Alnico

2 I materiali per magneti permanenti

I tipi più comuni di magneti usati attualmente sono magneti in ferrite dura, magneti a base di terre rare come SmCo o NdFeB, e magneti di tipo alnico. Di questi, i magneti in alnico hanno solo una modesta coercitività che porta a caratteristiche di smagnetizzazione non lineari. Per questo motivo la loro applicabilità è molto limitata rispetto agli altri due tipi. Le ferriti dure hanno coercitività più elevate dei magneti in alnico e le loro caratteristiche di smagnetizzazione sono lineari. Tuttavia, la rimanenza e il prodotto energetico massimo concomitante sono già bassi e sono ulteriormente diminuiti dall’incollaggio. A causa del loro basso costo, i magneti in ferrite sono ancora ampiamente applicati, anche se la maggior parte dei dispositivi magnetici corrispondenti sono piuttosto ingombranti e spesso danno prestazioni tutt’altro che ottimali. I magneti permanenti in ferrite dominano attualmente il settore automobilistico e molte altre applicazioni grazie al loro basso costo e alla provata stabilità a lungo termine (vedi Alnicos e Hexaferrites).I magneti a base di terre rare hanno alti valori di coercitività che dà loro caratteristiche di smagnetizzazione lineare (vedi Magneti in terre rare: Materiali). Hanno alte rimanenze e i valori tipici dei prodotti energetici raggiunti nei magneti sinterizzati sono 150 kJ m-3 per SmCo5, e 300 kJ m-3 per Nd2Fe14B. I primi tipi di magneti sono frequentemente usati in applicazioni ad alta temperatura, possibilità che viene persa nei magneti legati (vedi Magneti: Alta temperatura). I magneti di tipo SmCo5 sono costosi a causa dell’alto prezzo del samario e del cobalto. La situazione è più favorevole per i magneti NdFeB perché il neodimio è più economico del samario e il ferro è molto più economico del cobalto, le arti di lavorazione metallurgica delle polveri sono paragonabili a quelle di SmCo5. Quindi il rapporto prestazione/prezzo per Nd2Fe14B è migliore che per SmCo5. Per questa ragione il mercato dei magneti sinterizzati Nd2Fe14B è fiorito e sta ancora crescendo (vedi Magneti: Sinterizzati).Anche se i magneti legati possono essere fabbricati da tutti i materiali menzionati sopra, solo i magneti in ferrite legati e i magneti legati Nd2Fe14B sono penetrati nel mercato in misura apprezzabile. Le ferriti possono essere facilmente ottenute in polvere (vedi Alnicos e Hexaferrites). Un trattamento un po’ speciale delle polveri di ferrite porta a piastrine esagonali che possono essere facilmente allineate meccanicamente durante il processo di formazione di magneti flessibili incollati. La situazione è più difficile nel caso di Nd2Fe14B, perché un semplice percorso metallurgico delle polveri da lingotti di Nd2Fe14B fusi o ricotti non porta generalmente a polveri di coercitività sufficientemente alta per l’uso in magneti legati. Le polveri di NdFeB coercitive possono essere ottenute però tramite la filatura di fusione (vedi Filamenti metallici). In questa tecnica un sottile flusso di lega fusa viene spruzzato sulla superficie esterna di una ruota che gira rapidamente, portando a sottili nastri o fiocchi rapidamente estinti. Durante la filatura di fusione il materiale è protetto dall’ossidazione eseguendo questo processo in un’atmosfera protettiva o nel vuoto. Il tasso di estinzione è dell’ordine di 105 K s-1 e può essere variato cambiando la velocità di rotazione della ruota di filatura. Diversi tassi di estinzione portano a diverse microstrutture che a loro volta determinano le proprietà magnetiche del materiale filato. Le condizioni ottimali di filatura a fusione portano a una lega nanocristallina costituita da grani fini (tipicamente 30 nm) del composto Nd2Fe14B, circondato da un sottile strato di una fase eutettica ricca di neodimio. In pratica, risultati più affidabili e riproducibili possono essere ottenuti utilizzando un tasso di estinzione leggermente più alto e successivamente ricottura del materiale filato in condizioni attentamente controllate. Il materiale fuso è abbastanza fragile e può essere macinato in una polvere fine adatta alla produzione di magneti legati. Poiché i grani di Nd2Fe14B hanno un orientamento casuale, questi magneti legati sono isotropi. Le particelle di polvere di forma sferica scorrono meglio nel processo di stampaggio a iniezione, il che permette un fattore di carico più elevato. Tale polvere può essere preparata con un processo di atomizzazione di gas inerte con valori tipici per il diametro medio delle particelle di 45 mm. Un ulteriore vantaggio del processo di atomizzazione è l’alto tasso di produzione e i bassi costi di lavorazione delle polveri (Ma et al. 2002).Un percorso diverso che porta a polveri NdFeB coercitive consiste nel cosiddetto processo HDDR (vedi Magneti: Processato HDDR). Questo processo comporta essenzialmente quattro fasi: idrogenazione di Nd2Fe14B a basse temperature, decomposizione di Nd2Fe14BHx in NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorbimento del gas H2 da NdH2.7, e ricombinazione di Nd + Fe + Fe2B in Nd2Fe14B. Questo processo trae vantaggio dal fatto che la formazione di grani di Nd2Fe14B nell’ultima fase è una reazione allo stato solido e quindi procede ad una velocità notevolmente inferiore rispetto alla solidificazione dalla fusione durante un normale processo di fusione. La dimensione media dei grani di Nd2Fe14B rimane nell’intervallo nanometrico e dà luogo a coercitività sufficientemente grandi. Un ulteriore vantaggio è il fatto che il processo HDDR può essere