FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Magnetski materijali – II. Meki magnetski materijali Ferosilicijske legure Feronikalne legure Praškaste mekomagnetske jezgre Feritne jezgre Permanentni magneti Tvrdi magnetski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak.
Download ReportTranscript FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Magnetski materijali – II. Meki magnetski materijali Ferosilicijske legure Feronikalne legure Praškaste mekomagnetske jezgre Feritne jezgre Permanentni magneti Tvrdi magnetski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak.
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Magnetski materijali – II. Meki magnetski materijali Ferosilicijske legure Feronikalne legure Praškaste mekomagnetske jezgre Feritne jezgre Permanentni magneti Tvrdi magnetski materijali ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. god. 2012/2013 Zagreb, 16. 11. 2012. Uvod Magnetski materijali važni za praktičnu primjenu su feromagnetski i ferimagnetski materijali (feriti, oksidni keramički materijali). Čisti feromagnetski materijali (Fe, Ni, Co i Gd) se rijetko upotrebljavaju, jer ne daju optimalne rezultate. Primjerice nikal ima malu indukciju zasićenja 0,6 T i malu električnu otpornost 0,1 mm2/m). Feromagnetski materijali se najčešće koriste u smjesama (legure i sinterirani materijali). Moguće kombinacije su: • međusobne smjese feromagnetskih elemenata • smjese feromagnetskih i ostalih materijala • smjese neferomagnetskih materijala (s feromagnetskim efektima) Uvod Za meke magnetske jezgre upotrebljavaju se: • • • • tehnički čisto željezo i meki čelici grupa ferosilicijskih legura grupa feronikalnih legura metalni i feritni materijali za praškaste jezgre Za tvrde magnetske jezgre upotrebljavaju se: • • • • • ugljični i legirani čelici disperziono kaljene legure željeza duktilni materijali specijalne legure (rijetke zemlje) tvrdi feriti Meki magnetski materijali Monokristalno tehnički čisto željezo (99,9 %) ima najbolja magnetska meka svojstva: Bz = 2,16 T, Hc 100 A/m, m 6000, p 300. Upotrebljavaju se specijalne vrste kao što su: •ARMCO željezo (dobiva se električnim taljenjem) •ELEKTROLITSKO željezo (dobiva se elektrolizom) •KARBONILNO željezo (u obliku sitnih kuglica promjera 10 m, koji se dalje može sinterirati) Upotreba: samo kod istosmjernog magnetiziranja (zbog male električne otpornosti 0,1 mm2/m), releji, polni nastavci, mali električni strojevi. Tehnički čisto željezo je nepraktično za masovnu tehnološku primjenu. Meki čelici (0,05 do 0,1% C). Lijevanjem i drugim tehnološkim postupcima izrađuju se u obliku punih jezgri. 4 Ferosilicijske legure Polikristalno željezo ima mnogostruko slabija svojstva, neophodno ga je legirati sa silicijem (Fe-Si legura, sa 0,5–4,5 % Si) i niklom (Fe-Ni legure, do 80% Ni). Legure željeza i silicija (Fe-Si) su jeftine i dobrih svojstava, pa zbog toga predstavljaju materijale koji se najviše primjenjuju u izradi limova, za transformatore i električne strojeve (naročito u području industrijskih frekvencija - 50 odnosno 60 Hz). Utjecaj silicija (Si) na željezo je višestruk i to: • povećava električnu otpornost (5% Si poveća s 0,1 na 0,65 mm2/m) • povećava početnu permeabilnost (pomaže izlučivanje ugljika u obliku grafita) • smanjuje koercitivnu silu Hc • smanjuje indukciju zasićenja Bm (s 2,16 T na 1,9 T) 5 Ferosilicijske legure Dodavanjem silicija smanjuju se gubitci magnetiziranja: • gubitci uslijed vrtložnih struja (zbog povećanog ) • gubitci histereze (zbog manje Hc i većeg ) Gubitci uslijed vrtložnih struja dodatno se smanjuju upotrebom tankih limova koji su međusobno izolirani (lamelirane jezgre). Smanjeni su gubitci magnetiziranja, ali je smanjena i indukcija zasićenja. Mora se uzeti veći presjek, što znači više bakra za isti broj zavoja, veće dimenzije i veću masu. Dodavanjem silicija materijal postaje tvrđi, krući, teže se obrađuje (reže ili štanca). To je i uzrok ograničenja gornje granice dodatka Si. 6 Ferosilicijske legure U praksi postoje toplovaljani limovi (do 4,5% Si) i hladnovaljani limovi (do 3,2% Si). Toplovaljani su valjani na povišenoj temperaturi uz dozvoljen veći postotak silicija jer materijal zagrijavanjem postaje dovoljno mek za obradu valjanjem. Toplovaljani limovi su izotropni (neorijentirani), tj. imaju ista magnetska svojstva bez obzira na smjer valjanja. U praksi se izrađuju uglavnom četiri vrste toplo valjanih magnetskih limova prema stupnju legiranja i to: •normalni limovi do 0,7 % Si •slabo legirani limovi s približno 1 % Si •srednje legirani limovi s 1,7 do 2,7 % Si •visokolegirani limovi s 3,4 do 4,5 % Si Standardima su ovi limovi podijeljeni na podgrupe prema gubicima kod 10 ili 15 kg (npr. P10 = 0,8 -0,9 W/kg kod 50 Hz). 7 Ferosilicijske legure Hladnovaljani limovi mogu biti izotropni i anizotropni (orijentirani). Anizotropni lim ima različita svojstva u odnosu na smjer valjanja. Hladnim valjanjem može se postići usmjerenost bridova kubnih rešetki u smjeru valjanja. Takav lim bit će magnetski najmekši u tom smjeru, a magnetski najtvrđi pod kutom od 450 stupnjeva na smjer valjanja. Nakon hladnog valjanja limova u jednom smjeru potrebna je specijalna toplinska obrada (kod 1200 0C u atmosferi vodika) čime se postiže porast kristala i praktički potpuno razugljičavanje legure. Na taj se način dobivaju limovi, koji uz 2,8 do 3,2 % Si i debljinu 0,35 mm imaju početnu permeabilnost 400 do 800, maksimalnu permeabilnost 40000 do 60000 i gubitke P10 = 0,5 W/kg. Krivulja magnetiziranja je znatno strmija. Petlja histereze ima oblik koji je sličan pravokutniku. Time se omogućuje bolje iskorištenje materijala i odabiranje viših radnih indukcija (npr. kod transformatora za 15 do 25 % više nego kod toplo valjanih limova). 