Transcript magnes - Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Az anyagok mágneses tulajdonságai
Mágneses pólusok (É, D), vonzás, taszítás, iránytű
Pólusok nem szétválaszthatók
„Mágneses” és „nem mágneses” anyagok
Felmágnesezés, termikus lemágnesezés
Gilbert: On the magnet (1600), Oersted: elektromágnes (1820)
Jelentőségük (lágy: n*106 tonna/év, kemény: n*103 tonna/év)
Ókori Kína ( II.sz.) Iránytű: magnetite (Fe3O4), Magnesia
1880
Martenzites állandómágnes
1900
Fe - Si ötvözet
1923
Fe - Ni ötvözet
1935
Első mágnesszalag
1946
Ferritek megjelenése
1966
Ritkaföldfém - kobalt keménymágnesek
1975
Irányítottan kristályosított keménymágnesek
1
2
Példák lágy és keménymágneses anyagokra
3
Mágneses tér  anyag
kölcsönhatás leírása
B  H
B  0  r H  0 ( H  M )
1
M  H   Pi
V
r  1  
Mágneses permeabilitás
Vs
0  4  10
Am
 Vs

B 2  T 
m

 A
H 
m
7
Mágneses szuszceptibilitás
(érzékenység)
4
Mágneses dipólusmomentum
  pm  B
W   pm B  konst
Pm  I A
Pm  ml
dB
F  pm
dx
Homogén mágneses térben momentumra
erő nem hat csak nyomaték.
Momentum energiája csökken ha térirányba
áll be.
Egymással igyekeznek párhuzamosra
beállni.
5
Mágneses tulajdonságok eredete
Egyedi elemi részecskék mágneses tulajdonságai
Szabad atomok mágn. tulajdonságai
saját (spin) mágn. momentum (elektron, proton, neutron)
pályamomentum
Atomi (spin) mágn. momentum  Bohr magneton
Betöltött héjak spin momentuma NULLA.
Szilárd testek
qh
q
B 

4m 2m
Pályamomentumok kompenzálják egymást (befagynak)
 Csak a betöltetlen héjak spinmomentumait
kell számításba venni.
6
Mágneses anyagok csoportosítása
Gyengén mágneses anyagok
Dia
(lezárt elektronhéj)    (10-5) Univerzális tulajd.
(Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au…)
Para (legalább egy páratlan elektron)    (10-3 - 10-5)
(Mg, Al, Ti, W…)
7
Közel ideális diamágnesek „lebegése”
Meissner-effektus
8
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok
Szilárd test mágneses momentuma: a párosítatlan spínű
elektronok spínmomentumainak vektori eredője.
(3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet)
Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2  4 Bohr magneton
Ferro  (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr)
Antiferro  (Cr, Mn)
Ferri  (Fe3O4, CrO2, ErO …)
9
Rendezett szerkezetű mágneses
anyagok jellemzése (hiszterézis)
60
60
40
40
20
20
0
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-1
-0,8
-0,6
-0,4
0
-0,2
-20
-20
-40
-40
-60
-60
0,2
0,4
0,6
0,8
10
1
Klasszikus mágneses paraméterek mérése
11
Hiszterézis görbéből
származtatott jellemzők
Első mágnesezési (szűz) görbe, dinamikus középgörbe
M(H) és B(H) hiszterézis görbék
Belső, mellék hiszerézis. Telítés !!!
Telítési indukció (BM), Remanens indukció (BR),
Koercitív erő (Hc)
Permeabilitások (r): kezdő, maximális, differenciális,
növekményes (irreverzibilis)
Jósági szám (BH)max, négyszögletességi tényező BR//BM
stb.
12
Hőmérsékletfüggés (ferro)
Ferromágnes
Curie-hőmérséklet
Antiferro mágneses Néel-hőmérséklet
BS
K
HC
TC
T
13
MnZn ferrit hiszterézis görbéjének hőmérsékletfüggése
Curie hőmérséklet: 133 oC
0,4
0,3
0,2
B (T)
0,1
0
22
80
100
120
130
133
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
H (A/cm)
14
BM, BR, HC
összetétel, technológiai hatások
BM: csak a kémiai összetételtől függ
(Bohr magnetonok térfogategységenkénti száma)
Alakítás hatására:
HC növekszik BR csökken
Maximum  70Fe - 30Co (Permendur)
(2,4 Bohr magneton/atom, BM = 2,45 T)
15
A mágneses tulajdonságokat
meghatározó energia tagok
F  U  T  S  MH
Kicserélődési energia
Kristályanizotrópia energia
Magnetoelasztikus energia
Doménfal energia
Momentum beállásból származó (entrópia) többlet
Magnetosztatikus és lemágnesező energia
16
Problémák
1. Mi az oka a rendkívül erős mágneses tulajdonságoknak?
2. Miért nincsen mágneses tulajdonsága a magas
hőmérsékletről lehűtött ferromágneses anyagoknak?
