Alnico

2 The Permanent Magnet Materials

De meest gebruikte typen magneten zijn tegenwoordig harde ferrietmagneten, magneten op basis van zeldzame aarden, zoals SmCo of NdFeB, en alnico-type magneten. Hiervan hebben de alnico-magneten slechts een bescheiden coërciviteit, wat leidt tot niet-lineaire demagnetiseringskenmerken. Om deze reden is hun toepasbaarheid zeer beperkt in vergelijking met de andere twee typen. De harde ferrieten hebben hogere coërciviteiten dan de alnico magneten en hun demagnetiseereigenschappen zijn lineair. De remanentie en het daarmee samenhangende maximale energieproduct zijn echter al laag en worden nog verder verlaagd door binding. Vanwege hun lage kostprijs worden ferrietmagneten nog steeds op grote schaal toegepast, hoewel de meeste van de overeenkomstige magnetische inrichtingen nogal omvangrijk zijn en vaak verre van optimale prestaties leveren. Ferriet permanente magneten domineren momenteel de automobielindustrie en vele andere toepassingen vanwege hun lage kosten en bewezen stabiliteit op lange termijn (zie Alnicos en Hexaferrites).De op zeldzame aarden gebaseerde magneten hebben hoge coërciviteitswaarden, waardoor ze lineaire demagnetiseringskenmerken hebben (zie Rare Earth Magnets: Materials). Zij hebben hoge remanenties en typische waarden van de energieproducten die in gesinterde magneten worden bereikt zijn 150 kJ m-3 voor SmCo5, en 300 kJ m-3 voor Nd2Fe14B. De eerste typen magneten worden vaak gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen, welke mogelijkheid bij gebonden magneten verloren gaat (zie Magneten: Hoge temperatuur). SmCo5-type magneten zijn duur door de hoge prijs van zowel samarium als kobalt. Voor NdFeB-magneten is de situatie gunstiger, omdat neodymium goedkoper is dan samarium en ijzer veel goedkoper dan kobalt, waarbij de poedermetallurgische verwerkingskunsten vergelijkbaar zijn met die van SmCo5. De verhouding tussen prestaties en prijs is voor Nd2Fe14B dan ook beter dan voor SmCo5. Daarom is de markt voor gesinterde Nd2Fe14B-magneten tot bloei gekomen en groeit nog steeds (zie Magneten: Gesinterd).Hoewel gebonden magneten uit alle bovengenoemde materialen kunnen worden vervaardigd, zijn alleen gebonden ferrietmagneten en gebonden Nd2Fe14B-magneten noemenswaardig in de markt doorgedrongen. De ferrieten kunnen gemakkelijk in poedervorm worden verkregen (zie Alnicos en Hexaferrieten). Een enigszins speciale bewerking van de ferrietpoeders leidt tot zeshoekige plaatjes die gemakkelijk mechanisch kunnen worden uitgelijnd tijdens het vormingsproces van flexibel gebonden magneten. De situatie is moeilijker in het geval van Nd2Fe14B, omdat een eenvoudige poedermetallurgische route uit gegoten of uitgegloeide Nd2Fe14B ingots in het algemeen niet leidt tot poeders met een voldoende hoge coërciviteit voor gebruik in gebonden magneten. Coërcieve NdFeB-poeders kunnen echter worden verkregen door smeltspinnen (zie Metallic Filaments). Bij deze techniek wordt een fijne stroom gesmolten legering op het buitenoppervlak van een snel draaiend wiel gespoten, waardoor dunne, snel uitgebluste linten of vlokken ontstaan. Tijdens het smeltspinnen wordt het materiaal tegen oxidatie beschermd door dit proces in een beschermende atmosfeer of in vacuüm uit te voeren. De afschriksnelheid ligt in de orde van 105 K s-1 en kan worden gevarieerd door de rotatiesnelheid van het spinnewiel te wijzigen. Verschillende afschriksnelheden leiden tot verschillende microstructuren, die op hun beurt bepalend zijn voor de magnetische eigenschappen van het melt spun materiaal. Optimale smeltspincondities leiden tot een nanokristallijne legering bestaande uit fijne korrels (typisch 30 nm) van