8 Ferosilicijske legure Hladno valjani limovi imaju i neke tehnološke prednosti, pred toplovaljanim, kao što su glatka površina koju je lakše izolirati i to tanjim materijalom. To doprinosi boljem popunjenju (bolji faktor ispune), tj. manjim dimenzijama za istu snagu. Za transformatore se praktički isključivo koriste hladno valjani orijentirani limovi, a za rotacijske strojeve bilo hladno bilo toplovaljani, ali neorijentirani limovi (osim za polove). Kod transformatora limovi se slažu u jezgru vodeći računa da se smjer valjanja podudara sa smjerom magnetskog toka. 9 Ferosilicijske legure FeSi legure se izrađuju u dva osnovna oblika: •limovi standardnog formata (1000x2000 mm i 750x1500mm) •trake standardnih širina Za transformatore i male rotacijske strojeve se upotrebljavaju trake, a za srednje i veće strojeve limovi. Oblikovanje limova se može vršiti: •štancanjem •rezanjem Prerada je to lakša što je sadržaj Si manji. Rezati se mogu limovi sa sadržajem Si do 4,5 %, a štancati samo oni s manjim sadržajem Si. Debljine limova su: 0,3; 0,35; 0,5; 0,65 i 1 mm. Deblji lim pojednostavljuje tehnologiju, ali su vrtložne struje a time i gubici veći. Debljina limova i sadržaj Si se biraju optimiranjem (kompromis). 10 Ferosilicijske legure Limovi za rotacijske strojeve: Izrađuju se štancanjem, a samo jednostavniji oblici rezanjem. Kod te izrade uvijek ima mnogo otpada (zbog okruglog oblika i utora u limovima). Bruto težina upotrijebljenih limova je 1,4 – 1,55 neto težine izrađenih limova. Postoji više vrsta štancanja: Postoji više vrsta štancanja: •konturno: jednim udarcem preše se izradi samo okrugla ili segmentna kontura, a tek se poslije izrezuju utori o okrugli rez koji se upotrebljava uvijek kada su promjeri stroja manji od širine trake, odnosno formata lima, a to je do 1 m. o segmentni rez za promjere veće od standardnih dimenzija traka ili limova •kompletno: u jednom udarcu se izvede i kontura i utori, ali za to su potrebne preše sa mnogo većim pritiskom 11 Ferosilicijske legure • • • parcijalni rez: posebnim ili kombiniranim alatom se vrši u svakom udarcu preše jedna operacija (sve se vrši u jednoj preši) sljedni rez: za njega je potreban kombinirani alat sa 3 gnijezda. Kroz taj alat prolazi traka potrebne širine. Svako gnijezdo vrši jednu operaciju, a lim se nakon svakog udarca pomjera za jedno mjesto. Tako se odjednom može izrađivati i stator i rotor. tipni rez: za velike strojeve (hakanje). Okrugle konture izrezane konturnim rezom idu u alat u kome se okreću, a pri tom se utori izrezuju jedan po jedan. Limovi za transformatore: Izrađuju se: • • • štancanjem (za jako male transformatore raznih oblika, npr. E) rezanjem motanjem (najčešće za mjerne i male transformatore) 12 Ferosilicijske legure Najčešće se koriste trake zbog manje otpada jer duljine nisu ograničene kao kod standardnih limova. Prerada se obavlja: • običnim strojnim škarama (za male serije) • strojnim škarama za uzdužno, a posebno za poprečno rezanje • kombiniranim škarama, koje odjednom vrše uzdužno i poprečno rezanje I rezanje i štancanje izazivaju deformaciju kristalne rešetke što povećava gubitke. Utjecaj je daleko veći kod orijentiranih limova, a veći je i time što je duljina reza po kilogramu lima veća (što je oblik kompliciraniji). Pri štancanju su gubici veći nego pri rezanju. Dodatni gubici su izraženiji kod transformatora gdje se koriste orijentirani, uski limovi. Upravo zbog otklanjanja tih deformacija mora se vršiti naknadno žarenje (700-800 0C) u neutralnoj atmosferi dušika (da ne dođe do oksidacije) ili se žarenje mora izvesti jako brzo (iz istog razloga). 13 Ferosilicijske legure Izoliranje se ne obavlja samo kod jako malih, energetski nevažnih strojeva. Izolacija limova je različito izvedena. Starije izolacije su bile na bazi svilastog papira debljine do 30 m. Izoliranje lakovima debljine do 10 m je veoma dobre kvalitete. Izolacijske metode su i kemijski postupci stvaranja izolacije u obliku raznih oksida ili fosfata debljine 2 – 6 m. Izolacijska svojstva su im siromašnija nego kod lakova, ali su znatno tanji i toplinski postojaniji. Ponekad se izolacija izvodi pomoću kemijskog sloja i laka. U tom slučaju žarenje limova (700 - 800 0C) je potrebno obaviti prije lakiranja, jer lakirani limovi ne podnose termičke obrade. Ferosilicijske legure lim gubici 1 T (W/kg) gubici 1,5 T (W/kg) Hc (A/m) Bm (T) p m toplovaljani 0.8 - 0.9 2 80 1.9 400 - 600 15000 20000 hladnovaljani 0.5 1 50 1.9 1500 40000 60000 Usporedba hladno i toplovaljanih FeSi limova U ovu skupinu magnetskih materijala spadaju i legure: • Fe/Si/Al • Fe/Al • Fe/Co (valjanje do nekoliko m tek uz dodatak vanadija) 15 Legure željeza i aluminija Legura željeza sa silicijem i aluminijem (alsifer ili sendast). Sastav je 9,5 % Si, 5,6 % Al, a ostatak