Alnico

2 Materialele magneților permanenți

Cele mai comune tipuri de magneți utilizați în prezent sunt magneții de ferită dură, magneții pe bază de pământuri rare, cum ar fi SmCo sau NdFeB, și magneții de tip alnico. Dintre aceștia, magneții de tip alnico au doar o coercitivitate modestă, ceea ce duce la caracteristici neliniare de demagnetizare. Din acest motiv, aplicabilitatea lor este foarte limitată în comparație cu celelalte două tipuri. Feritele dure au coercitivități mai mari decât magneții de tip alnico, iar caracteristicile lor de demagnetizare sunt liniare. Cu toate acestea, remanența și produsul energetic maxim concomitent sunt deja scăzute și sunt diminuate și mai mult prin lipire. Datorită costului lor scăzut, magneții de ferită sunt încă aplicați pe scară largă, deși majoritatea dispozitivelor magnetice corespunzătoare sunt destul de voluminoase și adesea nu oferă performanțe optime. Magneții permanenți pe bază de ferită domină în prezent industria auto și multe alte aplicații datorită costului lor scăzut și a stabilității dovedite pe termen lung (a se vedea Alnicos și Hexaferrites). magneții pe bază de pământuri rare au valori ridicate ale coercitivității, ceea ce le conferă caracteristici de demagnetizare lineară (a se vedea Magneți din pământuri rare: Materiale). Aceștia au remanențe ridicate, iar valorile tipice ale produselor energetice atinse în magneții sinterizați sunt de 150 kJ m-3 pentru SmCo5 și de 300 kJ m-3 pentru Nd2Fe14B. Primele tipuri de magneți sunt utilizate frecvent în aplicații la temperaturi înalte, posibilitate care se pierde în cazul magneților lipiți (a se vedea Magneți: Temperaturi înalte). Magneții de tip SmCo5 sunt scumpi din cauza prețului ridicat atât al samariului, cât și al cobaltului. Situația este mai favorabilă pentru magneții NdFeB, deoarece neodimul este mai ieftin decât samariul, iar fierul este mult mai ieftin decât cobaltul, artele de prelucrare metalurgică a pulberilor fiind comparabile cu cele ale SmCo5. Prin urmare, raportul performanță/preț pentru Nd2Fe14B este mai bun decât pentru SmCo5. Din acest motiv, piața magneților sinterizați de Nd2Fe14B a înflorit și este încă în creștere (a se vedea Magneți: Sinterizați).Deși magneții legați pot fi fabricați din toate materialele menționate mai sus, numai magneții legați de ferită și magneții legați de Nd2Fe14B au pătruns pe piață într-o măsură apreciabilă. Feritele pot fi obținute cu ușurință sub formă de pulbere (a se vedea Alnicos și Hexaferrite). O prelucrare oarecum specială a pulberilor de ferită conduce la plachete hexagonale care pot fi ușor aliniate mecanic în timpul procesului de formare a magneților legați flexibili. Situația este mai dificilă în cazul Nd2Fe14B, deoarece o simplă cale metalurgică a pulberilor din lingouri de Nd2Fe14B turnate sau recoapte nu conduce, în general, la pulberi cu o coercitivitate suficient de mare pentru a fi utilizate în magneți legați. Totuși, pulberile de NdFeB coercitiv pot fi obținute prin filare prin topire (a se vedea Filamente metalice). În această tehnică, un jet fin de aliaj topit este pulverizat pe suprafața exterioară a unei roți care se rotește rapid, ceea ce duce la obținerea unor panglici sau fulgi subțiri care se sting rapid. În timpul filării prin topire, materialul este protejat de oxidare prin efectuarea acestui proces într-o atmosferă protectoare sau în vid. Viteza de stingere este de ordinul a 105 K s-1 și poate fi modificată prin schimbarea vitezei de rotație a roții de filare. Viteze diferite de stingere conduc la diferite microstructuri care, la rândul lor, determină proprietățile magnetice ale materialului filat prin topire. Condițiile optime de filare prin topire conduc la un aliaj nanocristalin format din granule fine (de obicei 30 