Alnico

2 Materiály pro permanentní magnety

V současnosti se nejčastěji používají tvrdé feritové magnety, magnety na bázi vzácných zemin, jako jsou SmCo nebo NdFeB, a magnety typu alnico. Z nich magnety typu alnico mají pouze mírnou koercivitu, což vede k nelineárním demagnetizačním charakteristikám. Z tohoto důvodu je jejich použitelnost ve srovnání s ostatními dvěma typy velmi omezená. Tvrdé ferity mají vyšší koercitivitu než alnico magnety a jejich demagnetizační charakteristiky jsou lineární. Remanence a s ní spojený maximální součin energie jsou však již nízké a vazbou se dále snižují. Vzhledem k jejich nízké ceně se feritové magnety stále hojně používají, i když většina odpovídajících magnetických zařízení je poměrně objemná a často zdaleka nepodává optimální výkon. Feritové permanentní magnety v současné době dominují v automobilovém průmyslu a mnoha dalších aplikacích díky své nízké ceně a prokázané dlouhodobé stabilitě (viz Alniky a hexaferity). magnety na bázi vzácných zemin mají vysoké hodnoty koercivity, což jim dává lineární demagnetizační charakteristiky (viz Magnety ze vzácných zemin: materiály). Mají vysoké remanence a typické hodnoty energetických produktů dosahovaných ve slinutých magnetech jsou 150 kJ m-3 pro SmCo5 a 300 kJ m-3 pro Nd2Fe14B. První typy magnetů se často používají při vysokých teplotách, jejichž možnost se u lepených magnetů ztrácí (viz Magnety: Vysoké teploty). Magnety typu SmCo5 jsou drahé vzhledem k vysoké ceně samaria i kobaltu. Situace je příznivější pro magnety NdFeB, protože neodym je levnější než samarium a železo je mnohem levnější než kobalt, přičemž umění práškového metalurgického zpracování je srovnatelné se SmCo5. Proto je poměr výkon/cena pro Nd2Fe14B lepší než pro SmCo5. Z tohoto důvodu trh se slinutými magnety Nd2Fe14B vzkvétal a stále roste (viz Magnety: slinuté).Ačkoli vázané magnety lze vyrábět ze všech výše uvedených materiálů, pouze vázané feritové magnety a vázané magnety Nd2Fe14B pronikly na trh ve významném rozsahu. Ferity lze snadno získat ve formě prášku (viz Alnicos a Hexaferrites). Poněkud zvláštní zpracování feritových prášků vede k hexagonálním destičkám, které lze snadno mechanicky zarovnat během procesu tvorby pružných vázaných magnetů. V případě Nd2Fe14B je situace složitější, protože jednoduchá prášková metalurgická cesta z litých nebo žíhaných ingotů Nd2Fe14B zpravidla nevede k práškům s dostatečně vysokou koercitivitou pro použití ve vázaných magnetech. Koercitivní prášky NdFeB lze však získat zvlákňováním taveniny (viz Kovová vlákna). Při této technice se jemný proud roztavené slitiny rozstřikuje na vnější povrch rychle se otáčejícího kola, čímž vznikají tenké rychle kalené pásky nebo vločky. Během tavného zvlákňování je materiál chráněn před oxidací tím, že se tento proces provádí v ochranné atmosféře nebo ve vakuu. Rychlost kalení je řádově 105 K s-1 a lze ji měnit změnou rychlosti otáčení točny. Různé rychlosti kalení vedou k různým mikrostrukturám, které následně určují magnetické vlastnosti materiálu roztočeného v tavenině. Optimální podmínky odstřeďování taveniny vedou k nanokrystalické slitině sestávající z jemných zrn (obvykle 30 nm) sloučeniny Nd2Fe14B, obklopených tenkou vrstvou eutektické fáze bohaté na neodym. V praxi lze spolehlivějších a reprodukovatelnějších výsledků dosáhnout použitím mírně vyšší rychlosti ochlazování a následným žíháním materiálu roztočeného v tavenině za pečlivě kontrolovaných podmínek. Tavený materiál je poměrně křehký a lze jej rozemlít na jemný prášek vhodný pro výrobu vázaných magnetů. Protože zrna Nd2Fe14B mají náhodnou orientaci, jsou tyto vázané magnety izotropní. Práškové částice sférického tvaru lépe tečou při vstřikování, což umožňuje vyšší faktor zatížení. Takový prášek lze připravit procesem atomizace inertním plynem s typickými hodnotami středního průměru částic 45 mm. Další výhodou atomizačního procesu je vysoká rychlost výroby a nízké náklady na zpracování prášků (Ma et al. 2002). jinou cestu vedoucí k získání koercitivních NdFeB prášků představuje tzv. proces HDDR (viz Magnety: zpracované HDDR). Tento proces zahrnuje v podstatě čtyři kroky: hydrogenaci Nd2Fe14B při nízkých teplotách, rozklad Nd2Fe14BHx na NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorpci plynu H2 z NdH2.7 a rekombinaci Nd + Fe + Fe2B na Nd2Fe14B. Tento proces těží ze skutečnosti, že tvorba zrn Nd2Fe14B v posledním kroku je reakcí v pevném stavu, a proto probíhá podstatně nižší rychlostí než při tuhnutí z taveniny během běžného procesu lití. Průměrná velikost zrn Nd2Fe14B zůstává v rozmezí nanometrů a dává vzniknout dostatečně velkým koercitivitám.Další výhodou je skutečnost, že proces HDDR lze úspěšně použít k získání anizotropních částic. Takeshita a Nakayama (1992) zjistili, že zejména přísady zirkonia, hafnia