željeza. Visoka električna otpornost 0,8 mm2/m. Zbog velike tvrdoće i krhkoće mogu se samo lijevati; različiti magnetski oklopi, jezgre istosmjernih releja, dijelovi mjernih instrumenata. Debljina stijenke odljeva ne može biti tanja od 2-3 mm. Ako se samelje u prah alsifer služi za proizvodnju visokofrekvencijeskih praškastih jezgri. Početna permeabilnost iznosi 10000 do 35000, a maksimalna 110000. Koercitivna sila iznosi 0,016 A/cm, a indukcija zasićenja 1,1 T. Binarna legura željeza i aluminija (alfenol) 84 % Fe i 16 % Al. Permeabilnost do 50000 i koercitivna sila do 0,02 A/cm. Za izradu tankih limova toplim valjanjem (do 0,1 mm). Otporna na habanje (tonske glave kod magnetskih audio uređaja). Indukcija zasićenja samo 0,78 T. Legura alfer (13 % Al) s indukcijom zasićenja 1,4 T. 16 Feronikalne legure Nikal se dodaje željezu prvenstveno zbog magnetskog omekšanja. Željezo i nikal se mogu miješati u svim omjerima, te je na raspolaganju veliki broj legura s vrlo različitim svojstvima. Ipak, sve spadaju među magnetski najmekše materijale. Legure s manje od 30% Ni su jako nestabilne pa se ne upotrebljavaju. Kod 20 0C i 30 % Ni legura postaje paramagnetična. U praksi se najviše upotrebljavaju tri grupe legura; 36% Ni, 50% Ni i 78,5% Ni. 17 Feronikalne legure Legure s 36 % Ni odlikuju se dobrim magnetskim svojstvima i visokom električnom otpornošću (rometal). Legure s 50 % Ni odlikuju se relativno visokom indukcijom zasićenja, te nižom električnom otpornošću (radiometal, permaloj B). Za povećanje otpornosti dodaju se ovim legurama minimalne količine bakra. Hladnim valjanjem i naknadnom termičkom obradbom dobijaju se limovi i trake s usmjerenom kristalnom strukturom (kao da se radi o monokristalu). Legure s 78,5 % Ni imaju najmanju indukciju zasićenja i najmanju električnu otpornost. Međutim, ove legure imaju najvišu početnu i maksimalnu permeabilnost. Početna i maksimalna permeabilnost Fe-Ni legura raste s količinom nikla u području od 30 do 80 % Ni. Za veće količine nikla permeabilnost naglo opada. 18 Feronikalne legure sastav (% Ni) (mm2/m) Hc (A/m) Bm (T) p m 36 0,8 30 1,2 2000 10000 50 0,45 20 1,6 3000 35000 78,5 0,16 4 1 10000 100000 supermaloj 0,5 0.3 0,8 100000 1000000 Pregled svojstava FeNi legura Uvjet za postizanje visokih permeabilnosti kod Fe-Ni legura, naročito onih s preko 50 % Ni je specijalna toplinska obrada. Nakon žarenja na temperaturi od 900-1000 0C potrebno je naglo hlađenje u zraku ili vodi od temperature 600 0C do sobne temperature. Legure s manje od 50 % Ni praktički su neovisne od brzini hlađenja. O brzini hlađenja ovisi i koercitivna sila, u slučaju brzog hlađenja poprima male vrijednosti. 19 Feronikalne legure Ovisnost magnetskih svojstava o brzini hlađenja kod Fe-Ni legura, pri čemu se najbolja svojstva postižu naglim hlađenjem karakterizira naročito legure s 78,5 % Ni i naziva se permaloj-efekt. Pregrijavanje u radu ili nagle promjene temperature uništavaju strukturu ovih legura i kvare njihova magnetska svojstva. Feronikalne legure su osjetljivije na povišene temperature nego ferosilicijske legure. 20 Feronikalne legure Za povećanje električne otpornosti legura Fe-Ni s 78,5 % Ni, kao i za smanjenje utjecaja brzine hlađenja na magnetska svojstva, te povećanje permeabilnosti, dodaje se i treća komponenta (obično; Cr, Mo, Cu, Mn). Povećanje otpornosti legure s 78,5 % Ni u ovisnosti o količini molibdena prikazana je na slici. Jedna od ovih legura je permaloj C (78,5 % Ni, 3,8 % Cr, ostatak Fe) s električnom otpornosti 0,6 mm2/m i početnom permeabilnosti 12000. Legura Mu-metal (76 % Ni, 5 % Cu, 2 % Cr i ostatak Fe) ima električnu otpornost 0,45 mm2/m i početnu permeabilnost 20000. Permeabilnost raste povećanjem bakra na račun nikla, ali se smanjuje indukcije zasićenja. 21 Feronikalne legure Specijalnim toplinskim postupkom na temperaturi od 1300 0C i naknadnim napuštanjem kroz dulje vrijeme na nižim temperaturama postignut je uz sastav 79 % Ni, 5 % Mo, 15 % Fe, ostatak Mn, Si do sada najmekši materijal na bazi Fe-Ni (supermaloj, super-permaloj). Legure na bazi Fe-Ni imaju odlična tehnološka svojstva, te se iz njih daju valjati vrlo tanki limovi i trake debljine od 0,025 do do 0,35 mm. Zbog malih debljina, feronikalne legure imaju šire frekvencijsko područje upotrebe, sve do 100 kHz. Pri višim frekvencijama i u njima su preveliki gubici pa se za više frekvencije upotrebljavaju praškaste jezgre. Jezgre iz ovih legura su često motane izvedbe. Nakon namatanja toplinski se obrađuju i to u magnetskom polju kako bi se dodatno poboljšala magnetska svojstva. 