах «Радиотехника S-90» и «S-100» (завод «Радиотехника», Рига).
• Магниты из альнико могут быть перемагничены при нагреве выше точки Кюри (около 850 °C) и последующем охлаждении в магнитном поле — это позволяет восстанавливать их свойства.
• В 1940-х годах альнико применялся в первых магнитофонах (например, в немецком Magnetophon) для создания магнитной головки.
• Из-за хрупкости альнико не рекомендуется использовать в условиях вибрации — возможно разрушение магнита.

Источники

• Мишима, Т. (1932). «Магнитные сплавы на основе Fe-Ni-Al». Journal of the Institute of Metals.
• Бозорт, Р. (1951). Ферромагнетизм. — М.: Издательство иностранной литературы.
• Кекало, И. Б. (2002). Магнитные материалы. — М.: МИСиС.
• ГОСТ 24897-81 «Магниты постоянные литые из сплавов ЮНДК и ЮНДКБ. Технические условия».
• Справочник по электротехническим материалам (1985) / Под ред. В. А. Привалова. — М.: Энергоатомиздат.