17
Domén szerkezet
Weiss (1907) Domén: telítésig mágnesezett tartomány,
ahol minden momentum párhuzamosan áll.
Bitter (1931)
Faraday, Kerr effektusok (magneto-optikai jelenségek)
TEM, SEM technikák
1012-1018 elemi momentum, méret: 10-2-10-5 cm
Mi határozza meg a domének méretét?
18
Magnetosztatikus energia
H külső tér, M mágnesezettségű minta (N: alaktényező)
Wm   0  HdM 
0
2
NM 2
19
Magnetostrikció, magnetoelaszticitás
Mágneses tér hatására történő méretváltozás.
 a telítéshez tartozó érték (50-100 10-6)
H
=0
0
Fe  >0, Ni <0
ultrahang generátor
transzformátor zúgása
0
V
térfogati 
V
l
lineáris 
l
Pl: 1 m hosszú
 =100 10-6
Méretvátozás: 0,1 mm
20
Magnetostrikció
Pokikristályos
Egykristályos
21
Könnyű és nehéz mágnesezési irányok.
Görbék alatti területek különbsége.
22
Mi határozza meg a domének
orientációját ?
Egyensúlyi állapotban, a domének mágnesezettsége
valamelyik könnyű mágnesezési irányba mutat.
 doménfalak típusai
Fe [100]  90° és 180°
Ni [111]  70,53° és 109,47°
23
Doménfal (energia)
Faltípusok:
•Bloch-fal (tömbi anyag)
•Néel-fal (vékonyréteg)
•Tüskés-fal (cross-tie)
•Lánc-fal
Akadályok, rögzítettség mértéke függ a relatív mérettől.
Vastag falak könnyeben mozognak mint a vékonyak.
(Nagy és kis átmérőjű kerék a göröngyös úton.)
24
Kerr mikroszkópiával készült domenkép:
Nd16Fe76B8
25
Domének vékonyréteg gránát egykristályban,
polarizált fényben
26
FERROMÁGNESES DOMÉNEK
Kimutatás: Bitter-módszerrel
Domének izotróp Fe-Si transzformátor-lemezben
27
Domenhatárok kockatexturált transzformátorlemezben.
[100]
28
Az átmágneseződési folyamat
kinetikája
Falmozgás
reverzibilis
irreverzibilis
(irány mindig KI)
Forgás
inkoherens
koherens
(irány eltér a KI-tól)
29
Reverzibilis falmozgás vas egykristályon
30
Falmozgás Fe-Co ötvözeten
31
Hőmérsékletfüggés (ferro)
BS
Reverzibilis, végtelenszer
ismételhető
K
Hőmérséklet érzékelők,
tűzjelzők, forrasztó páka …
HC
TC
T
Ferromágnes
Curie-hőmérséklet
Antiferro mágneses
Néel-hőmérséklet
32
Klasszikus mágneses jellemzők
33
Barkhausen-zaj
Mágnesezés mechanizmusa:
1.
2.
3.
4.
reverzibilis doménfalmozgás
irreverzibilis doménfalmozgás, doménfalak ugrásszerű
mozgása  Barkhausen-zaj (kvázi-sztohasztikus zaj)
inkoherens forgás
koherens forgás
34
Hc
Irreversible domain wall
displacement ranges.
