Alnico

2 The Permanent Magnet Materials

A jelenleg leggyakrabban használt mágnestípusok a kemény ferritmágnesek, a ritkaföldfém alapú mágnesek, mint az SmCo vagy NdFeB, és az alnico típusú mágnesek. Ezek közül az alnico mágnesek csak szerény koercitivitással rendelkeznek, ami nemlineáris demagnetizációs jellemzőkhöz vezet. Emiatt alkalmazhatóságuk nagyon korlátozott a másik két típushoz képest. A kemény ferritek koercitivitása nagyobb, mint az alnico mágneseké, és demagnetizálási jellemzőik lineárisak. A remanencia és az ezzel együtt járó maximális energiatermék azonban eleve alacsony, és a kötéssel tovább csökken. Alacsony költségük miatt a ferritmágneseket még mindig széles körben alkalmazzák, bár a megfelelő mágneses eszközök többsége meglehetősen terjedelmes, és gyakran messze nem nyújtanak optimális teljesítményt. A ferrit állandó mágnesek jelenleg az autóiparban és számos más alkalmazásban dominálnak alacsony költségük és bizonyított hosszú távú stabilitásuk miatt (lásd Alnicos és Hexaferrites).A ritkaföldfém alapú mágnesek nagy koercitivitási értékekkel rendelkeznek, ami lineáris demagnetizációs jellemzőket biztosít számukra (lásd Ritkaföldfém mágnesek: Anyagok). Magas remanenciával rendelkeznek, és a szinterezett mágnesekben elért energiatermékek tipikus értékei 150 kJ m-3 az SmCo5 esetében és 300 kJ m-3 az Nd2Fe14B esetében. Az előbbi típusú mágneseket gyakran használják magas hőmérsékletű alkalmazásokban, amely lehetőség a ragasztott mágneseknél elveszik (lásd Mágnesek: Magas hőmérséklet). Az SmCo5 típusú mágnesek a szamárium és a kobalt magas ára miatt drágák. Az NdFeB mágnesek esetében a helyzet kedvezőbb, mivel a neodímium olcsóbb, mint a szamárium, a vas pedig sokkal olcsóbb, mint a kobalt, a porkohászati feldolgozási művészet pedig hasonló az SmCo5 mágnesekéhez. Ezért az Nd2Fe14B esetében a teljesítmény/ár arány jobb, mint az SmCo5 esetében. Ezért a szinterezett Nd2Fe14B mágnesek piaca virágzott és még mindig növekszik (lásd Mágnesek: szinterezettek).Bár a fent említett anyagok mindegyikéből gyárthatók kapcsolt mágnesek, csak a kapcsolt ferritmágnesek és a kapcsolt Nd2Fe14B mágnesek terjedtek el számottevő mértékben a piacon. A ferritek könnyen beszerezhetők por alakban (lásd Alnicok és Hexaferritek). A ferritporok némileg speciális feldolgozása hatszögletű lemezkéket eredményez, amelyek a rugalmas kötésű mágnesek kialakítási folyamata során mechanikusan könnyen igazíthatók. Az Nd2Fe14B esetében nehezebb a helyzet, mivel az öntött vagy lágyított Nd2Fe14B-blokkokból történő egyszerű porkohászati eljárás általában nem vezet kellően nagy koercitivitású porokhoz a ragasztott mágnesekben való felhasználáshoz. A koercitív NdFeB porok azonban olvadékfonással előállíthatók (lásd Fémszálak). Ennél a technikánál az olvadt ötvözet finom áramát egy gyorsan forgó kerék külső felületére permetezik, ami vékony, gyorsan olvadó szalagokat vagy pelyheket eredményez. Az olvadékfonás során az anyagot úgy védik az oxidációtól, hogy a folyamatot védőgázban vagy vákuumban végzik. A kioltási sebesség 105 K s-1 nagyságrendű, és a fonókerék forgási sebességének változtatásával változtatható. A különböző kioltási sebességek különböző mikroszerkezetekhez vezetnek, amelyek viszont meghatározzák az olvadékban fonott anyag mágneses tulajdonságait. Az optimális olvadékfonási körülmények olyan nanokristályos ötvözetet eredményeznek, amely a Nd2Fe14B vegyület finom szemcséiből (jellemzően 30 nm) áll, és amelyet egy