BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Dr. Mészáros István Mágneses tulajdonságok, mágneses anyagok Előadásvázlat 2013. 1 Az anyagok mágneses tulajdonságai Alkalmazási területek Jelentőségük (lágy: n*10 6 tonna/év, kemény: n*10 3 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 2006-2007 Nanokristályos magok, HGO, 6,3%Si 2 1
Mágneses tér anyag kölcsönhatás B = µ H B = µ 0µ r H = µ 0( H + M ) 1 M = κh = Pi V µ = 1+ κ r Mágneses permeabilitás Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység) µ 0 = 4π 10 Vs B = T 2 m A H m 7 Vs Am 3 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 4 2
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok (3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet) Részlegesen betöltött héjak spínmomentumai. Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 qh µ B = 4πm 4 Bohr magneton 5 Domén szerkezet Bloch-fal (tömbi anyag) Könnyű mágnesezési irányok Egyensúlyi állapotban, a domének mágnesezettsége valamelyik könnyű mágnesezési irányba mutat. doménfalak típusai Fe [100] 90 és 180 6 3
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok típusai Ferro (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) Antiferro (Cr, Mn) Ferri (Fe 3 O 4, CrO 2, ErO ) 7 Alapvető mágnesezési görbék 1,5 1 B (T) 0,5 0 mellék, telítési) -800-600 -400-200 0 200 400 600 800-0,5-1 B(H), M(H) Hiszterézis hurkok (belső, Normál mágnesezési görbe Szűzgörbe Első mágnesezési görbe -1,5 H (A/m) 8 4
Hiszterézis görbéből származtatott fontosabb jellemzők Telítési indukció (B M ) Remanens indukció (B R ) Koercitív erő (H c ) Permeabilitások (µ r ): kezdő, maximális, differenciális Jósági szám (BH) max Szögletességi tényező B R/ /B M Veszteségi tényező 9 Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól) 10 5
Mágneses tulajdonságok hőmérsékletfüggése (ferromágnes) B S H C µ K Ferro <=> Para Curie-hőmérséklet Reverzibilis, végtelenszer ismételhető T T C 11 MnZn ferrit hiszterézis görbéjének hőmérsékletfüggése Curie hőmérséklet: 133 o C 0,4 0,3 0,2 0,1 B (T) 0-0,1-0,2-0,3-0,4-100 -75-50 -25 0 25 50 75 100 H (A/cm) 22 80 100 120 130 133 12 6
Néhány ferromágneses anyag Curie-hőmérséklete Fe 770 C Co 1115 C Ni 354 C Gd 20 C 13 Kicserélődési energia 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. 14 7
Bethe Antiferro-mágneses 18/8 korrózióálló acél Heussler-ötvözetek (Mn, Cr) MnBi, MnAl, MnAlC (szilárd oldat, nagy atomátmérő) 15 A műszaki alkalmazások lágy- és keménymágneses anyagai 16 8
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 17 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 18 9
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 Mágneses keménység 19 Fe - Si ötvözetek (lemez) Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f) Traszformátor, dinamó-lemez (0,2-1 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 Goss, kocka textúra 20 10
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 21 Fe - Ni ötvözetek (Permalloy) 80% Ni - 20% Fe Kis telítési indukció (1,2 T) Nagy 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 mágnestéres hőkezelés 22 11
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 7 40-50 Vol% nanokristályos fázis 23 Nanokristályos állapot szövetszerkezete 24 12
0.8 0.6 0.4 0.2 B (T) 0-100 -50 0 50 100-0.2-0.4-0.6 Amorf (Finemet) Nanokristályos (Finemet) -0.8 H (A/m) 25 26 13
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 27 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 28 14
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 29 Fe - Al - Ni Co ötvözetek Domen méretű ferromágneses fázis nem mágneses kvázidomenfallal elválasztva. + alakanizotrópia Hc 30-50 ka/m 550 C hőmérsékletig alkalmazható Kitűnő termikus stabilitás 30 15
Ritkaföldfém mágnesek Ritkaföldfém (Sm, Nd) Előötvözet, őrlés, sajtolás (izosztatikus, mágnesteres), hőkezelés Gyémánttárcsás vágás H C = 400-700 ka/m 31 Samárium-Kobalt SmCo 5 ill. Sm 2 Co 17 összetételű intermetallikus vegyületek Porkohászat Hexagonális szerkezet nagy kritályanizotrópia H C = 400-700 ka/m Rideg, törékeny Drága 32 16
Fe - Nd - B 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: 80-180 C 33 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 (130-250 ka/m) Nagy egytengelyű anizotrópia Rideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés) Curie hőmérséklet alacsony prec. felhasználás nincs Olcsó 34 17
ESD mágnesek Elongated Single Domain Hosszúkás, egydomén méretű szemcsék (CuNiFe, MnBi, Fe 3 O 4, Báriumferrit, Stronciumferrit ) Kötőanyag (műanyag, gumi, alacsony op. fém) 35 18