Barkhausen-zaj függ : mechanikai feszültségi állapot
szövet- ill. diszlokációs szerkezet
Vizsgálati (roncsolásmentes) módszer 1975-től
35
36
Mágnes tulajdonságok
változtatásának lehetőségei
A műszaki alkalmazások
lágy és keménymágneses anyagai
37
MÁGNESES ANYAGOK
(Felosztás a mikroszerkezetük alapján)
Fémes mágneses anyagok
Tiszta fémek
Polikristályos anyagok
Ötvözetek
Amorf anyagok
Kevert szerkezetek
Nanokristályos anyagok
Mikrokristályos anyagok
Polikristályos
Ferritek (kerámiák)
Egykristályos
Kompozitok
Spec. mikroszerkezetek
Mágneses gélek
Multirétegek
38
A mágneses jellemzők
megváltoztatásának módjai
A BR növelésének módja: anizotrópia keltés
Anizotrópia: kristály, indukált
•TC közeli mágnesteres hőkezelés (irányított diffúzió).
•Alakanizotróp szemcsék beforgatása (mágnestérrel) a
mágnesezési irányba.
•Könnyűmágnesezési irányú szemcseirányítás (Goss, kocka)
•Irányított kristálynövesztés (keménymágnes).
•Mechanikai feszültség keltése (húzó/nyomó).
39
A mágneses jellemzők
megváltoztatásának módjai
HC növelésének módjai:
•Doménfalmozgás akadályozása
(szemcseméret, kiválás, hibaszerkezet...)
•Doménfalvastagság (d) és akadályszélesség (D) kapcsolata.
d  D gyenge hatás, d  D erős akadály
40
Lágymágnesek jellegzetes
felhasználási területei
Elektromechanikus eszközök:
Emelő, mozgató mágnesek, relék, mágneskapcsolók
Elektromágneses indukció alapján működő eszközök:
Transzformátorok, fojtók, generátorok, motorok,
leválasztó elemek
Mágnestér árnyékolások
Fluxusvezető elemek
41
Felhasználói igények a
lágymágneses anyagoknál
BM

HC
Fajlagos ellenállás
Curie-hőmérséklet
Alakíthatóság
Veszteség
Hiszterézis terület
Nagy
Nagy
Kicsi
Nagy
Nagy
Nagy
Kicsi
Kicsi
Tiszta fémek és
homogén szilárd
oldatok.
Ötvözetek jobbak.
Mechanikai keménység  Mágneses keménység
42
Igények 
•Minél több és nagyobb mágneses momentumú atomot
tartalmaz térfogat egységenként.
•Anizotrópia (állandó) kicsi. (Anizotróp, lágyított
újrakristályosított szerkezet.)
•Kristályrácsban sok a könnyűmágnesezési irány (köbös).
•Rácshibasűrűség és a belső mechanikai feszültségek
minimálisak.
•Magneto-elasztikus/strikciós (állandó) effektus minél
kisebb.
43
Lágymágnes anyagok néhány típusa
Anyagcsalád
Telítési-indukció [ T ]
Fe-Co
2,3-2,4
Fe
2,0-2,1
Fe-Si
1,7-1,9
50 Ni-50Fe
1,3-1,5
75 Ni-25Fe
0,7-0,8
30 Ni-70Fe
0,1-0,7
Veszteségi tényező: v1.0 , v1.5 , v1.7
44
Tiszta Fe
BS (20°C) = 2,15 T
max = 5.000 - 300.000 A/cm
99,95 % Fe , 0,005% C ARMCO
Ötvözetlen elektrotechnikai lemez
(Fedin, Fermax…)
Interstíciós C, N, O  rácstorzulás
Dekarbonizálás
Tulajdonságai erősen szórnak
Gyártási technológiája nem tartható kézben
45
Tiszta Fe
Magnetostrikció  erős
feszültség függés
Feszültség mentesítés,
hőkezelés
46
Fe - Si ötvözetek (lemez)
Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f)
Traszformátor, dinamó-lemez
(0,2 - 0,5 mm)
Si hatása: csökkenti az anizotrópiát
Optimum: 6-7 % Si rideg, kemény
Transzformátor: 4-4,5 % Si
Dinamó: 3,2-3,6 % Si
Interstíciós ötvözők: C, O, P, Mn, S
Maradó feszültség
Hőkezelés: nedves hidrogénben
C < 0,04 %
47
Textúrált Fe - Si lemezek
Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal
Hengerlés  szemcse orientáció  anizotróp, textúrás szerkezet
Mágnesezési irány meghatározott !!!