vékony neodímiumban gazdag eutektikus fázis vesz körül. A gyakorlatban megbízhatóbb és reprodukálhatóbb eredmények érhetők el, ha valamivel magasabb olvasztási sebességet alkalmazunk, és ezt követően az olvadékból sodort anyagot gondosan ellenőrzött körülmények között izzítjuk. Az olvadékban fonott anyag meglehetősen rideg, és finom porrá őrölhető, amely alkalmas a ragasztott mágnesek gyártására. Mivel az Nd2Fe14B szemcsék véletlenszerű orientációval rendelkeznek, ezek a kapcsolt mágnesek izotrópok. A gömb alakú porszemcsék jobban áramlanak a fröccsöntési folyamatban, ami nagyobb töltési tényezőt tesz lehetővé. Az ilyen por inert gázzal történő porlasztási eljárással állítható elő, a részecskék átlagos átmérőjének tipikus értékei 45 mm. A porlasztási eljárás további előnye a porok nagy gyártási sebessége és alacsony feldolgozási költsége (Ma és mtsai. 2002) A koercitív NdFeB porokhoz vezető másik út az úgynevezett HDDR-eljárás (lásd Mágnesek: HDDR-eljárás). Ez a folyamat lényegében négy lépésből áll: az Nd2Fe14B hidrogénezése alacsony hőmérsékleten, az Nd2Fe14BHx bomlása NdH2,7 + Fe + Fe2B-re, a H2 gáz deszorpciója az NdH2,7-ből, és az Nd + Fe + Fe2B rekombinációja Nd2Fe14B-vé. Ez a folyamat abból a tényből profitál, hogy az Nd2Fe14B szemcsék képződése az utolsó lépésben szilárd halmazállapotú reakció, és ezért lényegesen kisebb sebességgel megy végbe, mint az olvadékból történő megszilárdulás során a normál öntési folyamat során. Az átlagos Nd2Fe14B szemcseméret a nanométeres tartományban marad, és kellően nagy koercitivitásokat eredményez.További előny, hogy a HDDR-eljárás sikeresen alkalmazható anizotróp részecskék előállítására. Takeshita és Nakayama (1992) felfedezte, hogy különösen a cirkónium, hafnium és gallium adalékanyagok nagyon hatékonyak az anizotróp HDDR por előállításában. A szükséges adalékanyag mennyisége meglepően kicsi (például Nd12,5Fe69,9Co11,5B6Zr0,1). A Harris (1992) által leírt mikroszkópos vizsgálatok kimutatták, hogy az ötvözet eredeti, öntött állapotban lévő szemcséin belül nagy, fazettált HDDR szemcsék alakultak ki. Ezek a fazettált szemcsék közös orientációval rendelkeznek, amely valószínűleg megegyezik az eredeti szemcsék orientációjával. Az olyan ötvözetek HDDR porainak anizotróp jellege, mint az Nd12,5Fe75,9Co11,5B8Zr0,1, így szemléltethető, ha feltételezzük, hogy a HDDR szemcsék egy eredeti, öntött szemcsés területen belül nukleálódtak és nőttek szubmikronos szemcsékből, amelyek közös orientációval rendelkeznek (Harris 1992).Nyilvánvalóan az adalékanyag hatása az, hogy magképző központokat hoz létre a HDDR szemcsék magképződéséhez és növekedéséhez, az utóbbi szemcsék megtartották az eredeti öntött szemcsék orientációját. Tomida és munkatársai (1996) röntgendiffrakcióval összefüggést állapítottak meg a végső HDDR por anizotróp jellege és a hidrogénezési folyamat során nem reagált Nd2Fe14B fázis mennyisége között. A Tomida et al. által optimális energiatermék körülmények között hidrogénezett poron végzett TEM-vizsgálatok azt mutatták, hogy a hidrogénezés után a por főként durva szemcséjű α-Fe és Fe2B porból áll, amelyek közé nanokristályos részecskék ágyazódtak be. Ezeket a részecskéket elektrondiffrakcióval NdH2-részecskékként azonosították. Sok részecskét azonban Nd2Fe14B részecskeként azonosítottak, amelyek kristályrajzi orientációja majdnem megegyezik az eredeti öntött Nd2Fe14B szemcsékével. Az energiadiszperzív spektrumok továbbá azt mutatták, hogy ezek a részecskék