Alnico

2 De permanente magnetmaterialer

De mest almindelige typer af magneter, der anvendes i øjeblikket, er hårde ferritmagneter, magneter baseret på sjældne jordarter som SmCo eller NdFeB og magneter af alnico-typen. Af disse har alnico-magneterne kun en beskeden koercitivitet, hvilket fører til ikke-lineære afmagnetiseringsegenskaber. Derfor er deres anvendelsesmuligheder meget begrænsede sammenlignet med de to andre typer. De hårde ferritter har en højere koercitivitet end alnico magneterne, og deres afmagnetiseringsegenskaber er lineære. Imidlertid er remanensen og det hermed forbundne maksimale energiprodukt allerede lavt og reduceres yderligere ved binding. På grund af deres lave pris anvendes ferritmagneter stadig i vid udstrækning, selv om de fleste af de tilsvarende magnetiske anordninger er ret voluminøse og ofte langt fra giver optimale resultater. Ferritpermanente magneter dominerer i øjeblikket bilindustrien og mange andre anvendelser på grund af deres lave omkostninger og dokumenterede langtidsstabilitet (se Alnicos og Hexaferrites), mens magneter baseret på sjældne jordarter har en høj koercitivitet, hvilket giver dem lineære afmagnetiseringsegenskaber (se Magneter af sjældne jordarter: Materialer). De har høje remanenser, og de typiske værdier for de energiprodukter, der opnås i sintrede magneter, er 150 kJ m-3 for SmCo5 og 300 kJ m-3 for Nd2Fe14B. De førstnævnte typer magneter anvendes ofte i højtemperaturanvendelser, hvilket ikke er muligt med bundne magneter (se Magneter: Højtemperatur). Magneter af SmCo5-typen er dyre på grund af den høje pris på både samarium og kobolt. Situationen er mere gunstig for NdFeB-magneter, fordi neodym er billigere end samarium og jern er meget billigere end kobolt, og de pulvermetallurgiske behandlingsteknikker er sammenlignelige med dem for SmCo5-magneter. Derfor er forholdet mellem ydelse og pris for Nd2Fe14B bedre end for SmCo5. Af denne grund har markedet for sintrede Nd2Fe14B-magneter blomstret og er stadig voksende (se Magneter: Sinterede) Selv om der kan fremstilles bundne magneter af alle ovennævnte materialer, er det kun bundne ferritmagneter og bundne Nd2Fe14B-magneter, der er trængt ind på markedet i et betydeligt omfang. Ferriterne kan let fremstilles i pulverform (se Alnicos og Hexaferrites). En noget speciel behandling af ferritpulveret fører til sekskantede plader, som let kan justeres mekanisk under dannelsen af fleksible bundne magneter. Situationen er vanskeligere for Nd2Fe14B, fordi en simpel pulvermetallurgisk fremgangsmåde fra støbte eller udglødede Nd2Fe14B-blokke generelt ikke fører til pulvere med tilstrækkelig høj koercitivitet til brug i bundne magneter. Der kan dog fremstilles NdFeB-pulvere med høj koercitivitet ved smeltespinding (se Metallic Filaments). Ved denne teknik sprøjtes en fin strøm af smeltet legering på den ydre overflade af et hurtigt snurrende hjul, hvilket fører til tynde, hurtigt udslukkede bånd eller flager. Under smeltespinding beskyttes materialet mod oxidation ved at udføre processen i en beskyttende atmosfære eller i vakuum. Slukningshastigheden er i størrelsesordenen 105 K s-1 og kan varieres ved at ændre rotationshastigheden på spinderhjulet. Forskellige nedkølingshastigheder fører til forskellige mikrostrukturer, som igen bestemmer de magnetiske egenskaber ved det smeltespundne materiale. Optimale smeltespindingsbetingelser fører til en nanokrystallinsk legering bestående af fine korn (typisk 30 nm) af forbindelsen Nd2Fe14B, der er omgivet af et tyndt lag af en neodymrig eutektisk fase. I praksis kan man opnå mere pålidelige og reproducerbare resultater ved at anvende en lidt højere slukningshastighed og efterfølgende udglødning af det smeltespundne materiale under nøje kontrollerede forhold. Det smeltespundne materiale er forholdsvis skørt og kan formales til et fint pulver, der er egnet til fremstilling af bundne magneter. Da Nd2Fe14B-kornene har en tilfældig orientering, er disse bundne magneter isotrope. Pulverpartikler med sfærisk form flyder bedre i sprøjtestøbningsprocessen, hvilket giver mulighed for en højere belastningsfaktor. Et sådant pulver kan fremstilles ved en forstøvningsproces med inert gas med typiske værdier for den gennemsnitlige partikeldiameter på 45 mm. En yderligere fordel ved forstøvningsprocessen er den høje produktionshastighed og de lave forarbejdningsomkostninger for pulveret (Ma et al. 2002).En anden vej, der fører til tvangsprægede NdFeB-pulvere, består af den såkaldte HDDR-proces (se Magneter: HDDR-processed). Denne proces omfatter hovedsagelig fire trin: hydrogenering af Nd2Fe14B ved lave temperaturer, nedbrydning af Nd2Fe14BHx til NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorption af H2-gas fra NdH2.7 og rekombination af Nd + Fe + Fe2B til Nd2Fe14B. Denne proces drager fordel af, at dannelsen af Nd2Fe14B-korn i det sidste trin er en reaktion i fast tilstand og derfor foregår med en hastighed, der er betydeligt lavere end under størkning fra smelte under en normal støbeproces. Den gennemsnitlige Nd2Fe14B-kornstørrelse forbliver i nanometerområdet og giver anledning til tilstrækkeligt store koercitiviteter.En anden fordel er, at HDDR-processen med held kan anvendes til at opnå anisotrope partikler. Takeshita og Nakayama (1992) opdagede, at additiver af især zirconium, hafnium og gallium er meget effektive til at fremstille anisotropisk HDDR-pulver. Den nødvendige mængde tilsætningsstof er overraskende lille (f.eks. Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Mikroskopiske undersøgelser beskrevet af Harris (1992) afslørede, at der var dannet store facetterede HDDR-korn i det oprindelige støbte korn af legeringen. Disse facetterede korn har en fælles orientering, som sandsynligvis er den samme som det oprindelige korns orientering. Den anisotrope karakter af HDDR-pulvere af legeringer som Nd12,5Fe75,9Co11,5B8Zr0,1 kan således visualiseres ved at antage, at HDDR-kornene er opstået og vokset inden for et oprindeligt kornområde som støbt fra submikron-korn, idet sidstnævnte har en fælles orientering (Harris 1992).Tilsætningsstoffets virkning er tydeligvis at skabe kimdannelsescentre for kimdannelse og vækst af HDDR-korn, idet sidstnævnte korn har bevaret orienteringen af det oprindelige støbte korn. Tomida et al. (1996) har anvendt røntgendiffraktion til at etablere en korrelation mellem den anisotropiske karakter af det endelige HDDR-pulver og mængden af Nd2Fe14B-fase, der forbliver uomsat i hydrogeneringsprocessen. TEM-undersøgelser foretaget af Tomida et al. på pulver hydreret under optimale energiproduktbetingelser viste, at pulveret efter hydrogenering hovedsageligt består af grovkornet α-Fe og Fe2B, med nanokrystallinske partikler indlejret ind imellem. Disse partikler blev identificeret ved elektrondiffraktion som NdH2-partikler. Mange af partiklerne blev imidlertid identificeret som Nd2Fe14B-partikler med en krystallografisk orientering, der næsten er den samme som de oprindelige støbte Nd2Fe14B-korns. Energidispersive spektrer viste desuden, at disse partikler har en højere kobolt- og galliumkoncentration end den gennemsnitlige koncentration i udgangslegeringen. Disse resultater har fået Tomida et al. til at foreslå, at denne type nanokrystallinske Nd2Fe14B-partikler tjener som initieringscentre i rekombinationsprocessen og er oprindelsen til den orienterende hukommelseseffekt i HDDR-pulvere.En anden kategori af materialer, der synes at være lovende, er nanokrystallinske kompositmagneter baseret på sjældne jordarter. Under særlige omstændigheder kan tofasede kompositmaterialer udvise en yderst interessant koercitivitetsadfærd. En sådan opførsel er blevet beskrevet af Kneller og Hawig (1991), som undersøgte den kombinerede virkning af to fint dispergerede og gensidigt udvekslingstilknyttede magnetiske faser. Den ene af disse faser har en stor uniaxial anisotropi konstant og er i stand til at generere en høj koercitivitet. Derimod er den anden fase magnetisk blød. Den har en større magnetisk ordeningstemperatur og samtidig en større gennemsnitlig udvekslingsenergi end den hårde fase. Det er den forholdsvis høje mætningsmagnetisering af den bløde fase, der, når denne er udvekslingsmæssigt koblet til den hårde fase, giver en høj remanens til den sammensatte magnet. Muligheden for at fremstille magneter med remanensforstærkning har udløst omfattende forskning på dette område (se Magneter: remanensforstærket). i de fleste af de systemer, for hvilke remanensforstærkning er blevet rapporteret, er den magnetisk bløde fase α-Fe eller en jern- eller koboltrig legering. Eksempler på magnetisk hårde faser er Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 og Nd(Fe,Mo)12Nx. Mikrostrukturerne i alle disse kompositmagneter har det til fælles, at de består af en meget fin fordeling af de magnetiske partikler, der ligger i nanometerområdet. For at opnå denne fine fordeling anvendes forskellige teknikker, herunder smeltespinding og mekanisk legering (se Magneter: Mekanisk legerede magneter). Denne gruppe af materialer betegnes som magre permanente magneter af sjældne jordarter. Deres fordele i forhold til standardlegeringer er deres fremragende korrosionsbestandighed og det forhold, at de opnår mætning ved et forholdsvis lavt påført felt. En ulempe er deres relativt lave koercivitet. Muligheden for at anvende disse materialer i harpiksbundne magneter er blevet beskrevet af Croat (1997).En anden interessant gruppe af materialer er interstitielt modificerede R2Fe17-forbindelser. Selv om de lave Curie-temperaturer og de forholdsvis lave magnetokrystallinske anisotropier gør R2Fe17-forbindelserne mindre attraktive til anvendelse som permanente magnetmaterialer, er der opnået betydelige forbedringer med hensyn til Curie-temperaturanisotropi og koercitivitet ved at danne interstitielle faste opløsninger, der er opnået ved at kombinere disse materialer med kulstof eller kvælstof. Sammensætningen af de tilsvarende ternære nitrider og carbider R2Fe17Cx og R2Fe17Nx menes generelt at være begrænset til området 0≤x≤3. Flere detaljer om dannelsesintervallerne og placeringen af de interstitielle atomer i gitteret er beskrevet i Fujii og Suns gennemgang (1995).Harpiksbundne magneter af kvælstofholdige Sm2Fe17-pulvere er blevet fremstillet med BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T og μoBHc = 6,5 T. For at undersøge den gunstigt lave temperaturkoefficient for koercitiviteten i magnetlegemer, der er egnede til højtemperaturanvendelser, har Rodewald et al. (1993) og Kuhrt et al. (1993) undersøgt tin- og zinkbundne magneter. I disse tilfælde var de opnåede remanenser imidlertid ret lave (Br<0,7 T).