GOSS
KOCKA
(100)
(011)
Hengerlési, mágnesezési irány
(100)
(010)
48
Fe - Ni ötvözetek (Permalloy)
50% Ni - 50% Fe
80% Ni - 20% Fe
Kis telítési indukció (Fe-2,2 T, Ni-0,6 T)
Nagy permeabilitás (20.000 - 70.000)
Kis veszteség
Ni3Fe szuperrács (75% Ni, 500 °C) megakadályozandó !
Alakítás rendkívül sokat ront a tulajdonságokon.
Lágyítás (900-1000 °C, 1h), gyors hűtés,
feszültségmentesítés (600 °C), gyors hűtés
TC-nél mágnestérben hűtés  permeabilitás * 10
49
Amorf ötvözetek, üvegfémek,
nanokristályos ötvözetek
A
NC
MC
FINIMET
amorf
nanokristályos
mikokristályos
kevert
Vékony szalagok (0,02-0,05 mm)
Eutektikus összetétel
Átmeneti fém (Ni, Co, Fe, Mn)
Nem fémes ötv.: (Si, P, N, C, B)
Gyorhűtés (105 K/sec)
Hőkezelés, törékenyek
Rendkívül kis HC
Barkhausen zaj nincs
Transzformátor mag:
Fe-Si-B-(C)
Fe-Co-B-Si
Ni40-Fe40-P14-B6
Fe29-Ni49-P14-B6-Si2
50
Nanokristályos mag – Ferrit mag
51
Lágy ferritek, gránátok
Kerámia mágnes (Köbös spinel, Ferrimágneses rend)
 Porkohászati technológia
 Rideg, törékeny, nem alakítható (köszörülés)
 Szigetelő (rossz félvezető)  nagy frekvenciás alkalmazások
MOFe2O3
FERRIT
(M kétvegyértékű fém: Mn, Zn, Ni)
Fe momentumok kompenzálják egymást  BS kicsi
3M2O35Fe2O3
GRÁNÁT
(M kétvegyértékű ritkaföldfém: Sm, Eu, Gd)
Ittrium ötvözés  YIG
52
Lágy ferritek, gránátok
Köbös spinel szerkezet:
O ionok
FKK
Fe ionok
oktaéderes 1/2 0 0
M ionok
oktaéderes
tetraéderes 1/4 1/4 1/4
Típus
Alkalmazási
frekvencia
K
BM
Mn-Zn
< 1 MHz
> 2000
0,3-0,4 T
Ni-Zn
< 1 GHz
500-1000 0,1-0,15 T
Gránát
> 1 GHz
YIG, YAG (mikrohullám)
53
Felhasználói igények a
keménymágneses anyagoknál
BM
Nagy
BR
Nagy
(BH)max
Nagy
Hiszterézis terület
Nagy
HC  4kA/m 50[Oe] Nagy
Keménymágnes jelleggörbe
54
Igények 
•Többségi fázis minél nagyobb és térfogategységenként
minél több mágneses momentumot tartalmazzon.
•Többségi fázis finom eloszlású, és mérete nem haladja meg
a domenméretet.
•Többségi fázisban kevés a könnyűmágnesezési irány
(kristály-anizotrópia: hexagonális és tetragonális).
•Indukált anizotrópia legyen nagy.
Nagy l/d ellipszoidok (alakanizotrópia).
55
Keménymágnesek jellegzetes
felhasználási területei
Légrésben előírt indukció keltése / fenntartása.
Drága, sokszor alakíthatatlan.
Híradástechnika:
hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú eszközök
Méréstechnika:
galvanométerek
Mechanikai mozgatás, rögzítés:
motorok, emelő stb. mágnesek
Mágneses információ tárolás:
magnó, videó, floppy, merevlemez
56
Keménymágnek néhány
típusa
Martenzites
(olcsó, klasszikus)
Alnico, Ticonal
(szokásos, tömegtermék)
Cu-Ni-Co, Fe-Co-V (alakítható)
Pt-Co, Pt-Fe
(kitűnő, drága)
R-Co
(legjobb, magas ár)
Nd-Fe-B
(kitűnő, de alacsony TC)
Hexaferritek
(olcsó, porkohászat, egyszerű alkalmazások)
57
Keménymágneses anyagok összehasonlítása
350
Alnico,
Kemény ferrit, NdFeB, R2Co17, RCo5
3
(BH)max (kJ/m )
300
250
200
150
100
50
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
HC (kA/m)
58
Martenzites szerkezetű keménymágnesek
Martenzites fázisátalakulás  feszültség + magnetostrikció
Bain torzulás: fkk  tkt  martenzit tű, húzófeszültség az
[100] irányban (könnyű irány)
Magnetostrikciós együttható  0
HC, BR növekszik
W, Mo, Cr ötvözés  karbidok 
doménfal mozgás nehezedik  HC nő
Olcsó, egyszerű alkalmazásokhoz.