magasabb kobalt- és galliumkoncentrációjúak, mint ami a kiindulási ötvözet átlagos koncentrációjának felel meg. Ezek az eredmények arra vezették Tomida és munkatársait, hogy azt javasolják, hogy az ilyen típusú nanokristályos Nd2Fe14B részecskék a rekombinációs folyamatban iniciációs központként szolgálnak, és a HDDR porok orientációs memóriahatásának eredete.Az anyagok egy másik, ígéretesnek tűnő kategóriája a nanokristályos ritkaföldfém alapú kompozit mágnesek. Speciális körülmények között a kétfázisú kompozit anyagok igen érdekes koercitív viselkedést mutathatnak. Ilyen viselkedést írt le Kneller és Hawig (1991), akik két finoman diszpergált és egymással cserekapcsolt mágneses fázis együttes hatását vizsgálták. Az egyik ilyen fázis nagy egytengelyű anizotrópiaállandóval rendelkezik, és képes nagy koercitivitást létrehozni. Ezzel szemben a második fázis mágnesesen lágy. Nagyobb mágneses rendeződési hőmérséklettel és ezzel egyidejűleg nagyobb átlagos csereenergiával rendelkezik, mint a kemény fázis. A lágy fázis viszonylag magas telítési mágnesezettsége az, ami a kemény fázissal való cserekapcsoláskor magas remanenciát biztosít a kompozit mágnesnek. A remanencia-növelést mutató mágnesek előállításának lehetősége széleskörű kutatásokat indított el ezen a területen (lásd Mágnesek: remanencia-növelés).A legtöbb olyan rendszerben, amelyre remanencia-növelésről számoltak be, a mágnesesen lágy fázis α-Fe vagy vasban vagy kobaltban gazdag ötvözet. A mágnesesen kemény fázisokra példa a Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 és Nd(Fe,Mo)12Nx. Mindezen kompozit mágnesek mikroszerkezete közös abban, hogy a mágneses részecskék nagyon finom, a nanométeres tartományba eső eloszlásából állnak. Ennek a finom eloszlásnak az eléréséhez különböző technikákat alkalmaznak, beleértve az olvasztópörgetést és a mechanikai ötvözést (lásd Mágnesek: Mechanikusan ötvözött mágnesek). Az anyagoknak ezt a csoportját sovány ritkaföldfém állandó mágneseknek nevezik. Előnyük a standard ötvözetekkel szemben a kiváló korrózióállóság és az a tény, hogy viszonylag kis alkalmazott térben elérik a telítettséget. Hátrányuk a viszonylag alacsony koercitásuk. Ezen anyagok műgyanta kötésű mágnesekben való felhasználásának lehetőségét Croat (1997) írta le.Az anyagok másik érdekes csoportját az interstitialisan módosított R2Fe17 vegyületek alkotják. Bár az alacsony Curie-hőmérséklet és a viszonylag alacsony mágneskristályos anizotrópia miatt az R2Fe17 vegyületek kevésbé vonzóak az állandó mágneses anyagként való alkalmazás szempontjából, jelentős javulást értek el a Curie-hőmérséklet anizotrópiája és koercitása tekintetében azáltal, hogy ezeket az anyagokat szénnel vagy nitrogénnel kombinálva interstitialis szilárd oldatokat képeztek. A megfelelő terner nitridek és karbidok R2Fe17Cx és R2Fe17Nx összetételét általában a 0≤x≤3 tartományra korlátozzák. A képződési tartományokról és az interstitiális atomok helyéről a rácsban további részleteket Fujii és Sun (1995) áttekintésében olvashatunk. nitrogénezett Sm2Fe17 porokból gyantakötésű mágneseket állítottak elő BHmax =136 kJm-3, Br = 9 értékkel.0 T, és μoBHc = 6,5 T. A magas hőmérsékletű alkalmazásokra alkalmas mágnestestek koercitivitásának kedvezően alacsony hőmérsékleti együtthatójának feltárására Rodewald és társai (1993) és Kuhrt és társai (1993) ón- és cinkkötésű mágneseket vizsgáltak. Ezekben az esetekben azonban a kapott remanenciák meglehetősen alacsonyak voltak (Br<0,7 T).