de verbinding Nd2Fe14B, omgeven door een dunne laag van een neodymium-rijke eutectische fase. In de praktijk kunnen meer betrouwbare en reproduceerbare resultaten worden verkregen door een iets hogere afschriksnelheid te gebruiken en het melt spun-materiaal vervolgens onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden te gloeien. Het melt spun materiaal is tamelijk bros en kan worden vermalen tot een fijn poeder dat geschikt is voor de vervaardiging van gebonden magneten. Omdat de Nd2Fe14B-korrels een willekeurige oriëntatie hebben, zijn deze gebonden magneten isotroop. Poederdeeltjes met een sferische vorm vloeien beter in het spuitgietproces, waardoor een hogere beladingsgraad mogelijk is. Dergelijk poeder kan worden bereid door middel van een verstuivingsproces met inert gas, met typische waarden voor de gemiddelde deeltjesdiameter van 45 mm. Een bijkomend voordeel van het verstuivingsproces is de hoge productiesnelheid en de lage verwerkingskosten van de poeders (Ma et al. 2002).Een andere route die leidt tot coërcieve NdFeB-poeders bestaat uit het zogenaamde HDDR-proces (zie Magneten: HDDR Verwerkt). Dit proces omvat in wezen vier stappen: hydrogenering van Nd2Fe14B bij lage temperaturen, ontleding van Nd2Fe14BHx tot NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorptie van H2-gas uit NdH2.7, en recombinatie van Nd + Fe + Fe2B tot Nd2Fe14B. Dit proces profiteert van het feit dat de vorming van Nd2Fe14B-korrels in de laatste stap een reactie in vaste toestand is en dus met een aanzienlijk lagere snelheid verloopt dan bij het stollen uit de smelt tijdens een normaal gietproces. De gemiddelde korrelgrootte van Nd2Fe14B blijft in het nanometergebied en geeft aanleiding tot voldoende grote coërciviteiten.Een ander voordeel is het feit dat het HDDR-proces met succes kan worden gebruikt om anisotrope deeltjes te verkrijgen. Takeshita en Nakayama (1992) hebben ontdekt dat met name additieven van zirkonium, hafnium en gallium zeer effectief zijn bij het produceren van anisotroop HDDR-poeder. De benodigde hoeveelheid additief is verrassend klein (bijvoorbeeld Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Microscopisch onderzoek, beschreven door Harris (1992), toonde aan dat zich grote gefacetteerde HDDR-korrels hadden gevormd binnen de oorspronkelijke gegoten korrel van de legering. Deze gefacetteerde korrels hebben een gemeenschappelijke oriëntatie, die waarschijnlijk dezelfde is als die van de oorspronkelijke korrel. De anisotrope aard van HDDR-poeders van legeringen zoals Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 kan dus worden gevisualiseerd door aan te nemen dat de HDDR-korrels zijn gekernen en gegroeid binnen een oorspronkelijke, gegoten korrelregio uit submicron-korrels, die een gemeenschappelijke oriëntatie hebben (Harris 1992).Tomida et al. (1996) hebben röntgendiffractie gebruikt om een correlatie vast te stellen tussen de anisotrope aard van het uiteindelijke HDDR-poeder en de hoeveelheid Nd2Fe14B-fase die tijdens het hydrogeneringsproces ongereageerd is gebleven. TEM-studies van Tomida et al. aan poeder dat is gehydrogeneerd onder optimale energieproductcondities toonden aan dat het poeder na hydrogenering voornamelijk bestaat uit grofkorrelig α-Fe en Fe2B, met daartussen ingebedde nanokristallijne deeltjes. Deze deeltjes werden met elektronendiffractie geïdentificeerd als NdH2-deeltjes. Veel van de deeltjes werden echter geïdentificeerd als Nd2Fe14B-deeltjes met een kristallografische oriëntatie die bijna dezelfde is als die van de oorspronkelijke gegoten Nd2Fe14B-korrels. Energiedispersieve spectra toonden bovendien aan dat deze deeltjes een hogere kobalt- en galliumconcentratie