Alnico

2 The Permanent Magnet Materials

Najczęściej stosowane obecnie rodzaje magnesów to twarde magnesy ferrytowe, magnesy na bazie ziem rzadkich, takie jak SmCo lub NdFeB, oraz magnesy typu alnico. Spośród nich magnesy alnico mają jedynie niewielką koercję, co prowadzi do nieliniowej charakterystyki rozmagnesowania. Z tego powodu ich zastosowanie jest bardzo ograniczone w porównaniu z pozostałymi dwoma typami. Twarde ferryty mają wyższą koercję niż magnesy alnico, a ich charakterystyka rozmagnesowania jest liniowa. Jednakże, remanencja i związany z nią maksymalny produkt energetyczny są już niskie i ulegają dalszemu zmniejszeniu poprzez wiązanie. Ze względu na niski koszt, magnesy ferrytowe są nadal szeroko stosowane, chociaż większość odpowiadających im urządzeń magnetycznych jest raczej nieporęczna i często daje wyniki dalekie od optymalnych. Ferrytowe magnesy stałe dominują obecnie w motoryzacji i wielu innych zastosowaniach ze względu na ich niski koszt i udowodnioną długoterminową stabilność (patrz Alnicos i Hexaferrites).Magnesy oparte na ziemiach rzadkich mają wysokie wartości koercji, co daje im liniową charakterystykę rozmagnesowania (patrz Rare Earth Magnets: Materials). Mają one wysokie remanencje, a typowe wartości produktów energetycznych osiąganych w magnesach spiekanych wynoszą 150 kJ m-3 dla SmCo5 i 300 kJ m-3 dla Nd2Fe14B. Te pierwsze typy magnesów są często stosowane w aplikacjach wysokotemperaturowych, co nie jest możliwe w przypadku magnesów wiązanych (patrz Magnesy: Wysokie temperatury). Magnesy typu SmCo5 są drogie ze względu na wysoką cenę samaru i kobaltu. Sytuacja jest korzystniejsza w przypadku magnesów NdFeB, ponieważ neodym jest tańszy od samaru, a żelazo jest znacznie tańsze od kobaltu, przy czym sztuka obróbki metalurgicznej proszków jest porównywalna z tą dla SmCo5. Dlatego też stosunek wydajności do ceny dla Nd2Fe14B jest lepszy niż dla SmCo5. Z tego powodu rynek magnesów spiekanych Nd2Fe14B rozkwitł i nadal rośnie (patrz Magnesy: spiekane).Chociaż magnesy wiązane mogą być wytwarzane ze wszystkich materiałów wymienionych powyżej, jedynie magnesy ferrytowe wiązane i magnesy Nd2Fe14B wiązane przeniknęły na rynek w znaczącym stopniu. Ferryty można łatwo uzyskać w postaci proszku (patrz Alnicos i Hexaferrites). Nieco specjalna obróbka proszków ferrytowych prowadzi do uzyskania heksagonalnych płytek, które można łatwo wyrównać mechanicznie podczas procesu formowania elastycznych magnesów wiązanych. W przypadku Nd2Fe14B sytuacja jest trudniejsza, ponieważ prosta droga metalurgii proszków z odlewanych lub wyżarzanych wlewków Nd2Fe14B nie prowadzi generalnie do uzyskania proszków o wystarczająco wysokiej koercji do zastosowania w magnesach wiązanych. Proszki NdFeB o koercji można jednak otrzymać w procesie przędzenia stopionego metalu (patrz Filamenty metaliczne). W tej technice cienki strumień stopionego stopu jest natryskiwany na zewnętrzną powierzchnię szybko obracającego się koła, co prowadzi do powstania cienkich, szybko gaszonych wstęg lub płatków. Podczas przędzenia stopionego materiału jest on chroniony przed utlenianiem poprzez prowadzenie tego procesu w atmosferze ochronnej lub w próżni. Szybkość hartowania jest rzędu 105 K s-1 i może być zmieniana poprzez zmianę prędkości obrotowej wirówki. Różne szybkości hartowania prowadzą do powstania różnych mikrostruktur, które z kolei determinują właściwości