Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2012/13 Mágneses anyagok Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu Mágneses tér anyag kölcsönhatás leírása B = µ H B = µ µ H = µ H + M ) 0 r 0 ( 1 1 M = κh = Pi = P V V µ r = 1+ κ Mágneses permeabilitás Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység) µ 0 = 4π 10 Vs B = T 2 m A H m 7 Vs Am 2 Mágneses anyagok csoportosítása Gyengén mágneses anyagok Dia (lezárt elektronhéj) κ < 0 ( 10-5 ) Univerzális tulajd. (Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au ) Para (legalább egy páratlan elektron) κ > 0 (10-3 - 10-5 ) (Mg, Al, Ti, W ) Antimágnes Mágnesezési görbék 3 1
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok Szilárd test mágneses momentuma: a párosítatlan spínű elektronok spinmomentumainak eredője. (3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet) qh qh µ B = = 4 π m 2m Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 4 Bohr magneton Co: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2 3 Bohr magneton Ni: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 2 Bohr magneton 4 Heisenberg, Dirac (1926) Kicserélődési energia: két elektron között a Coulomb energián kívül fellépő, a spínállástól függő energiajárulék. Csak kvantummechanikailag értelmezhető. Felelős a momentumok párhuzamosra fordításáért. Ferro (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) Antiferro (Cr, Mn) Ferri (Fe 3 O 4, CrO 2, ErO ) 5 Domén - doménfal Kicserélődési kölcsönhatás => párhuzamos momentum beállás 6 2
Klasszikus mágneses jellemzők 7 Hiszterézis görbéből származtatott jellemzők Első mágnesezési (szűz) görbe, dinamikus középgörbe M(H) és B(H) hiszterézis görbék Belső, mellék hiszerézis. Telítési indukció (B M ), Remanens indukció (B R ), Koercitív erő (H c ) Permeabilitások (µ r ): kezdő, maximális, differenciális, növekményes (irreverzibilis) Irreverzibilis és reverzibilis komponens Jósági szám (BH) max, négyszögletességi tényező B R/ /B M stb. 8 Hőmérsékletfüggés (ferro) B S Reverzibilis µ K Curie hőmérsékletek H C T Fe Co Ni 1043 K 1388 K 627 K Ferromágnes Antiferro mágneses T C Curie-hőmérséklet Néel-hőmérséklet 9 3
Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól) 10 Mágnes tulajdonságok változtatásának lehetőségei A műszaki alkalmazások lágy és keménymágneses anyagai 11 Mágneses anyagok csoportosítása műszaki szempontból: Lágy Hc < 1 A/cm (0,01) Félkemény Kemény Hc > 400 A/cm (7000) 12 4
Lágy- és keménymágneses anyagok Soft magnetic M Hard magnetic M Hc H Hc H H C = 0.01 1 A/cm H C = 400 7000 A/cm 13 Mágneses anizotrópia (energia) Könnyű és nehéz mágnesezési irányok. Görbék alatti területek különbsége. 14 Lágymágnesek jellegzetes felhasználási területei Elektromechanikus eszközök: Emelő, mozgató mágnesek, relék, mágneskapcsolók Elektromágneses indukció alapján működő eszközök: Transzformátorok, fojtók, generátorok, motorok, leválasztó elemek Mágnestér árnyékolások Fluxusvezető elemek 15 5
Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál B M µ H C Kicsi Fajlagos ellenállás Curie-hőmérséklet Alakíthatóság Hiszterézis terület Kicsi Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak. Mechanikai keménység Mágneses keménység 16 Tiszta Fe B S (20 C) = 2,15 T µ max = 5.000-300.000 A/cm 99,95 % Fe, 0,005% C ARMCO Ötvözetlen elektrotechnikai lemez (Fedin, Fermax ) Interstíciós C, N, O rácstorzulás Dekarbonizálás Tulajdonságai erősen szórnak Nem kézbentartható 17 Fe - Si ötvözetek (lemez) Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f) Traszformátor, dinamó-lemez (0,2-0,5 mm) Si hatása: csökkenti az anizotrópiát Optimum: 6-7 % Si rideg, kemény Transzformátor: 4-4,5 % Si Dinamó: 3,2-3,6 % Si Interstíciós ötvözők: C, O, P, Mn, S Maradó feszültség Hőkezelés: nedves hidrogénben C < 0,04 % 18 6
Textúrált Fe - Si lemezek Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal Hengerlés szemcse orientáció anizotróp, textúrás szerkezet Mágnesezési irány meghatározott!!! GOSS KOCKA (100) (100) (011) (010) Hengerlési, mágnesezési irány 19 Fe - Ni ötvözetek (Permalloy) 50% Ni - 50% Fe 80% Ni - 20% Fe Kis telítési indukció (Fe-2,2 T, Ni-0,6 T) permeabilitás (20.000-70.000) Kis veszteség Ni 3 Fe szuperrács (75% Ni, 500 C) megakadályozandó! Alakítás rendkívül sokat ront a tulajdonságokon. Lágyítás (900-1000 C, 1h), gyors hűtés, feszültségmentesítés (600 C), gyors hűtés T C -nél mágnestérben hűtés permeabilitás * 10 20 Lágy ferritek, gránátok Kerámia mágnes (Köbös spinel, Ferrimágneses rend) Porkohászati technológia Rideg, törékeny, nem alakítható (köszörülés) Szigetelő (rossz félvezető) nagy frekvenciás alkalmazások MOFe 2 O 3 FERRIT (M kétvegyértékű fém: Mn, Zn, Ni) Fe momentumok kompenzálják egymást B S kicsi 3M 2 O 3 5Fe 2 O 3 GRÁNÁT (M kétvegyértékű ritkaföldfém: Sm, Eu, Gd) Ittrium ötvözés YIG 21 7
Amorf nanokristályos ötvözetek Finemet Fe 74 Cu 1 Nb 3 Si 15 B 7 40-50 Vol% nanokristályos fázis Vékony szalagok (0,02-0,05 mm) Eutektikus összetétel Átmeneti fém (Ni, Co, Fe, Mn) Nem fémes ötv.: (Si, P, N, C, B) Fe, Ni, Co alapú amorf ötvözetek Gyorhűtés (10 5 C/sec) 22 23 Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál B M B R (BH) max Hiszterézis terület H C > 400 A/cm Permeabilitás X Keménymágnes jelleggörbe 24 8
Keménymágnesek jellegzetes felhasználási területei Légrésben előírt indukció keltése / fenntartása. Drága, sokszor alakíthatatlan. Híradástechnika: hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú eszközök Méréstechnika: galvanométerek Mechanikai mozgatás, rögzítés: motorok, emelő stb. mágnesek Mágneses információ tárolás: magnó, videó, floppy, merevlemez 25 Keménymágnek néhány típusa Martenzites (W) Alnico, Ticonal Cu-Ni-Co, Fe-Co-V Pt-Co, Pt-Fe (olcsó, klasszikus) (szokásos, tömegtermék) (közepes, alakítható) (kitűnő izotróp mágnes, drága) R-Co (kitűnő, magas ár, 0,1-1 g) Nd-Fe-B (kitűnő, de alacsony T C ) Hexaferritek (olcsó, porkohászat, egyszerű alkalmazások) 26 9