Mágneses tulajdonságok

Átírás

1 Anyagismeret 2018/19 Mágneses tulajdonságok Lágy- és keménymágneses anyagok Dr. Mészáros István Alkalmazási területek Jelentőségük (lágy: tonna/év) Ókori Kína ( II.sz.) Iránytű 1880 Martenzites állandómágnes 1900 Fe - Si ötvözet 1923 Fe - Ni ötvözet 1935 Első mágnesszalag 1946 Ferritek megjelenése 1966 Ritkaföldfém - kobalt keménymágnesek 1975 Irányított Mn-Al-C keménymágnesek 1967 SmCo 1976 Fémüveg 1984 FeBNd 1992 FINEMET 1999 NANOPERM Nanokristályos anyagok HGO, 6,8%Si Ritkaföldfém mágnesek 2 1

2 Mágneses tér Û anyag kölcsönhatás B = µ H B = µ 0µ r H = µ 0( H + M ) 1 M = kh = å Pi V µ = 1+ k r Mágneses permeabilitás Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység) µ 0 = 4p 10 évs ù B ê = T 2 ëm ú û é Aù H ê ëmú û -7 Vs Am 3 Mágneses anyagok csoportosítása Gyengén mágneses anyagok Dia (lezárt elektronhéj) k < 0 (»10-5 ) Univerzális tulajd. (Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au ) Para (legalább egy páratlan elektron) k > 0 ( ) (Mg, Al, Ti, W ) Antimágnes Mágnesezési görbék 4 2

3 Rendezett mágneses szerkezetű anyagok Domén szerkezet (3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet) Részlegesen betöltött héjak spínmomentumai. Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 Þ 4 Bohr magneton 5 Rendezett mágneses szerkezetű anyagok típusai Ferro (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) Antiferro (Cr, Mn) Ferri Ý Ý (Fe 3 O 4, CrO 2, ErO ) 6 3

4 Alapvető mágnesezési görbék 1,5 1 B (T) 0,5 0 mellék, telítési) ,5-1 B(H), M(H) Hiszterézis hurkok (belső, Normál mágnesezési görbe Szűzgörbe Első mágnesezési görbe -1,5 H (A/m) 7 Hiszterézis görbéből származtatott fontosabb jellemzők Telítési indukció (B M ) Telítési polarizáció (! 0 M s ) Remanens indukció (B R ) Koercitív erő (H c ) Fe 2,15 T Ni 0,62 T Co 1,8 T Permeabilitások (µ r ): kezdő, maximális, differenciális Jósági szám (BH) max Szögletességi tényező B R/ /B M Veszteségi tényező 8 4

5 Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól) 9 Mágneses tulajdonságok hőmérsékletfüggése (ferromágnes) B S H C µ K Ferro <=> Para Curie-hőmérséklet Reverzibilis, végtelenszer ismételhető T T C 10 5

6 MnZn ferrit hiszterézis görbéjének hőmérsékletfüggése Curie hőmérséklet: 133 o C 0,4 0,3 0,2 0,1 B (T) 0-0,1-0,2-0,3-0, H (A/cm) Néhány ferromágneses anyag Curie-hőmérséklete Fe 770 C Co 1121 C Ni 368 C Gd 20 C 12 6

7 A műszaki alkalmazások lágy- és keménymágneses anyagai 13 MÁGNESES ANYAGOK (Felosztás a mikroszerkezetük alapján) Fémes mágneses anyagok Polikristályos anyagok Amorf anyagok Nanokristályos anyagok Tiszta fémek Ötvözetek Kevert szerkezetek Mikrokristályos anyagok Ferritek (kerámiák) Polikristályos Egykristályos Spec. mikroszerkezetek Kompozitok Mágneses gélek Multirétegek 14 7

8 Lágymágnesek jellegzetes felhasználási területei Fluxusvezető elemek Mágnestér árnyékolások Elektromechanikus eszközök: Emelő, mozgató mágnesek, relék, mágneskapcsolók Elektromágneses indukció alapján működő eszközök: Transzformátorok, fojtók, generátorok, motorok, leválasztó elemek 15 Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál B M Nagy µ Nagy 1 A/m < H C < 80 A/m Fajlagos ellenállás Nagy Curie-hőmérséklet Nagy Alakíthatóság Nagy Veszteség Kicsi Hiszterézis terület Kicsi Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak. Mechanikai keménység Û Mágneses keménység 16 8

9 Fe - Si ötvözetek (lemez) Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f) Traszformátor, dinamó-lemez (0,2-1 mm) Si hatása: csökkenti az anizotrópiát Optimum: 6,8 % Si rideg, kemény Transzformátor: 4-4,5 % Si Dinamó: 3,2-3,6 % Si Interstíciós ötvözők: C, N, O, P, Mn, S Maradó feszültség Goss, kocka textúra 17 Textúrált Fe - Si lemezek Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal Hengerlés Þ szemcse orientáció Þ anizotróp, textúrás szerkezet Mágnesezési irány meghatározott! GOSS KOCKA (100) (100) (011) (010) Hengerlési, mágnesezési irány 18 9

