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알니코

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알니코 5로 만든 약 1 인치 높이의 말굽자석. 아래 금속 막대는 자석 키퍼로, 자석을 사용하지 않을 때 극에 걸쳐 놓는다. 이는 자화를 보존하는 데 도움이 된다.

알니코(Alnico)는 철 합금의 한 종류로, 철 외에 주로 알루미늄 (Al), 니켈 (Ni), 코발트 (Co)로 구성되어 있어 약어 al-ni-co가 붙었다.[1] 또한 구리를 포함하며, 때로는 타이타늄도 포함한다. 알니코 합금은 강자성체이며, 영구 자석을 만드는 데 사용된다. 1970년대 희토류 자석이 개발되기 전에는 가장 강력한 영구 자석 종류였다. 이 합금 계열의 다른 상표명은 Alni, Alcomax, Hycomax, Columax, Ticonal이다.[2]

알니코 합금의 조성은 일반적으로 알루미늄 8~12%, 니켈 15~26%, 코발트 5~24%, 구리 최대 6%, 타이타늄 최대 1%이며 나머지는 철이다. 알니코의 개발은 1931년 일본의 T. 미시마가 철, 니켈, 알루미늄 합금이 당시 최고의 자석 강철보다 두 배 높은 400 에르스텟 (32 kA/m)의 보자성을 가짐을 발견하면서 시작되었다.[3]

속성

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알니코 합금은 강한 자기장을 생성하도록 자화될 수 있으며 높은 보자성(탈자화에 대한 저항성)을 가지므로 강력한 영구 자석이 된다. 시판되는 자석 중에서는 네오디뮴 자석 및 사마륨-코발트 자석과 같은 희토류 자석만이 더 강하다. 알니코 자석은 극에서 최대 1500 가우스 (0.15 테슬라), 즉 지자기 강도의 약 3000배에 달하는 자기장 강도를 생성한다. 일부 알니코 브랜드는 등방성으로 어떤 방향으로도 효율적으로 자화될 수 있다. 알니코 5 및 알니코 8과 같은 다른 종류는 자기 이방성이 있으며, 각각 선호하는 자기화 방향 또는 배향을 갖는다. 이방성 합금은 일반적으로 등방성 종류보다 선호하는 배향에서 더 큰 자기 용량을 갖는다. 알니코의 잔류 자기(Br)는 12,000 G (1.2 T)를 초과할 수 있으며, 보자력(Hc)은 최대 1000 에르스텟 (80 kA/m), 최대 에너지 곱 ((BH)max)은 최대 5.5 MG·Oe (44 T·kA/m)에 달할 수 있다. 따라서 알니코는 폐쇄 자기 회로에서 강한 자기 선속을 생성할 수 있지만, 탈자화에 대한 저항은 상대적으로 작다. 모든 영구 자석의 극에서의 자기장 강도는 모양에 따라 크게 달라지며, 일반적으로 재료의 잔류 자기 강도보다 훨씬 낮다.

알니코 합금은 모든 자성 재료 중 가장 높은 퀴리 온도 중 일부를 가지며, 약 800 °C (1,470 °F)에 달하지만, 최대 작동 온도는 일반적으로 약 538 °C (1,000 °F)로 제한된다.[4] 이들은 백열 상태로 가열되어도 유용한 자성을 갖는 유일한 자석이다.[5] 이 특성은 취성 및 높은 용융점과 더불어 알루미늄과 다른 구성 요소 간의 금속간 화합물 결합으로 인한 강한 질서 경향에서 비롯된다. 또한 적절히 다루면 가장 안정적인 자석 중 하나이다. 알니코 자석은 세라믹 자석과 달리 전도성이 있다. 알니코 3은 1200 - 1450 °C의 용융 온도를 갖는다.[6]