magnetyczne przędzonego materiału. Optymalne warunki przędzenia prowadzą do uzyskania nanokrystalicznego stopu składającego się z drobnych ziaren (typowo 30 nm) związku Nd2Fe14B, otoczonego cienką warstwą bogatej w neodym fazy eutektycznej. W praktyce bardziej wiarygodne i powtarzalne wyniki można uzyskać, stosując nieco wyższą szybkość hartowania, a następnie wyżarzając materiał przędzony na gorąco w starannie kontrolowanych warunkach. Wytopiony materiał jest dość kruchy i może być zmielony na drobny proszek nadający się do produkcji magnesów wiązanych. Ponieważ ziarna Nd2Fe14B mają przypadkową orientację, magnesy te są izotropowe. Cząstki proszku o kulistym kształcie lepiej płyną w procesie formowania wtryskowego, co pozwala na uzyskanie wyższego współczynnika obciążenia. Taki proszek można przygotować w procesie rozpylania w gazie obojętnym, przy czym typowe wartości średniej średnicy cząstek wynoszą 45 mm. Dodatkową zaletą procesu atomizacji jest duża szybkość produkcji i niskie koszty przetwarzania proszków (Ma et al. 2002).Inną drogą prowadzącą do uzyskania koercyjnych proszków NdFeB jest tzw. proces HDDR (patrz Magnets: HDDR Processed). Proces ten obejmuje zasadniczo cztery etapy: uwodornienie Nd2Fe14B w niskiej temperaturze, rozkład Nd2Fe14BHx na NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorpcję gazu H2 z NdH2.7 oraz rekombinację Nd + Fe + Fe2B w Nd2Fe14B. Proces ten korzysta z faktu, że tworzenie ziaren Nd2Fe14B w ostatnim etapie jest reakcją zachodzącą w stanie stałym, a więc przebiega z szybkością znacznie mniejszą niż podczas krzepnięcia ze stopu w normalnym procesie odlewania. Średnia wielkość ziarna Nd2Fe14B pozostaje w zakresie nanometrów i daje wystarczająco duże koercyjności.Kolejną zaletą jest fakt, że proces HDDR może być z powodzeniem stosowany do otrzymywania cząstek anizotropowych. Takeshita i Nakayama (1992) odkryli, że dodatki cyrkonu, hafnu i galu, w szczególności, są bardzo skuteczne w produkcji anizotropowego proszku HDDR. Ilość wymaganego dodatku jest zaskakująco mała (na przykład, Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Badania mikroskopowe opisane przez Harrisa (1992) wykazały, że duże fasetowane ziarna HDDR uformowały się w obrębie pierwotnego ziarna odlanego stopu. Te fasetowane ziarna mają wspólną orientację, która jest prawdopodobnie taka sama jak pierwotnego ziarna. Anizotropowa natura proszków HDDR stopów takich jak Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 może być zwizualizowana poprzez założenie, że ziarna HDDR powstały i rozwinęły się w obrębie oryginalnego, odlewanego obszaru ziarna z submikronowych ziaren, które mają wspólną orientację (Harris 1992).Tomida et al. (1996) wykorzystali dyfrakcję rentgenowską do ustalenia korelacji pomiędzy anizotropowym charakterem ostatecznego proszku HDDR a ilością fazy Nd2Fe14B, która pozostała nieprzereagowana w procesie uwodornienia. Badania TEM wykonane przez Tomidę i in. na proszku uwodornionym w optymalnych warunkach energetycznych produktu wykazały, że po uwodornieniu proszek składa się głównie z gruboziarnistych cząstek α-Fe i Fe2B, a pomiędzy nimi osadzone są cząstki nanokrystaliczne. Cząstki te zostały zidentyfikowane przez dyfrakcję elektronową jako cząstki NdH2. Jednak wiele z tych cząstek zidentyfikowano jako cząstki Nd2Fe14B o orientacji krystalograficznej prawie takiej samej, jak orientacja oryginalnie odlanych ziaren