BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék
Dr. Mészáros István
Mágneses tulajdonságok, mágneses anyagok Előadásvázlat 2013. 1
Az anyagok mágneses tulajdonságai Alkalmazási területek Jelentőségük (lágy: n*106 tonna/év, kemény: n*103 tonna/év) Ókori Kína ( II.sz.) 1880 1900 1923 1935 1946 1966 1975 1967 1976 1984 1992 1999 2006-2007
Iránytű Martenzites állandómágnes Fe - Si ötvözet Fe - Ni ötvözet Első mágnesszalag Ferritek megjelenése Ritkaföldfém - kobalt keménymágnesek Irányított Mn-Al-C keménymágnesek SmCo Fémüveg FeBNd FINEMET NANOPERM Nanokristályos magok, HGO, 6,3%Si
2
1
Mágneses tér ⇔ anyag kölcsönhatás B = µH B = µ0 µ r H = µ0 ( H + M ) M = κH =
1 ∑ Pi V
µr = 1 + κ Mágneses permeabilitás Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység)
µ0 = 4π ⋅ 10−7
Vs Am
Vs B 2 = T m A H m
3
Mágneses anyagok csoportosítása Gyengén mágneses anyagok Dia
(lezárt elektronhéj) κ < 0 (≈10-5) Univerzális tulajd. (Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au…)
Para (legalább egy páratlan elektron) κ > 0 (10-3 - 10-5) (Mg, Al, Ti, W…) Antimágnes Mágnesezési görbék
4
2
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok (3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet) Részlegesen betöltött héjak spínmomentumai. ↑↓ ↑
↑
↑
↑
µB =
qh 4πm
Fe: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 ⇒ 4 Bohr magneton
5
Domén szerkezet Bloch-fal (tömbi anyag) Könnyű mágnesezési irányok
Egyensúlyi állapotban, a domének mágnesezettsége valamelyik könnyű mágnesezési irányba mutat. ⇒ doménfalak típusai Fe [100] ⇒ 90° és 180° 6
3
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok típusai
Ferro ↑↑↑↑ (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) Antiferro ↑↓↑↓ (Cr, Mn) Ferri ⇑↓⇑↓ (Fe3O4, CrO2, ErO …)
7
Alapvető mágnesezési görbék 1,5
1
B(H), M(H)
B (T)
0,5
Hiszterézis hurkok (belső, mellék, telítési)
0 -800
-600
-400
-200
0 -0,5
200
400
600
800
Normál mágnesezési görbe Szűzgörbe Első mágnesezési görbe
-1
-1,5
H (A/m)
8
4
Hiszterézis görbéből származtatott fontosabb jellemzők Telítési indukció (BM) Remanens indukció (BR) Koercitív erő (Hc) Permeabilitások (µr): kezdő, maximális, differenciális Jósági szám (BH)max Szögletességi tényező BR//BM Veszteségi tényező
9
Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól) 10
5
Mágneses tulajdonságok hőmérsékletfüggése (ferromágnes)
BS
Ferro <=> Para Curie-hőmérséklet
µK
Reverzibilis, végtelenszer ismételhető
HC
T TC 11
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
H (A/cm)
25
50
75
100 12
6
Néhány ferromágneses anyag Curie-hőmérséklete Fe Co Ni Gd
770 1115 354 20
°C °C °C °C
13
Kicserélődési energia Heisenberg, Dirac (1926) Kicserélődési energia: két elektron között a Coulomb energián kívül fellépő, a spínállástól függő energiajárulék. Csak kvantummechanikailag értelmezhető. Felelős a momentumok párhuzamosra fordításáért.