MMPA
분류 		IEC
코드
참조 		중량 기준
구성
(나머지는 Fe) 		자기 특성 물리적 특성 열 특성
최대 에너지
곱,
(BH)max 		잔류
유도, Br 		보자력,
Hc 		고유
보자력,
Hci 		밀도 인장
강도 		가로 파괴
탄성 계수 		HRC 열 팽창
계수
(10−6 / °C) 		전기
저항,
20 °C 기준
(μΩ·cm) 		가역 온도
계수,
(% / °C) 		퀴리
온도 		최대
서비스
온도
Al Ni Co Cu Ti (MGOe) (kJ/m3) (가우스) (mT) (Oe) (kA/m) (Oe) (kA/m) (lb/in3) (g/cm3) (psi) (MPa) (psi) (MPa) Br
근처 		최대
에너지
곱
근처 		Hc
근처 		(°C) (°F) (°C) (°F)
등방성 주조 알니코
알니코 1 R1-0-1 12 21 5 3 - 1.4 11.1 7200 720 470 37 480 38 0.249 6.9 4000 28 14000 97 45 12.6 75
알니코 2 R1-0-4 10 19 13 3 - 1.7 13.5 7500 750 560 45 580 46 0.256 7.1 3000 21 7000 48 45 12.4 65 -0.03 -0.02 -0.02 810 1490 450 840
알니코 3 R1-0-2 12 25 - 3 - 1.35 10.7 7000 700 480 38 500 40 0.249 6.9 12000 83 23000 158 45 13.0 60
이방성 주조 알니코
알니코 5 R1-1-1 8 14 24 3 - 5.5 43.8 12800 1280 640 51 640 51 0.264 7.3 5400 37 10500 72 50 11.4 47 -0.02 -0.015 +0.01 860 1580 525 975
알니코 5DG R1-1-2 8 14 24 3 - 6.5 57.7 13300 1330 670 53 670 53 0.264 7.3 5200 36 9000 62 50 11.4 47
알니코 5-7 R1-1-3 8 14 24 3 - 7.5 59.7 13500 1350 740 59 740 59 0.264 7.3 5000 34 8000 55 50 11.4 47
알니코 6 R1-1-4 8 16 24 3 1 3.9 31.0 10500 1050 780 62 800 64 0.265 7.3 23000 158 45000 310 50 11.4 50 -0.02 -0.015 +0.03 860 1580 525 975
알니코 8 R1-1-5 7 15 35 4 5 5.3 42.2 8200 820 1650 131 1860 148 0.262 7.3 10000 59 30000 207 55 11.0 53 -0.025 -0.01 +0.01 860 1580 550 1020
알니코 8HC R1-1-7 8 14 38 3 8 5.0 39.8 7200 720 1900 151 2170 173 0.262 7.3 10000 59 30000 207 55 11.0 54 -0.025 -0.01 +0.01 860 1580 550 1020
알니코 9 R1-1-6 7 15 35 4 5 9.0 71.6 10600 1060 1500 119 1500 119 0.262 7.3 7000 48 8000 55 55 110. 53 -0.025 -0.01 +0.01 860 1580 550 1020
등방성 소결 알니코
알니코 2 R1-0-4 10 19 13 3 - 1.5 11.9 7100 710 550 44 570 45 0.246 6.8 65000 448 70000 483 45 123.4 68
이방성 소결 알니코
알니코 5 R1-1-10 8 14 24 3 - 3.9 31.0 10900 1090 620 49 630 50 0.250 6.9 50000 345 55000 379 45 11.3 50
알니코 6 R1-1-11 8 15 24 3 1 2.9 23.1 9400 940 790 63 820 65 0.250 6.9 55000 379 100000 689 45 11.4 54
알니코 8 R1-1-12 7 15 35 4 5 4.0 31.8 7400 740 1500 119 1690 134 0.252 7.0 50000 345 55000 379 45 11.0 54
알니코 8HC R1-1-13 7 14 38 3 8 4.5 35.8 6700 670 1800 143 2020 161 0.252 7.0 55000 379 45 11.0 54

2018년 현재 알니코 자석은 약 44 미국 달러/kg (US$20/lb) 또는 US$4.30/BHmax이다.[7]

초기 전자레인지의 마그네트론 튜브에 사용된 알니코 5 자석. 길이는 약 3인치(8cm)이다.

