Alnico

2 Permanentmagnetmaterial

De vanligaste typerna av magneter som används för närvarande är hårda ferritmagneter, magneter baserade på sällsynta jordartsmetaller som SmCo eller NdFeB och magneter av alnico-typ. Av dessa har alnikomagneterna endast en blygsam koercitivitet vilket leder till icke-linjära avmagnetiseringsegenskaper. Därför är deras användbarhet mycket begränsad jämfört med de andra två typerna. De hårda ferriterna har högre koercitivitet än alnikomagneterna och deras avmagnetiseringsegenskaper är linjära. Remanensen och den därmed sammanhängande maximala energiprodukten är dock redan låga och minskas ytterligare genom bindning. På grund av den låga kostnaden används ferritmagneter fortfarande i stor utsträckning, även om de flesta av de motsvarande magnetiska anordningarna är ganska skrymmande och ofta inte ger optimala prestanda. Ferritpermanenta magneter dominerar för närvarande bilindustrin och många andra tillämpningar på grund av sin låga kostnad och bevisade långtidsstabilitet (se Alnicos och Hexaferrites) De sällsynta jordartsbaserade magneterna har höga värden på koercitiviteten, vilket ger dem linjära avmagnetiseringsegenskaper (se Sällsynta jordarts magneter: Material). De har höga remanenser och typiska värden för de energiprodukter som uppnås i sintrade magneter är 150 kJ m-3 för SmCo5 och 300 kJ m-3 för Nd2Fe14B. De första typerna av magneter används ofta i högtemperaturtillämpningar, vilket inte är möjligt med bundna magneter (se Magneter: Högtemperatur). Magneter av SmCo5-typ är dyra på grund av det höga priset på både samarium och kobolt. Situationen är mer gynnsam för NdFeB-magneter eftersom neodym är billigare än samarium och järn är mycket billigare än kobolt, och de pulvermetallurgiska bearbetningsmetoderna är jämförbara med dem för SmCo5. Därför är förhållandet mellan prestanda och pris för Nd2Fe14B bättre än för SmCo5. Av denna anledning har marknaden för sintrade Nd2Fe14B-magneter blomstrat och växer fortfarande (se Magneter: sintrade).Även om bundna magneter kan tillverkas av alla de material som nämns ovan är det endast bundna ferritmagneter och bundna Nd2Fe14B-magneter som har trängt in på marknaden i en märkbar utsträckning. Ferriterna kan lätt erhållas i pulverform (se Alnicos och Hexaferrites). En något speciell bearbetning av ferritpulvren leder till hexagonala plattor som lätt kan riktas in mekaniskt under bildningsprocessen av flexibla bundna magneter. Situationen är svårare när det gäller Nd2Fe14B, eftersom en enkel pulvermetallurgisk väg från gjutna eller glödgade Nd2Fe14B-block i allmänhet inte leder till pulver med tillräckligt hög koercitivitet för användning i bundna magneter. Koercitiva NdFeB-pulver kan dock erhållas genom smältspinning (se metalliska filament). I denna teknik sprutas en fin ström av smält legering på den yttre ytan av ett snabbt snurrande hjul, vilket leder till tunna, snabbt släckta band eller flingor. Under smältspinningen skyddas materialet från oxidation genom att processen utförs i en skyddande atmosfär eller i vakuum. Släckningshastigheten är i storleksordningen 105 K s-1 och kan varieras genom att ändra rotationshastigheten på spinnhjulet. Olika släckningshastigheter leder till olika mikrostrukturer som i sin tur bestämmer de magnetiska egenskaperna hos det smältspunna materialet. Optimala smältspinnförhållanden leder till en nanokristallin legering som består av fina korn (typiskt 30 nm) av föreningen Nd2Fe14B, omgiven av ett tunt skikt av en neodymrik eutektisk fas. I praktiken kan man få mer tillförlitliga och reproducerbara resultat genom att använda en något högre släckningshastighet och därefter glöda det smältspunna materialet under noggrant kontrollerade förhållanden. Det smältspunna materialet är ganska skört och kan malas till ett fint pulver som lämpar sig för tillverkning av bundna magneter. Eftersom Nd2Fe14B-kärnorna har en slumpmässig orientering är dessa bundna magneter isotropa. Pulverpartiklar med sfärisk form flyter bättre i formsprutningsprocessen, vilket möjliggör en högre laddningsfaktor. Sådant pulver kan framställas genom en atomiseringsprocess med inert gas med typiska värden för den genomsnittliga partikeldiametern på 45 mm. En ytterligare fördel med atomiseringsprocessen är den höga produktionshastigheten och de låga behandlingskostnaderna för pulvren (Ma et al. 2002) En annan väg som leder till koercitiva NdFeB-pulver utgörs av den så kallade HDDR-processen (se Magneter: HDDR-process). Denna process omfattar i huvudsak fyra steg: hydrering av Nd2Fe14B vid låga temperaturer, nedbrytning av Nd2Fe14BHx till NdH2.7 + Fe + Fe2B, desorption av H2-gas från NdH2.7 och rekombination av Nd + Fe + Fe2B till Nd2Fe14B. Denna process gynnas av det faktum att bildandet av Nd2Fe14B-korn i det sista steget är en reaktion i fast tillstånd och därför sker med en betydligt lägre hastighet än vid stelning från smältan under en normal gjutningsprocess. Den genomsnittliga Nd2Fe14B-kornstorleken förblir inom nanometerområdet och ger upphov till tillräckligt stora koercitiviteter.En annan fördel är att HDDR-processen framgångsrikt kan användas för att erhålla anisotropa partiklar. Takeshita och Nakayama (1992) upptäckte att tillsatser av särskilt zirkonium, hafnium och gallium är mycket effektiva för att framställa anisotropa HDDR-pulver. Den mängd tillsatsmedel som krävs är förvånansvärt liten (t.ex. Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1). Mikroskopiska undersökningar som beskrivs av Harris (1992) avslöjade att stora facetterade HDDR-korn hade bildats i det ursprungliga gjutna kornet av legeringen. Dessa facetterade korn har en gemensam orientering, som troligen är densamma som det ursprungliga kornets orientering. Den anisotropa karaktären hos HDDR-pulver av legeringar som Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1 kan således åskådliggöras genom att anta att HDDR-kornen har bildats och vuxit inom ett ursprungligt, gjutet kornområde från submikronkorn, där de senare har en gemensam orientering (Harris 1992).Det är uppenbart att effekten av tillsatsen är att skapa kärncentra för kärnbildning och tillväxt av HDDR-korn, där de sistnämnda kornen har behållit det ursprungliga gjutna kornets orientering. Tomida et al. (1996) har använt sig av röntgendiffraktion för att fastställa ett samband mellan den anisotropa karaktären hos det slutgiltiga HDDR-pulvret och den mängd Nd2Fe14B-fas som återstår som inte har reagerat i hydreringsprocessen. TEM-studier gjorda av Tomida et al. på pulver som hydrerats under optimala energiproduktförhållanden visade att pulvret efter hydrering huvudsakligen består av grovkornigt α-Fe och Fe2B, med nanokristallina partiklar inbäddade däremellan. Dessa partiklar identifierades genom elektrondiffraktion som NdH2-partiklar. Många av partiklarna identifierades dock som Nd2Fe14B-partiklar med en kristallografisk orientering som är nästan densamma som de ursprungliga gjutna Nd2Fe14B-kornens. Energidispersiva spektrum visade dessutom att dessa partiklar har en högre koncentration av kobolt och gallium än vad som motsvarar den genomsnittliga koncentrationen i utgångslegeringen. Dessa resultat har fått Tomida et al. att föreslå att denna typ av nanokristallina Nd2Fe14B-partiklar fungerar som initieringscentra i rekombinationsprocessen och är ursprunget till den orienterande minneseffekten i HDDR-pulver.En annan kategori av material som verkar lovande är nanokristallina sällsynta jordartsbaserade kompositmagneter. Under särskilda omständigheter kan tvåfasiga kompositmaterial uppvisa ett mycket intressant koercitivitetsbeteende. Ett sådant beteende har beskrivits av Kneller och Hawig (1991), som undersökte den kombinerade effekten av två finfördelade och ömsesidigt utbyteskopplade magnetiska faser. En av dessa faser har en stor uniaxial anisotropikonstant och kan generera en hög koercitivitet. Den andra fasen är däremot magnetiskt mjuk. Den har en större magnetisk ordningstemperatur och samtidigt en större genomsnittlig utbytesenergi än den hårda fasen. Det är den jämförelsevis höga mättnadsmagnetiseringen hos den mjuka fasen som, när den senare är utbyteskopplad till den hårda fasen, ger kompositmagneten en hög remanens. Möjligheten att framställa magneter som uppvisar remanensförstärkning har utlöst omfattande forskning på detta område (se Magneter: remanensförstärkt) I de flesta av de system för vilka remanensförstärkning har rapporterats är den magnetiskt mjuka fasen α-Fe eller en järn- eller koboltrik legering. Exempel på magnetiskt hårda faser är Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17 och Nd(Fe,Mo)12Nx. Gemensamt för mikrostrukturerna hos alla dessa kompositmagneter är att de består av en mycket fin fördelning av de magnetiska partiklarna, som ligger inom nanometerområdet. För att uppnå denna fina fördelning används olika tekniker, bland annat smältspinning och mekanisk legering (se Magneter: Mekaniskt legerade). Denna grupp av material kallas för magra permanentmagneter av sällsynta jordartsmetaller. Deras fördelar jämfört med standardlegeringarna är deras utmärkta korrosionsbeständighet och det faktum att de når mättnad i ett jämförelsevis lågt tillämpat fält. En nackdel är deras relativt låga koercitivitet. Möjligheten att använda dessa material i hartsbundna magneter har beskrivits av Croat (1997).En annan intressant materialgrupp är interstitiellt modifierade R2Fe17-föreningar. Även om de låga Curietemperaturerna och de jämförelsevis låga magnetokristallina anisotroperna gör R2Fe17-föreningarna mindre attraktiva för tillämpningar som permanentmagnetmaterial, har avsevärda förbättringar med avseende på Curietemperaturanisotropi och koercitivitet uppnåtts genom att bilda interstitiella fasta lösningar som erhållits genom att kombinera dessa material med kol eller kväve. Sammansättningen av motsvarande ternära nitrider och karbider R2Fe17Cx och R2Fe17Nx anses i allmänhet vara begränsad till intervallet 0≤x≤3. Mer detaljer om bildningsområden och interstitiella atomers placering i gitteret beskrivs i Fujiis och Suns översikt (1995). hartsbundna magneter från kväveförenade Sm2Fe17-pulver har framställts med BHmax =136 kJm-3, Br = 9.0 T och μoBHc = 6,5 T. För att utforska den gynnsamt låga temperaturkoefficienten för koercitiviteten i magnetkroppar som är lämpliga för högtemperaturtillämpningar har Rodewald et al. (1993) och Kuhrt et al. (1993) undersökt tenn- och zinkbundna magneter. I dessa fall var dock de erhållna remanenserna ganska låga (Br<0,7 T).