10 Fe - Ni ötvözetek (Permalloy) 80% Ni - 20% Fe Kis telítési indukció (1,2 T) Nagy permeabilitás ( ) Kis veszteség Ni 3 Fe szuperrács (75% Ni, 500 C) megakadályozandó! Alakítás rendkívül sokat ront a tulajdonságokon. Lágyítás ( C, 1h), gyors hűtés, feszültségmentesítés (600 C), gyors hűtés mágnestéres hőkezelés 19 Amorf nanokristályos ötvözetek Vékony szalagok (0,02-0,05 mm) Eutektikus összetétel Átmeneti fém (Fe, Ni, Co) Nem fémes ötv.: (Si, P, N, C, B) Fe, Ni, Co alapú amorf ötvözetek Gyorhűtés (10 5 C/sec) Finemet: Fe 74 Cu 1 Nb 3 Si 15 B Vol% nanokristályos fázis 20 10

11 Lágy ferritek, gránátok Kerámia mágnes (Köbös spinel, Ferrimágneses rend) Þ Porkohászati technológia Þ Rideg, törékeny, nem alakítható (köszörülés) Þ Szigetelő (rossz félvezető) Þ nagy frekvenciás alkalmazások MOFe 2 O 3 FERRIT (M kétvegyértékű fém: Mn, Zn, Ni) Fe momentumok kompenzálják egymást Þ B S kicsi 3M 2 O 3 5Fe 2 O 3 GRÁNÁT (M kétvegyértékű ritkaföldfém: Sm, Eu, Gd) Ittrium ötvözés YIG 21 Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál B M B R (BH) max Hiszterézis terület Nagy Nagy Nagy Nagy 30 ka/m < H C < 800 ka/m Keménymágnes jelleggörbe 22 11

12 Keménymágnesek jellegzetes felhasználási területei Légrésben előírt indukció keltése / fenntartása. Drága, sokszor alakíthatatlan. Híradástechnika: hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú eszközök Méréstechnika: galvanométerek Mechanikai mozgatás, rögzítés: DC motorok, emelő mágnesek Mágneses információ tárolás: magnó, videó, floppy, merevlemez 23 Fe - Al - Ni Co ötvözetek Alnico Domen méretű ferromágneses fázis nem mágneses kvázidomenfallal elválasztva. + alakanizotrópia Hc ka/m 550 C hőmérsékletig alkalmazható Kitűnő termikus stabilitás Rideg Þ öntés, porkohászat Izotróp, anizotróp 24 12

13 Alnico, Ticonal Spinodális bomlás: a a 1 + a 2 (koherens fázishatár) a 1»FeCo (tkk szilárd oldat) ferromágneses a 2»Fe 2 NiAl (tkk szilárd oldat) paramágneses De: g (fkk) elkerülendő Fe - Ni - Co - Al ötvözetek (1930) a 1 doménméret a 2 doménfal Ritkaföldfém mágnesek Ritkaföldfém (Sm, Nd) Előötvözet, őrlés, sajtolás (izosztatikus, mágnesteres), hőkezelés Gyémánttárcsás vágás H C = ka/m 26 13

14 Samárium-Kobalt SmCo 5 ill. Sm 2 Co 17 összetételű intermetallikus vegyületek Porkohászat Hexagonális szerkezet Þ nagy kritályanizotrópia H C = ka/m Rideg, törékeny Drága 27 Fe-B-Nd mágnesek Olcsóbb mint a SmCo Kevésbé törékeny Nd 2 Fe 14 B ferromágneses fázis (tetragonális rács) Korrodál (galvanikus Ni, Zn, polimer bevonat) Max. üzemi hőmérséklet: C 28 14

15 Kemény ferritek (Hexagonális ferritek) Nemfémes mágnesek, kerámiák Báriumferrit BaFe 12 O 19 Stronciumferrit SrFe 12 O 19 B S kicsi (max. 0,46-0,47 T) H C nagy ( ka/m) Ü Nagy egytengelyű anizotrópia Rideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés) Curie hőmérséklet alacsony Þ prec. felhasználás nincs Olcsó 29 ESD mágnesek Elongated Single Domain Hosszúkás, egydomén méretű szemcsék (CuNiFe, MnBi, Fe 3 O 4, Báriumferrit, Stronciumferrit ) Kötőanyag (műanyag, gumi, alacsony op. fém) 30 15

16 (BH) max (kj/m 3 ) Keménymágneses anyagok összehasonlítása Alnico, Kemény ferrit, NdFeB, R 2 Co 17, RCo H C (ka/m) Néhány további kapcsolódó tantárgy Cím Neptun Kredit Mágneses anyagok BSc Mágneses anyagok és vizsgálatok MSc Trendek az anyagtudományban BSc Roncsolásmentes anyagvizsgálat BSc BMEGEMT AMMA BMEGEMT MGK6 BMEGEMT AGM6 BMEGEMT AGM5 2kp 4kp 4kp 4kp 32 16

17 Anyagismeret r. Mészáros István 33 17