Alnico

2 Kestomagneettimateriaalit

Yleisimpiä nykyisin käytettyjä magneettityyppejä ovat kovat ferriittimagneetit, harvinaisiin maametalleihin perustuvat magneetit, kuten SmCo tai NdFeB, ja alnikotyyppiset magneetit. Näistä alnikomagneeteilla on vain vaatimaton koersiivisuus, mikä johtaa epälineaarisiin demagnetointiominaisuuksiin. Tästä syystä niiden sovellettavuus on hyvin rajallinen verrattuna kahteen muuhun tyyppiin. Kovilla ferriiteillä on suuremmat koersiivisuudet kuin alnikomagneeteilla, ja niiden demagnetointiominaisuudet ovat lineaariset. Remanenssi ja siihen liittyvä maksimienergiatuote ovat kuitenkin jo valmiiksi alhaisia, ja ne pienenevät entisestään liimaamalla. Edullisuutensa vuoksi ferriittimagneetteja käytetään edelleen laajalti, vaikka useimmat vastaavat magneettilaitteet ovat melko tilaa vieviä ja niiden suorituskyky on usein kaukana optimaalisesta. Ferriittiset kestomagneetit hallitsevat tällä hetkellä autoteollisuutta ja monia muita sovelluksia edullisten kustannustensa ja todistetun pitkäaikaisen stabiilisuutensa vuoksi (ks. alnikot ja kuusiferriitit).Harvinaisiin maametalleihin perustuvilla magneeteilla on korkeat koersiivisuusarvot, mikä antaa niille lineaariset demagnetoitumisominaisuudet (ks. harvinaisten maametallien magneetit: materiaalit). Niillä on korkea remanenssi, ja sintrattujen magneettien energiatuotteiden tyypilliset arvot ovat 150 kJ m-3 SmCo5:lle ja 300 kJ m-3 Nd2Fe14B:lle. Ensin mainittuja magneettityyppejä käytetään usein korkean lämpötilan sovelluksissa, mikä ei ole mahdollista sidotuissa magneeteissa (ks. Magneetit: Korkeat lämpötilat). SmCo5-tyyppiset magneetit ovat kalliita samariumin ja koboltin korkean hinnan vuoksi. NdFeB-magneettien tilanne on edullisempi, koska neodyymi on halvempaa kuin samarium ja rauta paljon halvempaa kuin koboltti, ja jauhemetallurgiset käsittelytaidot ovat vertailukelpoisia SmCo5-magneettien kanssa. Näin ollen Nd2Fe14B:n suorituskyvyn ja hinnan suhde on parempi kuin SmCo5:n. Vaikka sidottuja magneetteja voidaan valmistaa kaikista edellä mainituista materiaaleista, vain sidotut ferriittimagneetit ja sidotut Nd2Fe14B-magneetit ovat päässeet markkinoille merkittävässä määrin. Ferriittejä on helppo saada jauheena (ks. alnikot ja heksaferriitit). Ferriittijauheiden hieman erityisellä käsittelyllä saadaan aikaan kuusikulmaisia levyjä, jotka voidaan helposti kohdistaa mekaanisesti joustavien sidosmagneettien muodostusprosessin aikana. Tilanne on vaikeampi Nd2Fe14B:n tapauksessa, koska yksinkertaisella jauhemetallurgisella menetelmällä valetuista tai hehkutetuista Nd2Fe14B-harkoista ei yleensä saada aikaan jauheita, joiden koersiivisuus on riittävän korkea käytettäväksi sidosmagneeteissa. Koerktiivisia NdFeB-jauheita voidaan kuitenkin valmistaa sulakehräämällä (ks. Metallifilamentit). Tässä tekniikassa sulan seoksen hieno virta ruiskutetaan nopeasti pyörivän pyörän ulkopinnalle, jolloin syntyy ohuita nopeasti sammutettuja nauhoja tai hiutaleita. Sulakehityksen aikana materiaali suojataan hapettumiselta suorittamalla prosessi suojakaasussa tai tyhjiössä. Sammutusnopeus on suuruusluokkaa 105 K s-1, ja sitä voidaan muuttaa muuttamalla kehruupyörän pyörimisnopeutta. Eri sammutusnopeudet johtavat erilaisiin mikrorakenteisiin, jotka puolestaan määräävät sulakehrätyn materiaalin magneettiset ominaisuudet. Optimaaliset sulakehitysolosuhteet johtavat nanokiteiseen seokseen, joka koostuu hienoista (tyypillisesti 30 nm) Nd2Fe14B-yhdisteen rakeista, joita ympäröi ohut kerros neodyymirikasta