분류

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알니코 자석은 전통적으로 자기 재료 생산자 협회(MMPA)에서 지정한 번호(예: 알니코 3 또는 알니코 5)를 사용하여 분류된다. 이 분류는 화학 조성과 자기 특성을 나타낸다. (분류 번호 자체는 자석의 특성과 직접적인 관련이 없으며, 예를 들어 번호가 높다고 해서 반드시 더 강력한 자석을 의미하지는 않는다.)[8]

이러한 분류 번호는 여전히 사용되고 있지만, MMPA의 새로운 시스템에서는 최대 에너지 곱을 메가 가우스-에르스텟으로, 고유 보자력을 킬로 에르스텟으로 지정하는 새로운 시스템과 IEC 분류 시스템이 선호되어 폐지되었다.[8]

제조 공정

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1945년 젠센 라디오 제조사(Jensen Radio Manufacturing Co.)의 알니코 5 스피커 광고. 그림에서 보듯이 알니코 5는 특정 자속을 생성하는 데 필요한 자석의 크기와 무게를 1930년의 90온스에서 4.6온스로 극적으로 줄일 수 있게 했다.

알니코 자석은 주조 또는 소결 공정을 통해 생산된다.[9] 주조 알니코는 나뭇진 결합 모래 주형을 사용하는 전통적인 방법으로 생산되며, 이는 복잡하고 정교할 수 있어 복잡한 형태를 생산할 수 있다.[10] 생산된 알니코 자석은 일반적으로 거친 표면을 갖는다.[11] 이 공정은 주형 제작을 위한 초기 공구 비용이 더 높다.[12] 소결 알니코 자석은 분말 야금 제조 방법을 사용하여 형성된다. 소결 또한 다양한 형태를 생산할 수 있지만, 주조에 비해 극도로 복잡하거나 정교한 디자인에는 적합하지 않을 수 있다.[10][13]

생산되는 대부분의 알니코는 이방성으로, 처음 만들어질 때 결정립의 자기 방향이 무작위로 배향된다. 이방성 알니코 자석은 임계 온도 이상으로 가열하고 자기장이 있는 상태에서 냉각하여 배향시킨다. 등방성 및 이방성 알니코 모두 최적의 자기 특성을 개발하기 위해 적절한 열처리가 필요하다. 열처리가 없으면 알니코의 보자성은 약 10 Oe로, 연자성 재료인 기술 철과 비슷하다. 열처리 후 알니코는 "시효 경화 재료"라고 불리는 복합 재료가 된다. 이는 풍부한 NiAl 매트릭스에 철과 코발트가 풍부한[14] 석출물로 구성된다.

1956년 알니코 자석 종류. 2차 세계 대전 중 개발된 알니코 5는 새로운 세대의 소형 영구 자석 모터와 스피커를 탄생시켰다.

알니코의 이방성은 퀴리 점 근처인 900 °C (1,650 °F)에서 800 °C (1,470 °F)으로 냉각될 때 발생하는 석출 입자 핵 생성 시 외부 자기장을 가하여 원하는 자기 축을 따라 배향된다. 외부 자기장이 없으면 자발적 자화로 인해 서로 다른 방향의 국부적 이방성이 존재한다. 석출 구조는 자화 변화에 대한 "장벽" 역할을 하는데, 이는 몇 가지 자화 상태를 선호하여 재료를 중간 상태로 만들려면 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 또한, 약한 자기장은 매트릭스 상의 자화만 이동시키며 가역적이다.

용도

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알니코 카우 마그넷은 동물이 섭취할 수 있는 날카로운 금속 와이어 및 기타 철 물체를 묶어 소화관에 손상을 입히는 것을 방지하는 데 사용된다.

