آهنربای ساماریوم کبالت (SmCo) یک نوع آهنربای خاکی کمیاب و یک آهنربای دائمی قوی است که از دو عنصر اساسی ساماریوم و کبالت ساخته شده است. این آهنربا در اوایل دهه 1960 به ترتیب بر اساس مطالعات کارل اشترنات و آلدن ری در پایگاه نیروی هوایی رایت-پترسون و دانشگاه دیتون ساخته شد. در واقع آشترنات و ری اولین فرمول SmCo5 را تولید کردند. به طور کلی، ساماریوم از نظر قدرت مغناطیسی هم رده ی
نئودیمیوم رتبه بندی می شود ، با این تفاوت که ساماریوم قابلیت استفاده در محیط های خیلی سرد (تا چند درجه کلوین بالای صفر مطلق) و گرم (تا دمای 300+ درجه سانتی گراد) را دارد. ساماریوم همچنین مقاومت بالایی در برابر دشارژ شدن دارد.
خواص و ویژگی های ساماریوم:
- بسیار مقاوم در برابر مغناطیس زدایی شدن
- پایداری دمایی مناسب (قابلیت کار در دمای 250 تا 550 درجه سانتی گراد. دمای کوری 700 تا 800 درجه سانتی گراد)
- قیمت بالا همراه با نوسانات زیاد قیمتی (به علت نوسان زیاد قیمت کبالت در بازار)
- آهنرباهای ساماریوم-کبالت مقاومت زیادی در برابر خوردگی و اکسیداسیون دارند ، معمولاً نیازی به پوشش دهی ندارند و می توان به طور گسترده در دمای بالا و شرایط کار نامناسب از آنها استفاده کرد.
- ساماریوم به شدت ترد و شکننده و مستعد ترک خوردن است.
- آهنربای ساماریم-کبالت سینتر شده ناهمسانگرد (آنایزوتروپیک) است، به این معنی که فقط می تواند در جهت محور مغناطیسی خود مغناطیس شود.
مقایسه خواص فیزیکی نئودیمیوم و ساماریوم سینتر شده:
| Sm-Co |
Neodymium |
Property |
| 1.16_0.8 |
1.5_1 |
Remanence (T) |
| 2.79_0.493 |
2.79_0.875 |
Coercivity (MA/m) |
| 1.1_1.05 |
1.05 |
Relative permeability |
| 0.05- .. 0.03- |
0.12- .. 0.09- |
Temperature coefficient of remanence (%/K) |
| 0.30- .. 0.15- |
0.65- .. 0.40- |
Temperature coefficient of coercivity (%/K) |
| 850_700 |
370_310 |
Curie temperature (oC) |
| 8.5_8.2 |
7.7_7.3 |
Density (g/cm3) |
| 10-6×(9_5) |
10-6×(4_3) |
CTE, magnetizing direction (1/K) |
| 10-6×(13_10) |
10-6×(3_1) |
CTE, normal to magnetizing direction (1/K) |
| 180_150 |
400_200 |
Flexural strength (N/mm2) |
| 1000_800 |
1100_1000 |
Compressive strength (N/mm2) |
| 40_35 |
90_80 |
Tensile strength (N/mm2) |
| 650_400 |
650_500 |
Vickers hardness (HV) |
| 10-6×(90_50) |
10-6×(170_110) |
Electrical resistivity (Ω.cm) |
انواع آهنربای ساماریوم:
آهنرباهای ساماریوم-کبالت در دو سری SmCo5 و آهن ربا Sm2Co17 تولید می شود.
-سری 1:5:
این آلیاژ آهنربای ساماریوم-کبالت (که معمولاً به صورت SmCo5 یا SmCo سری 1: 5 نوشته می شود) دارای یک اتم ساماریوم خاکی کمیاب به ازای هر پنج اتم کبالت هست. از نظر وزنی هم در این آلیاژ آهنربا معمولاً 36٪ ساماریوم با کبالت تعادل خواهد بود. انرژی تولیدی این آلیاژ 128 تا 200 kJ/m3 است. این آهنربای ساماریوم-کبالت دارای ضریب دمای برگشت پذیر -0.05%/◦C است. با یک میدان مغناطیسی متوسط می توان به مغناطش اشباع دست یافت. کالیبراسیون این سری آهنربا در یک میدان مغناطیسی خاص راحت تر از آهنرباهای سری SmCo 2:17 است. در صورت وجود یک میدان مغناطیسی نسبتاً قوی ، آهنرباهای مغناطیسی نشده این سری سعی می کنند محور جهت گیری خود را با میدان مغناطیسی هماهنگ کرده و بدین ترتیب کمی مغناطیسی شوند. این مسئله می تواند مسئله ساز شود اگر آهنربا پس از پردازش نیاز به آبکاری یا روکش داشته باشد. میدان کوچکی که آهنربا بر می دارد می تواند در طی فرآیند آبکاری یا پوشش دهی ، براده را به خود جلب کند و باعث خرابی پوشش یا شرایط مکانیکی غیرقابل پیش بینی شود.
