2013.05.08.
Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2012/13
Mágneses anyagok
Dr. Szabó Péter János
[email protected]
Mágneses tér ⇔ anyag kölcsönhatás leírása B = µH
µ0 = 4π ⋅ 10−7
B = µ0 µ r H = µ0 ( H + M ) M = κH =
1 V
∑ Pi =
1 P V
µr = 1 + κ Mágneses permeabilitás
Vs Am
Vs B 2 = T m A H m
Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység) 2
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
3
1
2013.05.08.
Rendezett mágneses szerkezetű anyagok Szilárd test mágneses momentuma: a párosítatlan spínű elektronok spinmomentumainak eredője. (3d, 4f héj telítetlen, doménszerkezet)
↑↓ ↑
Fe: Co: Ni:
↑
↑
2s2
2p6
3s2
qh qh = 4πm 2m
↑
3d6 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2
1s2
µB =
3p6
⇒ 4 Bohr magneton ⇒ 3 Bohr magneton ⇒ 2 Bohr magneton 4
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.
Ferro ↑↑↑↑ (Fe, Co, Ni, Gd), ötvözetek, Heussler (Mn, Cr) Antiferro ↑↓↑↓ (Cr, Mn) Ferri ⇑↓⇑↓ (Fe3O4, CrO2, ErO …)
5
Domén - doménfal
Kicserélődési kölcsönhatás => párhuzamos momentum beállás
6
2
2013.05.08.
Klasszikus mágneses jellemzők
7
Hiszterézis görbéből származtatott jellemzők Első mágnesezési (szűz) görbe, dinamikus középgörbe M(H) és B(H) hiszterézis görbék Belső, mellék hiszerézis. Telítési indukció (BM), Remanens indukció (BR), Koercitív erő (Hc) Permeabilitások (µr): kezdő, maximális, differenciális, növekményes (irreverzibilis) Irreverzibilis és reverzibilis komponens Jósági szám (BH)max, négyszögletességi tényező BR//BM stb. 8
Hőmérsékletfüggés (ferro) Reverzibilis
BS Curie hőmérsékletek
µK
HC
T
Fe Co Ni
1043 K 1388 K 627 K
TC Ferromágnes
Curie-hőmérséklet
Antiferro mágneses
Néel-hőmérséklet
9
3
2013.05.08.
Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól) 10
Mágnes tulajdonságok változtatásának lehetőségei A műszaki alkalmazások lágy és keménymágneses anyagai
11
Mágneses anyagok csoportosítása műszaki szempontból:
Lágy Félkemény Kemény
Hc < 1 A/cm (0,01) Hc > 400 A/cm (7000)
12
4
2013.05.08.
Lágy- és keménymágneses anyagok
Soft magnetic
M
Hard magnetic Hc
M
Hc H
HC = 0.01 – 1 A/cm
H
HC = 400 – 7000 A/cm 13
Mágneses anizotrópia (energia) Könnyű és nehéz mágnesezési irányok. Görbék alatti területek különbsége.
14
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 15
5
2013.05.08.
Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál BM µ HC Fajlagos ellenállás Curie-hőmérséklet Alakíthatóság Hiszterézis terület
Nagy Nagy Kicsi Nagy Nagy Nagy Kicsi
Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak.
Mechanikai keménység ⇔ Mágneses keménység 16
Tiszta Fe BS (20°C) = 2,15 T µmax = 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 Nem kézbentartható
17
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 %
18
6
2013.05.08.
Textúrált Fe - Si lemezek Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal Hengerlés ⇒ szemcse orientáció ⇒ anizotróp, textúrás szerkezet Mágnesezési irány meghatározott !!! GOSS
KOCKA
(100)
(100)
(010)
(011)
Hengerlési, mágnesezési irány
19
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
20
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 21
7
2013.05.08.
Amorf – nanokristályos ötvözetek Finemet Fe74Cu1Nb3Si15B7 40-50 Vol% nanokristályos fázis Vékony szalagok (0,02-0,05 mm) Eutektikus összetétel Átmeneti fém (Ni, Co, Fe, Mn) Nem fémes ötv.: (Si, P, N, C, B)
Fe, Ni, Co alapú amorf ötvözetek
Gyorhűtés (105 °C/sec) 22
23
Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál BM
Nagy
BR
Nagy
(BH)max
Nagy
Hiszterézis terület
Nagy
HC > 400 A/cm
Nagy
Permeabilitás
X
Keménymágnes jelleggörbe 24
8
2013.05.08.
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
25
Keménymágnek néhány típusa Martenzites (W)
(olcsó, klasszikus)
Alnico, Ticonal
(szokásos, tömegtermék)
Cu-Ni-Co, Fe-Co-V (közepes, alakítható) Pt-Co, Pt-Fe
(kitűnő izotróp mágnes, drága)
R-Co
(kitűnő, magas ár, 0,1-1 g)
Nd-Fe-B
(kitűnő, de alacsony TC)
Hexaferritek
(olcsó, porkohászat, egyszerű alkalmazások) 26
9