14
7
Bethe
Antiferro-mágneses
18/8 korrózióálló acél Heussler-ötvözetek (Mn, Cr) MnBi, MnAl, MnAlC (szilárd oldat, nagy atomátmérő)
15
A műszaki alkalmazások lágy- és keménymágneses anyagai
16
8
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
17
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 18
9
Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál BM Nagy µ Nagy 1 A/m < HC < 80 A/m Fajlagos ellenállás Nagy Nagy Curie-hőmérséklet Alakíthatóság Nagy Veszteség Kicsi Hiszterézis terület Kicsi
Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak.
Mechanikai keménység ⇔ Mágneses keménység 19
Fe - Si ötvözetek (lemez) Erősáramú alkalmazás (nagy H, kis f) Traszformátor, dinamó-lemez (0,2 - 1 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 Goss, kocka textúra 20
10
Textúrált Fe - Si lemezek Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal Hengerlés ⇒ szemcse orientáció ⇒ anizotróp, textúrás szerkezet Mágnesezési irány meghatározott !!! KOCKA
GOSS (100)
(011)
(100)
(010)
Hengerlési, mágnesezési irány
21
Fe - Ni ötvözetek (Permalloy) 80% Ni - 20% Fe Kis telítési indukció (1,2 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 mágnestéres hőkezelés 22
11
Amorf – nanokristályos ötvözetek Vékony szalagok (0,02-0,05 mm) Eutektikus összetétel Átmeneti fém (Fe, Ni, Co) Nem fémes ötv.: (Si, P, N, C, B)
Fe, Ni, Co alapú amorf ötvözetek
Gyorhűtés (105 °C/sec)
Finemet: Fe74Cu1Nb3Si15B7 40-50 Vol% nanokristályos fázis 23
Nanokristályos állapot „szövetszerkezete”
24
12
0.8
0.6
0.4
B (T)
0.2
0 -100
-50
0
50
100
-0.2
-0.4
-0.6
Amorf (Finemet) Nanokristályos (Finemet)
-0.8
H (A/m) 25
26
13
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 27
Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál BM
Nagy
BR
Nagy
(BH)max
Nagy
Hiszterézis terület
Nagy
30 kA/m < HC < 800 kA/m Keménymágnes jelleggörbe 28
14
Keménymágnesek jellegzetes felhasználási területei Légrésben előírt indukció keltése / fenntartása. Drága, sokszor alakíthatatlan. Híradástechnika: hangszórók, mikrofonok, mikrohullámú eszközök Méréstechnika: galvanométerek Mechanikai mozgatás, rögzítés: DC motorok, emelő mágnesek Mágneses információ tárolás: magnó, videó, floppy, merevlemez
29
Fe - Al - Ni – Co ötvözetek Domen méretű ferromágneses fázis nem mágneses „kvázidomenfallal elválasztva. + alakanizotrópia Hc ≈ 30-50 kA/m 550 °C hőmérsékletig alkalmazható Kitűnő termikus stabilitás
30
15
Ritkaföldfém mágnesek • Ritkaföldfém (Sm, Nd) • Előötvözet, őrlés, sajtolás (izosztatikus, mágnesteres), hőkezelés • Gyémánttárcsás vágás HC = 400 - 700 kA/m
31
Samárium-Kobalt SmCo5 ill. Sm2Co17 összetételű intermetallikus vegyületek Porkohászat Hexagonális szerkezet ⇒ nagy kritályanizotrópia HC = 400 - 700 kA/m Rideg, törékeny Drága
32
16
Fe - Nd - B mágnesek Olcsóbb mint a SmCo Kevésbé törékeny Nd2Fe14B ferromágneses fázis (tetragonális rács) Korrodál (galvanikus Ni, Zn, polimer bevonat) Max. üzemi hőmérséklet: 80-180 °C
33
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) Curie hőmérséklet alacsony ⇒ prec. felhasználás nincs Olcsó 34
17
ESD mágnesek Elongated Single Domain Hosszúkás, egydomén méretű szemcsék (CuNiFe, MnBi, Fe3O4, Báriumferrit, Stronciumferrit…) Kötőanyag (műanyag, gumi, alacsony op. fém)
35
18