eutektista faasia. Käytännössä luotettavampia ja toistettavampia tuloksia saadaan käyttämällä hieman suurempaa sammutusnopeutta ja hehkuttamalla sulakehrättyä materiaalia tarkoin valvotuissa olosuhteissa. Sulakehrätty materiaali on melko haurasta, ja se voidaan jauhaa hienoksi jauheeksi, joka soveltuu sidottujen magneettien valmistukseen. Koska Nd2Fe14B-rakeilla on satunnainen suuntaus, nämä sidotut magneetit ovat isotrooppisia. Pallomaiset jauhepartikkelit virtaavat paremmin ruiskuvaluprosessissa, mikä mahdollistaa suuremman latauskertoimen. Tällaista jauhetta voidaan valmistaa inertin kaasun atomisointiprosessilla, jossa hiukkasten keskihalkaisija on tyypillisesti 45 mm. Atomisointiprosessin lisäetuna on jauheiden korkea tuotantonopeus ja alhaiset prosessointikustannukset (Ma et al. 2002). erilainen reitti, joka johtaa koersiivisiin NdFeB-jauheisiin, on niin sanottu HDDR-prosessi (ks. Magneetit: HDDR-prosessoitu). Tähän prosessiin kuuluu periaatteessa neljä vaihetta: Nd2Fe14B:n vetykäsittely matalissa lämpötiloissa, Nd2Fe14BHx:n hajoaminen NdH2.7:ksi + Fe + Fe2B:ksi, H2-kaasun desorptio NdH2.7:stä ja Nd + Fe + Fe2B:n rekombinaatio Nd2Fe14B:ksi. Prosessi hyötyy siitä, että Nd2Fe14B-rakeiden muodostuminen viimeisessä vaiheessa on kiinteässä tilassa tapahtuva reaktio, joten se etenee huomattavasti hitaammin kuin tavanomaisen valuprosessin aikana tapahtuva jähmettyminen sulasta. Keskimääräinen Nd2Fe14B:n raekoko pysyy nanometrin alueella ja johtaa riittävän suuriin koerciviteetteihin.Toinen etu on se, että HDDR-prosessia voidaan menestyksekkäästi käyttää anisotrooppisten hiukkasten valmistukseen. Takeshita ja Nakayama (1992) havaitsivat, että erityisesti zirkoniumin, hafniumin ja galliumin lisäaineet ovat erittäin tehokkaita anisotrooppisen HDDR-jauheen tuottamisessa. Tarvittavan lisäaineen määrä on yllättävän pieni (esimerkiksi Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Harrisin (1992) kuvaamat mikroskooppiset tutkimukset osoittivat, että seoksen alkuperäisen valurakeen sisälle oli muodostunut suuria fasettimaisia HDDR-hiukkasia. Näillä fasettijyvillä on yhteinen suuntaus, joka on todennäköisesti sama kuin alkuperäisen jyvän suuntaus. Nd12,5Fe75,9Co11,5B8Zr0,1:n kaltaisten seosten HDDR-jauheiden anisotrooppinen luonne voidaan näin ollen havainnollistaa olettamalla, että HDDR-rakeet ovat syntyneet ja kasvaneet alkuperäisen valurakeen sisällä submikronisista rakeista, joilla on yhteinen suuntaus (Harris 1992).Ilmeisesti lisäaineen vaikutus on saada aikaan ydintymiskeskuksia HDDR-rakeiden ydintymiselle ja kasvulle, jolloin jälkimmäiset rakeet ovat säilyttäneet alkuperäisen valurakeen orientaation.Tomida et al. (1996) ovat käyttäneet röntgendiffraktiota korrelaation määrittämiseksi lopullisen HDDR-jauheen anisotrooppisen luonteen ja vetykehitysprosessissa reagoimatta jääneen Nd2Fe14B-faasin määrän välillä. TEM-tutkimukset, jotka Tomida et al. tekivät optimaalisissa energiatuoteolosuhteissa hydratusta jauheesta, osoittivat, että hydratuksen jälkeen jauhe koostuu pääasiassa karkearakeisesta α-Fe:stä ja Fe2B:stä, joiden väliin on upotettu nanokiteisiä hiukkasia. Nämä hiukkaset tunnistettiin elektronidiffraktiolla NdH2-hiukkasiksi. Monet hiukkasista tunnistettiin kuitenkin Nd2Fe14B-hiukkasiksi, joiden kiteellinen suuntautuneisuus oli lähes sama kuin alkuperäisten valettujen Nd2Fe14B-rakeiden. Energiadispersiiviset spektrit osoittivat lisäksi, että näiden hiukkasten koboltti- ja galliumkonsentraatio on korkeampi kuin lähtöseoksen