utilizzato con successo per ottenere particelle anisotrope. Takeshita e Nakayama (1992) hanno scoperto che gli additivi di zirconio, afnio e gallio, in particolare, sono molto efficaci per produrre polvere HDDR anisotropa. La quantità di additivo richiesta è sorprendentemente piccola (per esempio, Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Le indagini microscopiche descritte da Harris (1992) hanno rivelato che grandi grani HDDR sfaccettati si sono formati all’interno del grano originale della lega. Questi grani sfaccettati hanno un orientamento comune, che è probabilmente lo stesso di quello del grano originale. La natura anisotropa delle polveri HDDR di leghe come Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 può quindi essere visualizzata assumendo che i grani HDDR si siano nucleati e cresciuti all’interno di una regione originale di grani as-cast da grani submicron, questi ultimi con un orientamento comune (Harris 1992).Tomida et al. (1996) hanno usato la diffrazione dei raggi X per stabilire una correlazione tra la natura anisotropa della polvere HDDR finale e la quantità di fase Nd2Fe14B rimasta non reagita nel processo di idrogenazione. Gli studi TEM fatti da Tomida et al. sulla polvere idrogenata nelle condizioni ottimali del prodotto energetico hanno mostrato che dopo l’idrogenazione la polvere consiste principalmente di α-Fe e Fe2B a grana grossa, con particelle nanocristalline incorporate nel mezzo. Queste particelle sono state identificate dalla diffrazione elettronica come particelle NdH2. Tuttavia, molte delle particelle sono state identificate come particelle Nd2Fe14B che hanno un orientamento cristallografico quasi uguale a quello dei grani Nd2Fe14B originali fusi. Gli spettri a dispersione di energia hanno inoltre mostrato che queste particelle hanno una concentrazione di cobalto e gallio superiore a quella corrispondente alla concentrazione media della lega di partenza. Questi risultati hanno portato Tomida et al. a proporre che questo tipo di particelle nanocristalline Nd2Fe14B servono come centri di iniziazione nel processo di ricombinazione e sono l’origine dell’effetto di memoria orientativa nelle polveri HDDR. In circostanze particolari, i materiali compositi a due fasi possono dimostrare un comportamento di coercitività molto interessante. Un tale comportamento è stato descritto da Kneller e Hawig (1991), che hanno studiato l’effetto combinato di due fasi magnetiche finemente disperse e reciprocamente accoppiate a scambio. Una di queste fasi ha una grande costante di anisotropia monoassiale ed è in grado di generare un’alta coercitività. Al contrario, la seconda fase è magneticamente morbida. Ha una temperatura di ordinamento magnetico più grande e, contemporaneamente, un’energia di scambio media più grande rispetto alla fase dura. È la magnetizzazione di saturazione relativamente alta della fase morbida che, quando quest’ultima è accoppiata per scambio alla fase dura, fornisce un’alta rimanenza al magnete composito. La possibilità di preparare magneti che mostrano un aumento della rimanenza ha innescato una vasta ricerca in questo settore (vedi Magneti: Aumento della rimanenza). Nella maggior parte dei sistemi per i quali è stato riportato l’aumento della rimanenza, la fase magneticamente morbida è α-Fe o una lega ricca di ferro o cobalto. Esempi di fasi magneticamente dure sono Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17, e Nd(Fe,Mo)12Nx. Le microstrutture di tutti questi magneti compositi hanno in comune il fatto che consistono in una distribuzione molto fine delle particelle magnetiche, che rientrano nella gamma dei nanometri. Per raggiungere questa distribuzione fine vengono impiegate varie tecniche, tra cui la filatura in fusione e la legatura meccanica (vedi Magneti: Legati meccanicamente). Questo gruppo di materiali è indicato come magneti permanenti di terre rare magre. I loro vantaggi rispetto alle leghe standard sono la loro eccellente resistenza alla corrosione e il fatto che raggiungono la saturazione in un campo applicato relativamente basso. Uno svantaggio è la loro coercitività relativamente bassa. La possibilità di usare questi materiali in magneti legati alla resina è stata descritta da Croat (1997).Un altro gruppo interessante di materiali sono i composti R2Fe17 modificati interstizialmente. Anche se le basse temperature di Curie e le anisotropie magnetocristalline relativamente basse rendono i composti R2Fe17 meno attraenti per le applicazioni come materiali magnetici permanenti, notevoli miglioramenti rispetto all’anisotropia della temperatura di Curie e alla coercitività sono stati raggiunti formando soluzioni solide interstiziali ottenute combinando questi materiali con carbonio o azoto. La composizione dei corrispondenti nitruri e carburi ternari R2Fe17Cx e R2Fe17Nx è generalmente ritenuta limitata all’intervallo 0≤x≤3. Maggiori dettagli sugli intervalli di formazione e la posizione degli atomi interstiziali del reticolo sono descritti nella recensione di Fujii e Sun (1995).Magneti legati alla resina da polveri Sm2Fe17 nitrogenate sono stati preparati con BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, e μoBHc = 6,5 T. Per esplorare il coefficiente di temperatura favorevolmente basso della coercitività in corpi magnetici adatti per applicazioni ad alta temperatura Rodewald et al. (1993) e Kuhrt et al. (1993) hanno studiato magneti legati allo stagno e allo zinco. In questi casi, tuttavia, le rimanenze ottenute erano piuttosto basse (Br<0,7 T).