22 Feronikalne legure Legure s 78,5 % Ni upotrebljavaju se za prenosne transformatore, strujne transformatore, releje. Legure s 50 % Ni upotrebljavaju se za tonfrekvencijske transformatore, magnetske regulatore, zaštitne releje, magnetska pojačala itd. Materijali s 36 % Ni koriste se za različite transformatore nižih i viših frekvencija. Fe-Ni legure se također upotrebljavaju za izradu visokofrekvencijskih mekomagnetskih praškastih jezgri. Feronikalne legure su također osjetljive i na mehanička naprezanja. Skupe su. 23 Feronikalne legure Uspoređujući ferosilicijske i feronikalne legure dobiju se odnosi u sljedećoj tablici, pri čemu (+) za znači bolje, a (-) lošije svojstvo. Hc (A/m) Bm (T) p m gubici obradivost cijena (mm2/m) Fe/Si manji - veća - viša + manji - manji - veći - lošija - niža + Fe/Ni veći + manja + niža - veći + veći + manji + bolja + viša - legura Svojstva ferosilicijskih i feronikalnih legura Kod velikih objekata, kao što su energetski transformatori i strojevi, a koji rade na niskim frekvencijama, prvenstveno su važni magnetska indukcija (zbog količine materijala) i cijena. Za to područje primjene prednost imaju ferosilicijske legure, a kod viših frekvencija najveći problem su gubici zbog vrtložnih struja i tu prednost imaju feronikalne legure. Konstrukcijske legure U feromagnetske konstrukcijske legure za gradnju električnih strojeva, aparata i različitih drugih uređaja ubrajaju se; sivi lijev, meki ugljični čelik i legirani čelici. Sivi lijev sadrži od 3,2 do 3,5 % ugljika, zatim Si, P, Mn i S. Koristi se za izradu lijevanih dijelova električnih strojeva, ležajnih štitova, kućišta, armatura, itd. Dijelovi iz sivog lijeva ne moraju se termički obrađivati. Magnetska svojstva su mu relativno dobra. Za dijelove kao što su osovine, polovi i pokretni dijelovi električnih strojeva većih brzina, koji su izvrgnuti vibracijama i udarcima, neophodna je upotreba čelika. Za lijevanje se koristi obično ugljični čelik s 0,08 do 0,2 % C. Izrađeni dijelovi se žare ne temperaturi od 850 do 900 0C. U slučaju velikih mehaničkih naprezanja upotrebljavaju se kovani čelici s 0,15 % C. Koriste se i legirani čelici s Ni, V, Cr i Mo. 25 Konstrukcijske legure Za polne nastavke velikih elektromagneta koriste se legure željeza s 50 do 70 % Co, čime se povisuje indukcija zasićenja do 2,4 T (permendur). U grupu nemagnetskih konstrukcijskih legura na bazi željeza pripadaju nemagnetsko lijevano željezo i nemagnetski čelici. Koriste se na mjestima gdje bi feromagnetičnost nekog konstrukcijskog dijela imala štetne posljedice na njegovo ispravno funkcioniranje (permeabilnost iznosi oko 1, električna otpornost 1,4 mm2/m) Nemagnetsko lijevano željezo dobro se obrađuje skidanjem strugotine. Paramagnetičnost ostaje do 400 0C. Upotrebljava se za izradu poklopaca, kućišta i armature uljnih sklopki i transformatora, kućišta transformatora za zavarivanje itd. Nemagnetski čelici se dobivaju legiranjem željeza niklom i kromom ili manganom. Primjer je legura sastava 0,25 – 0,35 % C, 22 – 25 % Ni, 2 -3 % Cr, ostatak željezo. Permeabilnost iznosi 1,05 do 1,20. 26 Praškaste mekomagnetske jezgre Iznad 100 kHz najveći problem su gubici vrtložnih struja, te se za to područje umijesto punih i lameliranih jezgri isključivo upotrebljavaju praškaste jezgre. Dvije su skupine praškastih jezgri: • metalne praškaste jezgre • feritne jezgre Metalne praškaste jezgre One su načinjene od mješavine metalnog feromagnetskog praha i veziva kao nemagnetskog materijala. Feromagnetski materijal se samelje u sitan prah, kuglice dimenzije 1-10 m. Vezivo je termostabilna smola, koja je po svojim električkim svojstvima izolacijski materijal. Komercijalni nazivi; ferokart, ferolit, sirufer. 27 Metalne praškaste jezgre Metalni prah se miješa s vezivom, te se od smjese stvaraju željeni oblici. Nakon toga se preša i peče da smola polimerizira. Kao metalni prah se upotrebljava mljeveno elektrolitsko željezo, karbonilno željezo, alsifer, permaloj, itd. Kao izolacijsko sredstvo i vezivo koristi se; vodeno staklo, šelak, fenolne smole, polistirol, itd. Kod metalnih praškastih jezgri se vrtložne struje zatvaraju kroz vrlo male površine, također je povećana i električna otpornost materijala. Znatno je smanjena permeabilnost i indukcija zasićenja. Zbog linearizacije krivulje magnetiziranja, permeabilnost je gotovo konstantna. 28 Metalne praškaste jezgre Kod metalnih praškastih jezgri se govori o efektivnoj permeabilnosti koja ovisi o izabranom feromagnetskom materijalu i o odnosu količine veziva i metala. Pojednostavljena formula za efektivnu permeabilnost je: e 1 1 3 gdje je: - postotak veziva - permeabilnost feromagnetskog materijala Uz minimalnu količinu veziva od 2% (a u praksi ga uvijek mora biti više), te vrlo veliku permeabilnost, efektivna permeabilnost bi iznosila 150. U praksi je je efektivna permeabilnost od 1,5 do 50. Metalne praškaste jezgre su podložne starenju. 29 Feritne praškaste jezgre Izrađuju se iz nemetalnog praha. Njihova opća formula je MO Fe2O3 , tj. smjesa željeznog oksida (ferita) i oksida nekog dvovalentnog metala (CuO, MnO, MgO, CoO, NiO itd.). U ovoj grupi materijala je i magnetit tj. feroferit (FeO.nFe2O3). Jednostruki ili jednostavni feriti (CuO.nFe2O3, MnO.nFe2O3) imaju permeabilnost oko 250, a Bm oko 0,7 T. Višestruki ili složeni feriti npr. ferit mangana i cinka (25 Mn0.25 Zn0.50 Fe2O3) ili ferit nikla i cinka (15 NiO 35 ZnO 50 Fe2O3) imaju permeabilnost oko 6000, a Bm oko 0,4 T. Pošto se radi o nemetalima, imaju velike specifične otpore, 1012 do 1016 veće od metnih legura, pa su im i gubici vrtložnih struja daleko manji. Iz tog razloga se upotrebljavaju pri najvišim frekvencijama. 