nm) de compus Nd2Fe14B, înconjurat de un strat subțire de fază eutectică bogată în neodim. În practică, se pot obține rezultate mai fiabile și mai reproductibile prin utilizarea unei viteze de stingere ușor mai mari și prin recoacerea ulterioară a materialului filat prin topire în condiții atent controlate. Materialul filat prin topire este destul de fragil și poate fi măcinat până la obținerea unei pulberi fine adecvate pentru fabricarea magneților legați. Deoarece granulele de Nd2Fe14B au o orientare aleatorie, acești magneți legați sunt izotropi. Particulele de pulbere de formă sferică curg mai bine în procesul de turnare prin injecție, ceea ce permite un factor de încărcare mai mare. O astfel de pulbere poate fi preparată printr-un proces de atomizare cu gaz inert, cu valori tipice pentru diametrul mediu al particulelor de 45 mm. Un avantaj suplimentar al procesului de atomizare este rata mare de producție și costurile reduse de prelucrare a pulberilor (Ma et al. 2002). o altă cale care conduce la pulberi coercitive de NdFeB constă în așa-numitul proces HDDR (a se vedea Magneți: Procesare HDDR). Acest proces implică în esență patru etape: hidrogenarea Nd2Fe14B la temperaturi scăzute, descompunerea Nd2Fe14BHx în NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorbția gazului H2 din NdH2.7 și recombinarea Nd + Fe + Fe2B în Nd2Fe14B. Acest proces profită de faptul că formarea granulelor de Nd2Fe14B în ultima etapă este o reacție în stare solidă și, prin urmare, are loc cu o viteză considerabil mai mică decât în timpul solidificării din topitură în timpul unui proces normal de turnare. Dimensiunea medie a grăunților de Nd2Fe14B rămâne în intervalul nanometric și dă naștere la coercitivități suficient de mari.Un alt avantaj este faptul că procesul HDDR poate fi utilizat cu succes pentru a obține particule anizotrope. Takeshita și Nakayama (1992) au descoperit că aditivii de zirconiu, hafniu și galiu, în special, sunt foarte eficienți în producerea de pulberi HDDR anizotrope. Cantitatea de aditivi necesară este surprinzător de mică (de exemplu, Nd12,5Fe69,9Co11,5B6Zr0,1). Investigațiile microscopice descrise de Harris (1992) au arătat că în interiorul grăuntelui original al aliajului, așa cum a fost turnat, s-au format granule mari de HDDR fațetate. Aceste grăunțe fațetate au o orientare comună, care este probabil aceeași cu cea a grăuntelui original. Natura anizotropă a pulberilor HDDR din aliaje precum Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 poate fi astfel vizualizată presupunând că grăunții HDDR s-au nucleat și au crescut în interiorul unei regiuni de grăunți originari, așa cum a fost turnată, din grăunți submicronici, aceștia din urmă având o orientare comună (Harris 1992).Evident, efectul aditivului este acela de a crea centre de nucleare pentru nuclearea și creșterea grăunților HDDR, aceștia din urmă păstrând orientarea grăuntelui original turnat.Tomida et al. (1996) au folosit difracția de raze X pentru a stabili o corelație între natura anizotropă a pulberii HDDR finale și cantitatea de fază Nd2Fe14B rămasă nereacționată în procesul de hidrogenare. Studiile TEM efectuate de Tomida et al. asupra pulberii hidrogenate în condiții optime de produs energetic au arătat că, după hidrogenare, pulberea constă în principal din α-Fe și Fe2B cu granulație grosieră, cu particule nanocristaline încorporate între ele. Aceste particule au fost identificate prin difracție de electroni ca fiind particule de NdH2. Cu toate acestea, multe dintre particule au fost identificate ca particule de Nd2Fe14B având o orientare cristalografică aproape identică cu cea a granulelor de Nd2Fe14B turnate inițial. De asemenea, spectrele de dispersie a energiei au arătat că aceste particule au o concentrație de cobalt