hebben dan overeenkomt met de gemiddelde concentratie van de beginlegering. Deze resultaten hebben Tomida et al. ertoe gebracht te suggereren dat dit type nanokristallijne Nd2Fe14B-deeltjes dienen als initiatiecentra in het recombinatieproces en de oorsprong zijn van het oriëntatiegeheugeneffect in HDDR-poeders.Een andere categorie materialen die veelbelovend lijkt te zijn, zijn nanokristallijne composietmagneten op basis van zeldzame aardmetalen. Onder speciale omstandigheden kunnen composietmaterialen met twee fasen een zeer interessant coërciviteitsgedrag vertonen. Een dergelijk gedrag is beschreven door Kneller en Hawig (1991), die het gecombineerde effect van twee fijn verdeelde en onderling in uitwisseling gekoppelde magnetische fasen onderzochten. Een van deze fasen heeft een grote uniaxiale anisotropieconstante en is in staat een hoge coërciviteit te genereren. De tweede fase daarentegen is magnetisch zacht. Zij heeft een grotere magnetische ordentemperatuur en gelijktijdig een grotere gemiddelde uitwisselingsenergie dan de harde fase. Het is de relatief hoge verzadigingsmagnetisatie van de zachte fase die, wanneer deze wordt uitgewisseld met de harde fase, zorgt voor een hoge remanentie van de samengestelde magneet. De mogelijkheid om magneten met remanentieverhoging te bereiden heeft geleid tot uitgebreid onderzoek op dit gebied (zie Magneten: Remanentieverhoging).In de meeste systemen waarvoor remanentieverhoging is gerapporteerd, is de magnetisch zachte fase α-Fe of een ijzer- of kobaltrijke legering. Voorbeelden van magnetisch harde fasen zijn Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17, en Nd(Fe,Mo)12Nx. De microstructuren van al deze samengestelde magneten hebben gemeen dat zij bestaan uit een zeer fijne verdeling van de magnetische deeltjes, vallend in het nanometergebied. Om deze fijne verdeling te bereiken worden verschillende technieken gebruikt, waaronder smeltspinnen en mechanisch legeren (zie Magneten: Mechanisch gelegeerd). Deze groep materialen wordt aangeduid als magere permanente zeldzame aardmagneten. Hun voordelen ten opzichte van de standaardlegeringen zijn hun uitstekende corrosiebestendigheid en het feit dat zij verzadiging bereiken bij een relatief laag toegepast veld. Een nadeel is hun betrekkelijk lage coërciviteit. De mogelijkheid om deze materialen te gebruiken in harsgebonden magneten is beschreven door Croat (1997).Een andere interessante groep materialen zijn interstitieel gemodificeerde R2Fe17-verbindingen. Hoewel de lage Curietemperaturen en relatief lage magnetokristallijne anisotrofen de R2Fe17-verbindingen minder aantrekkelijk maken voor toepassingen als permanente magneetmaterialen, zijn aanzienlijke verbeteringen met betrekking tot de Curietemperatuur anisotropie en coërciviteit bereikt door interstitiële vaste oplossingen te vormen die zijn verkregen door deze materialen te combineren met koolstof of stikstof. De samenstelling van de overeenkomstige ternaire nitriden en carbiden R2Fe17Cx en R2Fe17Nx wordt over het algemeen geacht beperkt te zijn tot het bereik 0≤x≤3. Meer details over de vormingsbereiken en de plaats van de interstitiële atomen in het rooster zijn beschreven in de review van Fujii en Sun (1995).Harsgebonden magneten uit genitrogeneerde Sm2Fe17 poeders zijn bereid met BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, en μoBHc = 6.5 T. Om de gunstige lage temperatuurcoëfficiënt van de coërciviteit in magneetlichamen geschikt voor hoge temperatuur toepassingen te onderzoeken hebben Rodewald et al. (1993) en Kuhrt et al. (1993) tin- en zinkgebonden magneten onderzocht. In deze gevallen waren de verkregen remanenties echter vrij laag (Br<0,7 T).