30 Feritne praškaste jezgre Izrađuju se tako da se razni oksidi samelju, smiješaju i sinteriraju. Nakon toga se ponovo melju i oblikuju, eventualno uz dodatak organskog veziva, uz termičku obradu. Svojstva, osim o sastavnim materijalima, u velikoj mjeri ovise i o tehnološkom procesu proizvodnje (pritisci, temperature). Prednost ovih jezgra pred metalnim praškastim jezgrama je u: •većoj permeabilnosti •većem otporu •boljoj kompaktnosti Vidljivo je da čim su više frekvencije, veći je problem vrtložnih struja i sve veću važnost pri izboru materijala ima električna otpornost. Tom svojstvu podređuju se sva ostala svojstva. 31 Usporedne karakteristike m Br (T) Hc (A/m) (m) Fe-Si legure 3000-2000 0,8-1,2 3-120 10-7-10-6 Transformatorski i dinamo limovi Fe-Ni legure 15000150000 0,4-1 0,2-30 10-7-10-6 Magnetske induktivne glave, impulsni transformatori, magnetska pojačala Ni-Zn feriti 10-10000 0,1-0,4 16-1600 1-106 100-600 Širokopojasni transformatori, transformatori snage, prigušnice visokog Q-faktora (105-109 Hz) Mn-Zn feriti 10000100000 0,4 4-60 10-1-10 100-200 Širokopojasni transformatori, transformatori snage, prigušnice visokog Q-faktora (103-106 Hz), memorije T (0C) Primjena Usporedne karakteristike važnijih tipova magnetskih materijala, s primjenom 32 Primjena mekih magnetskih materijala Značajna primjena mekih magnetskih materijala u elektronici je za izradu zavojnica, transformatora i releja, čiji su simboli dani na sljedećoj slici. Simboli u električnim krugovima: (a) zavojnica bez jezgre; (b) zavojnica s feritnom jezgrom; (c) NF prigušnice (s jezgrom od željeznih limova); (d) VF transformator; (e) NF (mrežni) transformator; (f) relej. 33 Primjena mekih magnetskih materijala ZAVOJNICE su komponente u elektroničkim sklopovima, čija otpornost, tj. reaktancija (XL), ovisi ne samo od induktiviteta zavojnice (L), već i od frekvencije (f) napona koji je doveden na krajeve zavojnice: XL = 2πfL. Koriste se električnim sklopovima u kojima je potrebno da se od više različitih frekvencija neke izdvoje, a neke potisnu: u raznim oscilatorima, filtrima, radio-prijemnicima, radio-predajnicima i sl. Podjela zavojnica prema obliku vodljivog namota: gusto motane bez koraka, s korakom, višeslojne, samonosive, tankoslojne tiskane spiralne, debeloslojna čip-zavojnica na izolacijskoj podlozi. 34 Primjena mekih magnetskih materijala Podjela zavojnica prema jezgri: zavojnice bez magnetske jezgre i zavojnice s magnetskom jezgrom. Na sljedećoj slici dan je izgled više tipova zavojnica. Shematski prikaz zavojnica: (a) namotana gusto bez koraka; (b) s korakom; (c) višeslojna; (d) samonosiva; (e) tankoslojna tiskana i (f) debeloslojna čipzavojnica 35 Primjena mekih magnetskih materijala Fotografija više tipova zavojnica tvrtke TDK 36 Primjena mekih magnetskih materijala TRANSFORMATORI koriste magnetske jezgre zbog što jače induktivne veze između namota primara i sekundara. Mrežni transformatori se najčešće koriste u elektroničkim uređajima, npr. ulaznog napona 220 V, za dobijanje nižeg napona, npr. 12 V, koji se dalje vodi na ispravljač radi dobijanja odgovarajućeg istosmjernog napona potrebnog za rad elektroničkog uređaja. Izrađuju se s jezgrama od profiliranih limova Fe-Si legura (EI i UI profili, debljine 0,35 i 0,5 mm). Visokofrekvencijski transformatori se koriste u raznim pretvaračima, s feritnim jezgrama različitih oblika. Na sljedećoj slici prikazani su različiti tipovi ovih transformatora. 37 Primjena mekih magnetskih materijala (a) (b) Prikaz (a) EI i UI profiliranih limova mrežnih transformatora i (b) različitih oblika feritnih jezgri visokofrekvencijskih transformatora tvrtke TDK 38 Primjena mekih magnetskih materijala Fotografija tipova transformatora s feritnim jezgrama tvrtke Matsushita 39 Primjena mekih magnetskih materijala RELEJI su komponente koje, pod djelovanjem upravljačkog signala, uklapaju i isklapaju struju u elektroničkim sklopovima, radi regulacije režima rada, daljinskog upravljanja, automatske zaštite i signalizacije. Zajedničko za releje je elektro-mehanička veza između kontakata i kontaktnih grupa pod djelovanjem magnetske sile elektromagneta. Općenita podjela releja je na elektromagnetske releje i releje s hermetički zatvorenim kontaktima. Elektromagnetski relej imaju relativno tešku magnetsku kotvu koja se kreće pod djelovanjem elektromagneta. Postoje elektromagnetski releji za istosmjernu i izmjeničnu struju. Posebno značajnu ulogu u relejima imaju kontakti, koji imaju malu kontaktnu otpornost i osiguravaju pouzdani električni spoj. Na sljedećoj slici prikazan je vanjski izgled nekoliko tipova elektromagnetskih releja. 40 Primjena mekih magnetskih materijala Elektromagnetski releji za istosmjernu struju: (a) s kutnim i (b) paralelnim pomjeranjem kotve 41 Primjena mekih magnetskih materijala Fotografija nekoliko tipova elektromagnetskih releja tvrtke Lynnks Primjena mekih magnetskih materijala Releji s hermetički zatvorenim kontaktima (u plinsko zaštićenom zatvorenom staklenom kućištu, da bi se izbjegla oksidacija kontakta). Nazivaju se i jezičasti releji (engl. reed relay). Kod ovih releja, mehaničko kretanje je svedeno na minimum (10100 μm) i sastoji se u pomjeranju kraja laganog Fe-Ni jezička (opruge), presvučenog rodijom (Rh) kako bi se spriječilo zavarivanje kontakta pri većim strujama. Ovi releji su brzi i dugotrajni (izdržavaju oko 108 prekidanja u svom radnom vijeku). Obično se postavljaju u plastično kućište čiji se otvori zatapaju epoksi smolom, kroz koju su izvučeni pozlaćeni kontakti. 