a galia jsou velmi účinné při výrobě anizotropního prášku HDDR. Potřebné množství aditiva je překvapivě malé (například Nd12,5Fe69,9Co11,5B6Zr0,1). Mikroskopická zkoumání popsaná Harrisem (1992) odhalila, že uvnitř původních zrn slitiny ve stavu po odlití se vytvořila velká fasetovaná zrna HDDR. Tato fasetovaná zrna mají společnou orientaci, která je pravděpodobně stejná jako orientace původního zrna. Anizotropní povahu HDDR prášků slitin, jako je Nd12,5Fe75,9Co11,5B8Zr0,1, si lze tedy představit na základě předpokladu, že HDDR zrna vznikla a vyrostla v oblasti původního zrna jako odlitku ze submikronových zrn, která mají společnou orientaci (Harris 1992).Je zřejmé, že vlivem příměsi vznikají nukleační centra pro nukleaci a růst zrn HDDR, přičemž tato zrna si zachovávají orientaci původních odlitých zrn.Tomida et al. (1996) použili rentgenovou difrakci ke zjištění korelace mezi anizotropní povahou konečného prášku HDDR a množstvím fáze Nd2Fe14B, která zůstala nezreagovaná v procesu hydrogenace. Studie TEM provedené Tomidou a kol. na prášku hydrogenovaném za optimálních podmínek energetického produktu ukázaly, že po hydrogenaci se prášek skládá převážně z hrubozrnného α-Fe a Fe2B, mezi nimiž jsou usazeny nanokrystalické částice. Tyto částice byly pomocí elektronové difrakce identifikovány jako částice NdH2. Mnoho částic však bylo identifikováno jako částice Nd2Fe14B s krystalografickou orientací téměř shodnou s orientací původních litých zrn Nd2Fe14B. Energeticky disperzní spektra dále ukázala, že tyto částice mají vyšší koncentraci kobaltu a galia, než odpovídá průměrné koncentraci výchozí slitiny. Tyto výsledky vedly Tomidu a spol. k návrhu, že tento typ nanokrystalických částic Nd2Fe14B slouží jako iniciační centra v procesu rekombinace a jsou zdrojem efektu orientační paměti v prášcích HDDR.Jinou kategorií materiálů, která se zdá být perspektivní, jsou kompozitní magnety na bázi nanokrystalických vzácných zemin. Za zvláštních okolností mohou dvoufázové kompozitní materiály vykazovat velmi zajímavé koercitivní chování. Takové chování popsali Kneller a Hawig (1991), kteří zkoumali kombinovaný účinek dvou jemně dispergovaných a vzájemně výměnně spřažených magnetických fází. Jedna z těchto fází má velkou konstantu jednoosé anizotropie a je schopna generovat vysokou koercivitu. Naproti tomu druhá fáze je magneticky měkká. Má větší teplotu magnetického uspořádání a současně větší průměrnou výměnnou energii než tvrdá fáze. Právě relativně vysoká saturace magnetizace měkké fáze zajišťuje kompozitnímu magnetu vysokou remanenci, pokud je tato fáze výměnně spojena s tvrdou fází. Možnost přípravy magnetů se zvýšenou remanencí podnítila rozsáhlý výzkum v této oblasti (viz Magnety: se zvýšenou remanencí).Ve většině systémů, u nichž bylo zaznamenáno zvýšení remanence, je magneticky měkkou fází α-Fe nebo slitina bohatá na železo či kobalt. Příklady magneticky tvrdých fází jsou Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 a Nd(Fe,Mo)12Nx. Mikrostruktura všech těchto kompozitních magnetů má společné to, že se skládá z velmi jemného rozložení magnetických částic, které spadá do oblasti nanometrů. K dosažení tohoto jemného rozložení se používají různé techniky, včetně zvlákňování taveniny a mechanického legování (viz Magnety: mechanicky legované). Tato skupina materiálů se označuje jako chudé permanentní magnety ze vzácných zemin. Jejich výhodou ve srovnání se standardními slitinami je vynikající odolnost proti korozi a skutečnost, že dosahují nasycení při relativně nízkém přiloženém poli. Nevýhodou je jejich relativně nízká koercitivita. Možnost použití těchto materiálů v magnetech vázaných pryskyřicí popsal Croat (1997). další zajímavou skupinou materiálů jsou intersticiálně modifikované sloučeniny R2Fe17. Ačkoli nízké Curieho teploty a poměrně nízké magnetokrystalické anizotropie činí sloučeniny R2Fe17 méně atraktivními pro použití jako materiály pro permanentní magnety, bylo dosaženo značného zlepšení, pokud jde o anizotropii Curieho teploty a koercivitu, vytvořením intersticiálních pevných roztoků získaných kombinací těchto materiálů s uhlíkem nebo dusíkem. Složení odpovídajících ternárních nitridů a karbidů R2Fe17Cx a R2Fe17Nx je obecně považováno za omezené na rozsah 0≤x≤3. Další podrobnosti o rozmezí vzniku a umístění intersticiálních atomů mřížky jsou popsány v přehledu Fujiiho a Suna (1995). byly připraveny magnety s pryskyřičnou vazbou z dusíkatých prášků Sm2Fe17 s BHmax =136 kJm-3 , Br = 9.0 T a μoBHc = 6,5 T. Za účelem zkoumání příznivě nízkého teplotního koeficientu koercivity u magnetických těles vhodných pro vysokoteplotní aplikace zkoumali Rodewald et al. (1993) a Kuhrt et al. (1993) magnety vázané cínem a zinkem. V těchto případech však byly získané remanence poměrně nízké (Br<0,7 T)

.