알니코 자석은 강력한 영구 자석이 필요한 산업 및 소비자 응용 분야에 널리 사용된다. 예를 들어 전동기, 전기 기타 픽업, 마이크, 센서, 스피커, 마그네트론 튜브, 카우 마그넷 등이 있다. 많은 응용 분야에서 알니코 자석은 더 강한 자기장(Br)과 더 큰 에너지 곱(B·Hmax)을 가진 희토류 자석으로 대체되고 있으며, 이로 인해 주어진 응용 분야에 더 작은 크기의 자석을 사용할 수 있게 되었다.

알니코 자석의 고온 저항성은 자기 교반기와 같이 내열성이 낮은 자석으로는 채울 수 없는 많은 용도로 이어진다.

각주

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  1. ↑ Hellweg, Paul (1986). 《The Insomniac's Dictionary》. Facts On File Publications. 115쪽. ISBN 978-0-8160-1364-7. 
  2. ↑ Brady, George Stuart; Clauser, Henry R.; Vaccari, John A. (2002). 《Materials Handbook: An Encyclopedia for Managers》. McGraw-Hill Professional. 577쪽. ISBN 978-0-07-136076-0. 
  3. ↑ Cullity, B. D.; Graham, C. D. (2008). 《Introduction to Magnetic Materials》. Wiley-IEEE. 485쪽. ISBN 978-0-471-47741-9. 
  4. ↑ “Alnico Magnets & Custom Assemblies”. 《Arnold Magnetic Technologies》. 2025년 6월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2024년 9월 13일에 확인함. 
  5. ↑ Hubert, Alex; Rudolf Schäfer (1998). 《Magnetic domains: the analysis of magnetic microstructures》. Springer. 557쪽. ISBN 978-3-540-64108-7. 
  6. ↑ “ALNICO 3 Safety Data Sheet” (PDF). 2014년 9월 2일. 2024년 9월 13일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 
  7. ↑ “Frequently Asked Questions”. 《Total Magnetic Solutions》. Magnet Sales & Manufacturing Company, Inc. 2019년 3월 12일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2019년 3월 12일에 확인함. 
  8. ↑ 가 나 “Standard Specifications for Permanent Magnet Materials (MMPA Standard No. 0100-00)” (PDF). Magnetic Materials Producers Association. 2015년 9월 9일에 확인함. 
  9. ↑ Campbell, Peter (1996). 《Permanent magnet materials and their application》. UK: Cambridge University Press. 35–38쪽. Bibcode:1996pmma.book.....C. ISBN 978-0-521-56688-9. 
  10. ↑ 가 나 Cui, Jun; Ormerod, John (2022). 《Manufacturing Processes for Permanent Magnets: Part I—Sintering and Casting》. 《JOM》 74. 1279–1295쪽. Bibcode:2022JOM....74.1279C. doi:10.1007/s11837-022-05156-9. 
  11. ↑ “AlNiCo Magnets”. 《Stanford Magnets》. 2024년 9월 13일에 확인함. 
  12. ↑ Rottmann, P.F.; Polonsky, A.T. (2021). 《TriBeam tomography and microstructure evolution in additively manufactured Alnico magnets》. 《Mater》 49. 23–34쪽. doi:10.1016/j.mattod.2021.05.003. 
  13. ↑ Dussa, Saikumar; Joshi, S. S. (2024). 《Additively Manufactured Alnico Permanent Magnet Materials—A Review》. 《Magnetism》 4. 125–156쪽. doi:10.3390/magnetism4020010. 
  14. ↑ Chu, W.G; Fei, W.D; Li, X.H; Yang, D.Z; Wang, J.L (2000). 《Evolution of Fe-Co rich particles in Alnico 8 alloy thermomagnetically treated at 800 °C》. 《Materials Science and Technology》 16. 1023–1028쪽. Bibcode:2000MatST..16.1023C. doi:10.1179/026708300101508810. S2CID 137015369. 

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