43 Primjena mekih magnetskih materijala Prikaz (a) poprečnog presjeka hermetički zatvorenog releja, s zavojnicom oko staklene cjevčice i (b) fotografija nekoliko tipova releja tvrtke Meder 44 Tvrdi magnetski materijali Predstavnici: ugljični i legirani čelici, ALNICO legure, duktilni materijali, smjese rijetkih zemalja sa Co i Fe (SmCo5, Sm2Co17, NdxFeyB1-x-y ...), tvrdi feriti, itd. Primjena: u izradi permanentnih (trajnih) magneta, magnetske memorije (MRAM)... Najvažniji kriterij za ocjenu kvalitete materijala za izradu permanentnog magneta je količina akumulirane magnetske energije koju materijal jediničnog volumena može predati zračnom rasporu. 45 Permanentni magneti Promatra se jezgra torusnog oblika namotana sa N zavoja žice. Jezgra je načinjena od tvrdog, feromagnetskog materijala. Neka je vektor magnetiziranja M=0. Poveća li se struja od i = 0 do i = I jezgra se magnetizira, a jakost magnetskog polja H i indukcije B poprime odgovarajuće iznose. Smanji li se struja od i=I na nulu, jakost magnetskog polja također poprimi vrijednost nula H=0, dok magnetska indukcija poprima vrijednost Br. 46 Permanentni magneti Dakle i nakon uklanjanja vanjskog polja, a zbog histereznog efekta feromagnetska jezgra zadržava dio magnetiziranja i postaje permanentni magnet. Permanentnom magnetu pripada dio karakteristike iz II kvadranta. Kod permanentnih magneta u načelu se razlikuju dva slučaja s obzirom na postojanje zračnog raspora: •magnet nema zračni raspor •magnet ima zračni raspor Magnet nema zračni raspor (a prethodno je jezgra bila pobuđena), tada je u jezgri magnetska indukcija B jednaka remanentnij indukciji Br, a jakost magnetskog polja H jednaka je nuli. Magnet ima zračni raspor (a prethodno je jezgra bila pobuđena), tada je u jezgri magnetska indukcija B manja od remanentne indukcije Br, a jakost magnetskog polja H je različita od nule. 47 Permanentni magneti Magnetski tok u zračnom rasporu jednak je onom u magnetu: B S B0 S0 0 H0 S0 Međusobni odnos jakosti magnetskog polja unutar magneta i u zračnom rasporu određen je II. Kirchhoffovim zakonom za magnetski krug: H l H0l0 0 48 Permanentni magneti gdje je: H - jakost polja u magnetu H0 - jakost polja u zračnom rasporu l - srednja duljina silnice u magnetu l0 - srednja duljina silnice u zraku Dijeljenjem prethodne dvije jednadžbe dobije se: H 1 Sl 0 tg B 0 S 0l Slijedi: H 1 l0 B0 0 l Predznak minus upućuje na zaključak da su jakost magnetskog polja H i indukcije B u magnetu međusobno suprotno usmjereni. 49 Permanentni magneti Kut prikazan je na sljedećoj slici. Na osnovu iznesenog slijedi: • • omjer jakosti magnetskog polja H i indukcije B u magnetu ovisi samo o dimenzijama magneta i zračnog raspora indukcija u zračnom rasporu B0 to je manja što je veća duljina zračnog raspora l0 u odnosu prema duljini magneta l 50 Permanentni magneti Prethodne jednadžbe omogućuju da se odrede, za zadane dimenzije permanentnog magneta, indukcija B i jakost magnetskog polja H u magnetu. Poznavajući indukciju B u magnetu, može se izračunati indukcija u zračnom rasporu: B0 S B S0 Indukcija u zračnom rasporu B0 može se izraziti i na drugi način: lS B 0 B H l0 S0 2 0 Umnožak lS jest obujam magneta V, a umnožak l0S0 obujam zračnog raspora V0. S uvedenim prikratama posljedna jednadžba postaje: 51 Permanentni magneti B0 V 0 B H V0 Indukcija u zračnom rasporu B0 proporcionalna je obujmu magneta i umnošku BH, a obrnuto proporcionalna obujmu zračnog raspora. Zbog toga je poželjno da se za radnu točku odabere točka na krivulji demagnetiziranja s najvećim umnoškom BH. Umnožak BH naziva se energetski produkt. Prethodno je prikazana krivulja umnoška BH čiji je maksimum približno u presjecištu krivulje demagnetiziranja s dijagonalom pravokutnika čije su stranice Br i Hc. Za kvalitet permanentnog magneta mjerodavan je i faktor izbočenosti: fi ( B H ) max Br H c 52 Ugljični čelici Ugljični čelici su najstarija grupa tvrdih magnetskih materijala za izradu stalnih magneta. Osnovni uvjet da bi se neki ugljični čelik mogao koristiti za izradu permanentnih magneta je da se može kaliti. To su čelici sa sadržajem ugljika od 0,8 – 1,2 %. Zagrijavanjem i naglim hlađenjem taline čelika na sobnu temperaturu dobiva se martenzitet, ferit velike mehaničke tvrdoće s relativno velikom koercitivnom silom. Ovaj materijal je podložan starenju, tj. koercitivna sila slabi sa vremenom. Magnetska svojstva ovise o sadržaju ugljika i postignutoj strukturi. S povećanjem sadržaja ugljika raste koercitivna sila, ali opada remanentna indukcija. 53 Legirani čelici Bolji rezultati se postižu čelicima legiranima sa Cr, W i Co. Kromov čelik (6 % Cr, 1% C, ostatak Fe). Kali se u ulju. Volframov čelik (6 % W, 0,35 % Cr). Veća koercitivna sila i energetski produkt. Kali se u vodi. Kromovi i volframovi čelici dodavanjem kobalta (između 3 i 35 % Co) dosežu koercitivne sile od 200 A/cm, u odnosu na 50 A/cm, 60 A/cm kod ugljičnih, te kromovih i volframovih čelika. Prije kaljenja se dobro obrađuju. Kaljenjem poprimaju konačna svojstva. Zbog ipak male Hc moraju biti dugački, a zbog malog energetskog produkta su za određenu akumuliranu energiju veliki. Znatno veći energetski produkt imaju tvrdi čelici sa sadržajem manje od 0,03% C. 54 AlNiCo legure Disperziono kaljeni materijali su višestruke legure, poznate pod trgovačkim nazivima ALNI (10-15 % Al, 25-30 % Ni, ostatak je Fe) ALNIKO (Al, Ni, Co i Fe), ALNIKOKU (10 % Al, 18% Ni, 12 % Co, 6 % Cu i ostatak Fe). Imaju finu strukturu i odlična magnetska svojstva. Koercitivna sila ide do 560 A/cm. Zbog dodatka aluminija su lakše i otporne na koroziju. Tvrde su i krhke, obrađuju se lijevanjem, brušenjem ili prešanjem njihovog praha i organskog veziva, a zatim pečenjem. U tom slučaju gube nešto na svojim svojstvima. Kompliciraniji oblici se proizvode sinteriranjem. Ove legure su relativno skupe. Primjenjuju se u izradi stalnih magneta koji se koriste u mjernoj tehnici. 