Nd2Fe14B. Widma energetyczno-dyspersyjne wykazały ponadto, że cząstki te mają wyższe stężenie kobaltu i galu niż odpowiadające średniemu stężeniu stopu wyjściowego. Wyniki te skłoniły Tomidę et al. do zaproponowania, że tego typu nanokrystaliczne cząstki Nd2Fe14B służą jako centra inicjacji w procesie rekombinacji i są źródłem efektu pamięci orientacyjnej w proszkach HDDR.Inną kategorią materiałów, która wydaje się być obiecująca są nanokrystaliczne magnesy kompozytowe na bazie ziem rzadkich. W szczególnych okolicznościach, dwufazowe materiały kompozytowe mogą wykazywać najbardziej interesujące zachowanie koercji. Takie zachowanie zostało opisane przez Knellera i Hawiga (1991), którzy badali połączony efekt dwóch drobno rozproszonych i wzajemnie sprzężonych wymiennie faz magnetycznych. Jedna z tych faz ma dużą stałą anizotropii jednoosiowej i jest w stanie wygenerować wysoką koercję. Dla kontrastu, druga faza jest magnetycznie miękka. Ma ona większą temperaturę uporządkowania magnetycznego i jednocześnie większą średnią energię wymiany niż faza twarda. To właśnie stosunkowo wysokie namagnesowanie nasycenia fazy miękkiej, gdy jest ona sprzężona wymiennie z fazą twardą, zapewnia wysoką remanencję magnesu kompozytowego. W większości układów, dla których opisano wzmocnienie remanencji, magnetycznie miękką fazą jest α-Fe lub bogaty w żelazo lub kobalt stop. Przykładami magnetycznie twardych faz są Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17, i Nd(Fe,Mo)12Nx. Wspólną cechą mikrostruktur wszystkich tych kompozytowych magnesów jest to, że składają się one z bardzo drobnego rozkładu cząstek magnetycznych, mieszczącego się w zakresie nanometrów. W celu osiągnięcia tak drobnego rozkładu stosuje się różne techniki, w tym przędzenie w stanie stopionym i stopowanie mechaniczne (patrz Magnesy: stopowane mechanicznie). Ta grupa materiałów jest określana jako chude magnesy stałe ziem rzadkich. Ich zaletą w porównaniu do standardowych stopów jest doskonała odporność na korozję oraz fakt, że osiągają nasycenie w stosunkowo niskim przyłożonym polu. Wadą jest ich stosunkowo niska koercja. Możliwość zastosowania tych materiałów w magnesach wiązanych żywicą została opisana przez Chorwata (1997).Inną ciekawą grupą materiałów są związki R2Fe17 modyfikowane międzywęzłowo. Chociaż niskie temperatury Curie i stosunkowo niskie anizotropie magnetokrystaliczne czynią związki R2Fe17 mniej atrakcyjnymi do zastosowań jako materiały na magnesy trwałe, to znaczna poprawa w zakresie anizotropii temperatury Curie i koercji została osiągnięta poprzez formowanie międzywęzłowych roztworów stałych otrzymanych przez połączenie tych materiałów z węglem lub azotem. Skład odpowiednich trójskładnikowych azotków i węglików R2Fe17Cx i R2Fe17Nx jest ogólnie uważany za ograniczony do zakresu 0≤x≤3. Więcej szczegółów na temat zakresów formowania i lokalizacji atomów międzywęzłowych w sieci opisano w przeglądzie Fujii i Sun (1995).Magnesy wiązane żywicą z azotowanych proszków Sm2Fe17 zostały przygotowane przy BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, a μoBHc = 6,5 T. W celu zbadania korzystnie niskiego temperaturowego współczynnika koercji w ciałach magnesów nadających się do zastosowań wysokotemperaturowych Rodewald et al. (1993) oraz Kuhrt et al. (1993) badali magnesy wiązane cyną i cynkiem. W tych przypadkach uzyskane remanencje były jednak dość niskie (Br<0,7 T).