și galiu mai mare decât cea corespunzătoare concentrației medii a aliajului de plecare. Aceste rezultate i-au determinat pe Tomida et al. să propună că acest tip de particule nanocristaline de Nd2Fe14B servesc drept centre de inițiere în procesul de recombinare și sunt la originea efectului de memorie orientațională în pulberile HDDR.O altă categorie de materiale care pare a fi promițătoare este reprezentată de magneții compuși nanocristalini pe bază de pământuri rare. În circumstanțe speciale, materialele compozite bifazice pot demonstra un comportament de coercitivitate foarte interesant. Un astfel de comportament a fost descris de Kneller și Hawig (1991), care au investigat efectul combinat a două faze magnetice fin dispersate și cuplate prin schimb reciproc. Una dintre aceste faze are o constantă de anizotropie uniaxială mare și este capabilă să genereze o coercitivitate ridicată. În schimb, cea de-a doua fază este moale din punct de vedere magnetic. Aceasta are o temperatură de ordonare magnetică mai mare și, concomitent, o energie medie de schimb mai mare decât cea a fazei dure. Magnetizarea de saturație relativ ridicată a fazei moi este cea care, atunci când aceasta din urmă este cuplată prin schimb cu faza dură, asigură o remanență ridicată a magnetului compozit. Posibilitatea de a pregăti magneți care să prezinte o remanență îmbunătățită a declanșat cercetări extinse în acest domeniu (a se vedea Magnets: Remanence-enhanced). în majoritatea sistemelor pentru care a fost raportată o remanență îmbunătățită, faza moale din punct de vedere magnetic este α-Fe sau un aliaj bogat în fier sau cobalt. Exemple de faze dure din punct de vedere magnetic sunt Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 și Nd(Fe,Mo)12Nx. Microstructurile tuturor acestor magneți compuși au în comun faptul că sunt alcătuite dintr-o distribuție foarte fină a particulelor magnetice, care se încadrează în domeniul nanometric. Pentru a se ajunge la această distribuție fină se folosesc diferite tehnici, inclusiv filarea în topitură și alierea mecanică (a se vedea Magneți: Aliați mecanic). Acest grup de materiale este denumit magneți permanenți de pământuri rare slabe. Avantajele lor în comparație cu aliajele standard sunt rezistența excelentă la coroziune și faptul că ajung la saturație într-un câmp aplicat relativ scăzut. Un dezavantaj este coercitivitatea lor relativ scăzută. Posibilitatea de a utiliza aceste materiale în magneți legați cu rășină a fost descrisă de Croat (1997). un alt grup interesant de materiale sunt compușii R2Fe17 modificați interstițial. Deși temperaturile Curie scăzute și anizotropiile magnetocristaline relativ scăzute fac compușii R2Fe17 mai puțin atractivi pentru aplicații ca materiale pentru magneți permanenți, au fost obținute îmbunătățiri considerabile în ceea ce privește anizotropia temperaturii Curie și coercitivitatea prin formarea de soluții solide interstițiale obținute prin combinarea acestor materiale cu carbon sau azot. Compoziția nitrurilor și carburilor ternare corespunzătoare R2Fe17Cx și R2Fe17Nx este, în general, considerată a fi limitată la intervalul 0≤x≤3. Mai multe detalii despre intervalele de formare și localizarea atomilor interstițiali în rețea sunt descrise în recenzia lui Fujii și Sun (1995). magneți legați de rășină din pulberi Sm2Fe17 azotate au fost preparați cu BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T, și μoBHc = 6,5 T. Pentru a explora coeficientul favorabil de temperatură scăzută al coercitivității în corpurile magnetice adecvate pentru aplicații la temperaturi înalte, Rodewald et al. (1993) și Kuhrt et al. (1993) au investigat magneții legați cu staniu și zinc. În aceste cazuri, totuși, remanențele obținute au fost destul de scăzute (Br<0,7 T).

.