55 AlNiCo legure Znatno poboljšanje magnetskih svojstava ovih legura postiže se djelovanjem jakih magnetskih polja na materijal u toku hlađenja. Hlađenje materijala ide od temperature 1200 0C određenom brzinom, u magnetskom polju jakosti približno 2500 A/cm. U smjeru djelovanja polja postiže se usmjeravanje strukture materijala tj. anizotropija. Koercitivna sila se ne mijenja, ali se poveća remanencija i energetski produkt. Na slici su krivulje demagnetiziranja i energetskog produkta za anizotropnu leguru na bazi aluminija, nikla i kobalta u smjeru i okomito na smjer orijentacije polja. 56 Duktilni materijali Svi prethodno navedeni materijali su izuzetno mehanički tvrdi. Duktilni materijali su mehanički najmekši permanentni magneti. To su legure sastava 60 % Cu, 20 % Ni i 20 % Fe komercijalnog naziva kunife i magnetofleks. Sličnih svojstava je i legura kuniko (50 % Cu, 21 % Ni, i 29 % Co). Glavna prednost su im dobre tehnološke sposobnosti, pa se iz njih izrađuju proizvodi strojnom obradom, rezanjem i štancanjem u obliku tankih traka i žica. Znatno tvrđa legura, ali još uvijek prihvatljiva sa stanovišta obrade je vikaloj ili koercit legura (52 % Cu, 10 % V i 38 % Fe). 57 Tvrdi feriti Tvrdi feriti su mješavina oksida željeza (Fe2O3) i raznih metalnih oksida (Ba, Sr, Co, ...). Izmiješani prah se oblikuje, zatim sinterira na temp. od 1000 0C, magnetizira na 300 0 C i hladi u magnetskom polju. Prednost im je veliki otpor i mala težina, a nedostatak toplinska osjetljivost. Remanencija je do 0,4 T, a koercitivna sila oko 480 A/cm. Specijalnim sastavom i termičkom obradom dobijaju se i veće koercitivne sile (megnetofonske vrpce - u obliku praha na vrpcu iz plastične mase). Primjenjuju se u izradi mikrofona, statora automobilskih starter-motora,... Zbog veće trajnosti upisanih podataka, koriste se i za magnetske memorije (Ba- i Co-feriti). Ba-feriti su jeftiniji od Sr-ferita. 58 Spojevi rijetkih zemalja Spojevi rijetkih zemalja (samarij - Sm, neodimij – Nd...) s kobaltom i željezom, relativno su nova grupa tvrdih magnetskih materijala. Obrađuju se lijevanjem, sinteriranjem i lijepljenjem, pri čemu je najaktualnije sinteriranje. Po magnetskim svojstvima su bolji od AlNiCo legura i tvrdih ferita. Krtiji su i osjetljiviji na udarce. Očita rezerva krije se u malom faktoru izbočenosti, koji se nastoji povećati. Najčešći spojevi su SmCo5 i Sm2Co17, koji su vrlo skupi jer sadrže rijedak element samarij (Sm). Postoje i magnetske legure NdxFeyB1-x-y, gdje je Sm zamijenjen jeftinijim neodimijem (Nd). Prednost Nd-Fe-B legura je to što su znatno manje osjetljive na udarce od Sm-Co spojeva, a nedostatak im je znatno niža Tkr. Zajednički nedostatak im je neotpornost na koroziju, zbog čega se premazuju zaštitnom bojom. Očekuje se šira primjena, posebno znatno jeftinijih Nd-Fe-B legura, za izradu minijaturnih i snažnih magneta u elektronici, mjernoj tehnici, HI-FI uređajima, automatici, zrakoplovnoj i svemirskoj industriji... Spojevi rijetkih zemalja Glas Amerike, 8. prosinca 2010. god. Nedavni spor Kine i Japana doveo je u središte pozornosti pitanje opskrbe lantanidima, skupinom od 15 kemijskih elemenata od lantana do lutecija, s atomskim brojevima od 57 do 71 u periodnom sustavu. Poznati i kao 'rijetke zemlje', ti su se elementi pokazali jednim od argumenata Kine, koja je Japanu prvo zaprijetila, a onda zaista i obustavila isporuku pošiljki tih materijala........Premda Kina niječe da provodi blokadu isporuke lantanida, svijet je shvatio da bi to moglo postati izvor problema svima, a ne samo Japanu. Kina u svojim rudnicima vadi 97 posto svjetske proizvodnje rijetkih zemalja, koji se prodaju po cijeni od gotovo tisuću dolara po kilogramu. Najveći dio izvoza prodaje se Japanu, gdje se koristi u proizvodnji čitavog niza proizvoda, od stakla za solarne panele pa do motora koje koriste hibridni automobili, poput Toyote Prius. Usporedne karakteristike Tkr (0C) Primjena 750-900 Stalni magneti (mjerna tehnika) 3-30 450 Stalni magneti (auto- industrija, mikrofoni) 0,3-0,4 25-30 450 Stalni magneti (auto- industrija, mikrofoni) 900 1,1 240 725 Minijaturni magneti (elektronika, mjerna tehnika) 500 1,4 390 920 Minijaturni magneti (elektronika, mjerna tehnika) Vrsta Hc (kA/m) Br (T) (BH)m (kWs/m3) fi Hmag (kA/m) ugljični čelici 4 - 20 1 1-8 0,4 64 AlNiCo legure 50-100 0,5-1,4 10-60 duktilni 40 - 60 0,3- 0,5 3-7 0,4 300 Co - rijetke zemlje 700 0,9 160 0,4 5000 oksidni 150 0,2- 0,4 7-8 0,2 400 Ba-feriti 80-250 0,1-0,4 Sr-feriti 300 SmCo5 Sm2Co17 61 Temperaturna ovisnost tvrdih magnetskih materijala Svojstva magnetskih materijala za izradu permanentnih magneta su temperaturno ovisna. Ovi materijali su uslijed dugotrajnog djelovanja povišenih temperatura podložni starenju. Permanentni magneti imaju široku primjenu; u kućanskim aparatima, mjernoj tehnici, medicini, rotacijskim strojevima... 