알니코

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 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 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

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(B_r)는 12,000 G (1.2 T)를 초과할 수 있으며, 보자력(H_c)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/BH_max이다.^[7]

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

분류

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

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

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(B_r)과 더 큰 에너지 곱(B·H_max)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.