keskimääräinen konsentraatio. Nämä tulokset ovat saaneet Tomidan et al. ehdottamaan, että tämäntyyppiset nanokiteiset Nd2Fe14B-hiukkaset toimivat rekombinaatioprosessin käynnistyskeskuksina ja ovat HDDR-jauheiden orientaatiomuisti-ilmiön alkuperä.Toinen lupaavalta vaikuttava materiaaliryhmä ovat nanokiteiset harvinaisiin maametalleihin perustuvat komposiittimagneetit. Erityisolosuhteissa kaksivaiheiset komposiittimateriaalit voivat osoittaa mielenkiintoisinta koersiivisuuskäyttäytymistä. Tällaista käyttäytymistä ovat kuvanneet Kneller ja Hawig (1991), jotka tutkivat kahden hienojakoisen ja toisiinsa vaihtokytketyn magneettisen faasin yhteisvaikutusta. Toisella näistä faaseista on suuri yksiakselinen anisotrooppisuusvakio ja se pystyy tuottamaan suuren koersiivisuuden. Sen sijaan toinen faasi on magneettisesti pehmeä. Sillä on suurempi magneettinen järjestymislämpötila ja samalla suurempi keskimääräinen vaihtoenergia kuin kovalla faasilla. Pehmeän faasin verrattain suuri kyllästysmagnetoituminen antaa komposiittimagneetille korkean remanenssin, kun se on vaihtokytketty kovaan faasiin. Mahdollisuus valmistaa magneetteja, joilla on remanenssin tehostaminen, on käynnistänyt laajan tutkimuksen tällä alalla (ks. Magneetit: remanenssin tehostaminen).Useimmissa järjestelmissä, joiden remanenssin tehostamisesta on raportoitu, magneettisesti pehmeä faasi on α-Fe tai rauta- tai kobolttipitoinen seos. Esimerkkejä magneettisesti kovista faaseista ovat Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 ja Nd(Fe,Mo)12Nx. Kaikkien näiden komposiittimagneettien mikrorakenteille on yhteistä se, että ne koostuvat magneettisten hiukkasten hyvin hienojakoisesta jakaumasta, joka on nanometrin luokkaa. Tämän hienojakoisuuden aikaansaamiseksi käytetään erilaisia tekniikoita, kuten sulakehruuta ja mekaanista seostamista (ks. kohta Magneetit: mekaanisesti seostetut magneetit). Tätä materiaaliryhmää kutsutaan laihoiksi harvinaisten maametallien kestomagneeteiksi. Niiden etuna tavanomaisiin seoksiin verrattuna on niiden erinomainen korroosionkestävyys ja se, että ne saavuttavat kyllästymisen verrattain pienessä kentässä. Haittapuolena on niiden suhteellisen alhainen koersiivisuus. Mahdollisuutta käyttää näitä materiaaleja hartsisidoksissa olevissa magneeteissa on kuvannut Croat (1997).Toinen mielenkiintoinen materiaaliryhmä ovat välitilassa modifioidut R2Fe17-yhdisteet. Vaikka alhaiset Curie-lämpötilat ja verrattain alhaiset magneettikiteiset anisotropiat tekevät R2Fe17-yhdisteistä vähemmän houkuttelevia kestomagneettimateriaaleiksi, Curie-lämpötilan anisotropian ja koersiivisuuden suhteen on saavutettu huomattavia parannuksia muodostamalla interstitiaalisia kiinteitä liuoksia, jotka on saatu yhdistämällä näitä materiaaleja hiilen tai typen kanssa. Vastaavien ternääristen nitridien ja karbidien R2Fe17Cx ja R2Fe17Nx koostumuksen uskotaan yleensä rajoittuvan alueelle 0≤x≤3. Yksityiskohtaisempia tietoja muodostumisalueista ja interstitiaalisten atomien sijoittumisesta ristikkoon on kuvattu Fujii ja Sunin (1995) katsauksessa. typetetyistä Sm2Fe17-jauheista on valmistettu hartsisidonnaisia magneetteja, joiden BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T ja μoBHc = 6,5 T. Korkean lämpötilan sovelluksiin soveltuvien magneettikappaleiden edullisen alhaisen lämpötilakertoimen tutkimiseksi Rodewald et al. (1993) ja Kuhrt et al. (1993) ovat tutkineet tina- ja sinkkisidottuja magneetteja. Näissä tapauksissa saadut remanenssit olivat kuitenkin melko alhaisia (Br<0,7 T).