62 Krivulje demagnetiziranja tvrdih magnetskih materijala Krivulje demagnetiziranja za nekoliko tvrdih magnetskih materijala: (1) NdxFeyB1-x-y, (2) Sm2Co17, (3) SmCo5, (4) PtxCo1-x,(5) tvrdog ferita, (6) AlNiCo s velikim Hc, (7) AlNiCo s malim Hc 63 Primjena tvrdih magnetskih materijala Magnetske memorije: Glavna primjena magnetskih materijala u elektronici i računarskoj tehnici je za izradu magnetskih memorija. Nekada se smatralo da su za magnetske memorije pogodniji meki magnetski materijali, s uskom histereznom petljom (Fe2O3, CrO2, Mn-Zn feriti i Mg-feriti), zbog manje energije potrebne za premagnetiziranje memorijskog sadržaja. Međutim, danas se koriste uglavnom tvrdi magnetski materijali (Ba-feriti, Co-feriti, FeCo legure, Co-Ni legure i MMD materijali), čiji veći energetski produkt daje jače signale u elektromagnetskoj glavi i bolji odnos signal/šum, kao i veću gustoću zapisa. Magnetske induktivne glave za upisivanje-očitavanje podataka, s jezgrom od meke magnetske Fe-Ni legure (permaloj i sl.), standardno se koriste za upisivanje i očitavanje informacija s magnetskog diska. Strujom se magnetizirju domene u disku tijekom memoriranja, dok domene na disku induciraju struju tijekom očitavanja podataka, pri čemu smjer struje ovisi od lokalnog smjera magnetskih domena u disku. 64 Primjena tvrdih magnetskih materijala Magnetsko rezistivne glave za očitavanje podataka, napravljene su na bazi FeNi legura, pri čemu im se električna otpornost mijenja ~ 2% pri promjeni stanja magnetizacije tijekom očitavanja memoriranog podatka; ali i dalje je potrebna induktivna glava za upisivanje podataka. Iako je ovaj upisivačkoočitavački mehanizam složeniji, on omogućava veću preciznost i dvadesetostruko veću gustoću zapisa (~ 180 Mbit/cm2) od klasičnih, što čak nadmašuje i optičke i magnetooptičke, kao i poluvodičke memorije. Pri tome je važno da raspor između glave i diska bude što manji (~ 100 nm), kao bi se smanjile pogreške u memoriranju i očitavanju podataka. Magnetski diskovi se prave nanošenjem magnetskog sloja na nemagnetski Al-disk: magnetski sloj je napravljen utapanjem malih magnetskih čestica u polimersku masu, što omogućava brzu rotaciju domena kao odziv na promjenu smjera magnetskog polja elektromagnetske glave. S druge strane, magnetske trake za audio i video-kazete izrađuju se naparavanjem čestica magnetskog materijala na polimersku traku. 65 Primjena tvrdih magnetskih materijala Opisani magnetski memorijski diskovi su relativno spori (~ 10 ms) zbog mehaničkog pristupa rotacije diska, a zahtjevaju i veoma skup upisivačkoočitavački mehanizam, što omogućava ekonomičnost samo velikih memorija. Shematski prikaz upisivanja i očitavanja podataka s magnetskog diska, korištenjem magnetske induktivne glave, na principu elektromagnetske indukcije 66 Shematski prikaz izrade limova traka standardne širine stroj za uzdužno rezanje rezane uske trake lim standardni format I stroj za poprečno rezanje II stroj za poprečno rezanje III stroj za poprečno rezanje IV stroj za poprečno rezanje V stroj za motanje peć za žarenje uređaj za lakiranje slaganje jezgre slaganje jezgre peć za žarenje slaganje jezgre uređaj za lakiranje slaganje jezgre peć za žarenje VI preša za štancanje VII preša za štancanje brušenje VIII preša za štancanje brušenje IX preša za štancanje brušenje peć za žarenje paketiranje lakiranje paketiranje lakiranje paketiranje paketiranje 67 Shematski prikaz izrade limova Opis shematskog prikaza izrade limova I. prerada orijentiranih limova za transformatore u slučaju da je ulazni materijal neizoliran ili izoliran fosfatnim izolacijama kada je uz fosfatnu izolaciju potrebno dodatno lakiranje i žarenje II. nema žarenja ni lakiranja upotrebljava se kod izrade transformatorskih jezgri od lakiranih ili fosfatiranih limova III. izrada transformatorskih jezgri gdje je ulazni materijal fosfatiran kad ga je potrebno žariti, ali ne treba ga dodatno izolirati IV. izrada transformatorskih jezgri od orijentiranih limova kada ulazni materijal nije ničim izoliran ili je izoliran fosfatnom izolacijom ili lakom kada nije potrebno žarenje ali je potrebno dodatno lakiranje V. izrada transformatorskih jezgri od orijentiranih limova motanjem, kada je potrebno žariti ulazni materija, koji može biti samo fosfatiran ili oksidiran. Naknadno izoliranje je nemoguće 68 Shematski prikaz izrade limova VI. ulazni materijal je toplo ili hladno valjani neorijentirani lim neizoliran ili izoliran fosfatnom izolacijom kad ne treba dodatno izolirati. Brušenje se katkad vrši da bi se odstranilo srh (deformacija na mjestu reza) koji bi mogao napraviti kratki spoj između limova. Primjenjuje se pri izradi rotora i statora paketa malih rotacionih strojeva. VII. hladno ili toplo valjani izolirani limovi ili neizolirani ako se trebaju žariti i pri žarenju istovremeno oksidirati (ubacujemo vodenu paru) VIII. toplo valjani neizolirani limovi za strojeve velikih promjera kad je potrebno dodatno lakiranje IX. toplo valjani neizolirani ili izolirani limovi kad nije potrebna nikakva izolacija niti žarenje