برای آهنرباهای SmCo معمولی با افزایش دما،
قدرت میدان مغناطیسی (Br) کاهش می یابد. با ترکیب کردن ساماریوم و گادولینیوم می توان ضریب دمایی را تقریباً به صفر رساند. آهنرباهای SmCo5 مقاومت بالایی در برابر دشارژ شدن دارد.
- سری 2:17:
این آلیاژ (که به صورت Sm2Co17 یا SmCo Series 2:17 نوشته می شود) با ترکیب دو اتم خاکی کمیاب ساماریوم به ازای هر 13 تا 17 اتم فلزات انتقالی (TM) تشکیل می شود. محتوای فلزات انتقالی که غنی از کبالت است، شامل عناصر دیگری مانند آهن و مس نیز است. عناصر دیگری مانند زیرکونیوم ، هافنیوم و موارد دیگر ممکن است در مقادیر کم برای دستیابی به پاسخ بهتر به عملیات حرارتی، اضافه شوند. از نظر وزنی ، این نوع آلیاژ حاوی 25٪ ساماریوم خواهد بود. حداکثر انرژی تولیدی این آلیاژها حدود 160 تا 260 کیلوژول در متر مکعب خواهد بود. این آلیاژها بهترین ضریب دمای برگشت پذیر را در بین تمام آلیاژهای خاکی کمیاب دارند ، به طور معمول -0.03%/◦C . از این آلیاژ می توان در دماهای بالاتر نیز استفاده کرد. برای افزایش مقاومت آن در برابر دشارژ شدن، ناخالصی هایی در طول مراحل ساخت عمداً به ماده اضافه می کنند.
روش تولید:
این آلیاژها به طور معمول در حالت غیرمغناطیسی ماشین کاری می شوند. ساماریوم-کبالت باید با استفاده از یک فرآیند سنگ زنی مرطوب (خنک کننده بر پایه آب) و یک چرخ سنگ زنی الماس آسیاب شود. همین فرآیند برای سوراخ کاری نیز لازم است. براده های تولید شده نباید کاملاً خشک شوند زیرا ساماریوم-کبالت در دمای پایین نیز اشتعال پذیر است. یک جرقه کوچک، مانند آن که با الکتریسیته ساکن تولید می شود ، می تواند به راحتی منجر به احتراق شود.
از روش های reduction/melt و reduction/diffusion برای تولید آهنرباهای ساماریوم - کبالت استفاده می شود.
روش reduction/melt
روش reduction/melt شرح داده خواهد شد زیرا از این روش هم برای تولید SmCo5 و هم برای تولید Sm2Co17 استفاده می شود.
مواد اولیه در کوره القایی پر از گاز آرگون ذوب می شوند. این مخلوط را به قالب ریخته و با آب سرد می کنند تا شمش ایجاد شود. شمش پودر شده و ذرات آسیاب می شوند تا ابعادشان کاهش یابد. سپس عملیات تفجوشی (سینترینگ) در دمای 1100 تا 1250 درجه سانتی گراد انجام می شود و پس از آن فرآیند تمپرینگ در دمای 700 تا 900 درجه سانتی گراد بر روی آهنربا انجام می شود. سپس ماده حاصله آسیاب شده و بیشتر مغناطیسی می شود تا خواص مغناطیسی آن افزایش یابد. در آخر، محصول نهایی آزمایش ، بازرسی و بسته بندی می شود. ساماریوم را می توان با برخی از عناصر خاکی کمیاب شامل پراسئودیمیم ، سریم و گادولینیوم جایگزین کرد. کبالت را نیز می توان با بخشی از فلزات انتقالی دیگر مانند آهن ، مس و زیرکونیوم جایگزین کرد.
کاربردها:
- گیتارهای برقی
- هدفون ها
- موتورهای الکتریکی
- توربوماشین ها
- کار در محیط های بسیار گرم (بیش از 180 درجه سانتیگراد)
- کار در محیط هایی که تغییرات دمایی زیاد است و نیاز به ثبات در ویژگی های مغناطیسی با تغییر دما است
- طیف سنج های NMR