59
Fe - Al - Ni - Co ötvözetek
Alnico, Ticonal
Spinodális bomlás:   1+ 2 (koherens fázishatár)
1
FeCo
(tkk szilárd oldat) ferromágneses
2
Fe2NiAl (tkk szilárd oldat) paramágneses
De:  (fkk) elkerülendő
1 doménméret
2 doménfal
Domen méretű
ferromágneses fázis
nem mágneses „kvázidomenfallal elválasztva.
+ Alakanizotrópia.
60
Alnico technológia
Rideg  öntés, porkohászat
Hőkezelés
Homogenizálás (~1300 °C)  
Gyors hűtés 800 °C-ra ( elkerülése)
Mágnesteres hőkezelés 800 °C-on (Curie T)  1 + 2 szerkezet
és 1 alakanizotrópia
Hőntartás 580 °C, 14 h  Co diffúzió 1 fázisba  BR, BM nő
61
Irányított hőelvonás
Kristálynövekedés leggyorsabb az <100> irányokban
Alakanizotrópia
Anizotróp mágnes
[100] KI
Könnyű
mágnesezési irány
62
Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co
Alakítható keménymágnesek
Gyengébb minőségű mint az Alnico
de képlékenyen alakítható.
63
ESD mágnesek
Elongated Single Domain
Hosszúkás, egydomén méretű szemcsék
(CuNiFe, MnBi, Fe3O4, Báriumferrit, Stronciumferrit…)
Szemcseméret – Hc
Lágymágneses szemcsékből keménymágneses anyag!
Kötőanyag (műanyag, gumi, alacsony olvadáspontú fém)
Poliamid (PA), polifenilszulfid (PPS)
64
Pt - Co, Pt - Fe
Legjobb keménymágnes
80% Pt (drága)
fkk rács + rendeződés
850 °C-ról hűtés
600-650 °C rendeződés
(nagy kristály anizotrópia)
65
R-Co (ritkaföldfém-kobalt)
RCo5 és R2Co17 összetételű intermetallikus vegyületek
R: La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb…)
Szamárium, Prazeodímium
Hexagonális szerkezet  nagy kristályanizotrópia
HC = 400 - 700 kA/m
Típusok:
SmCo5
PrCo5
Pr0,5Sm0,5Co5
Sm2Co17
Törékeny (balesetveszély), kemény , normál körülmények
között nem korrodál, drága
Max. üzemi hőmérséklet 250oC
66
Fe - Nd - B mágnesek
• Ritkaföldfém
• Előötvözet, őrlés, sajtolás (izosztatikus, mágnesteres),
hőkezelés
• Gyémánttárcsás vágás
Korrodálnak (galvanikus Ni, Zn, műanyag bevonat)
• Galván Zn (15-30 mikrométer)
• Galván Ni (10 mikrométer) kemény, kopásálló, reped
• Zn-Ni
• Polimer bevonat (szerves)
Kevésbé törékeny. olcsóbb mint a SmCo
Max. üzemi hőmérséklet: 80-180 °C
67
Kemény ferritek (Hexagonális ferritek)
Nemfémes mágnesek, kerámiák
Báriumferrit
BaFe12O19
Stronciumferrit
SrFe12O19
BS kicsi (max. 0,46-0,47 T)
HC nagy (130-250 kA/m)  Nagy egytengelyű anizotrópia
Rideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés)
Szigetelő
Curie hőmérséklet alacsony
Olcsó, max. üzemi hőmérséklet 250 oC
68
KÖSZÖNÖM
MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem,
Anyagtudomány és Technológia Tanszék
MTA-BME Fémtechnológiai Kutatócsoport
1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 7. MT épület
Tel.: +36 1 463 2954 ; +36 1 463 1234
Fax: +36 1 463 1366
E-mail: [email protected]
www.att.bme.hu
69