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

Példák lágy és keménymágneses anyagokra

Mágneses tér  anyag kölcsönhatás leírása Mágneses permeabilitás Mágneses szuszceptibilitás (érzékenység)

Mágneses dipólusmomentum Homogén mágneses térben momentumra erő nem hat csak nyomaték. Momentum energiája csökken ha térirányba áll be. Egymással igyekeznek párhuzamosra beállni.

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 Pályamomentumok kompenzálják egymást (befagynak)  Csak a betöltetlen héjak spinmomentumait kell számításba venni.

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…)

Közel ideális diamágnesek „lebegése” Meissner-effektus

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 …)

Rendezett szerkezetű mágneses anyagok jellemzése (hiszterézis)

Klasszikus mágneses paraméterek mérése

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.

Hőmérsékletfüggés (ferro) Ferromágnes Hőmérsékletfüggés (ferro) Ferromágnes Curie-hőmérséklet Antiferro mágneses Néel-hőmérséklet

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)

A mágneses tulajdonságokat meghatározó energia tagok Kicserélődési energia Kristályanizotrópia energia Magnetoelasztikus energia Doménfal energia Momentum beállásból származó (entrópia) többlet Magnetosztatikus és lemágnesező energia

Problémák 1. Mi az oka a rendkívül erős mágneses tulajdonságoknak? 2. Miért nincsen mágneses tulajdonsága a magas hőmérsékletről lehűtött ferromágneses anyagoknak?

Mi határozza meg a domének méretét? 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?

Magnetosztatikus energia H külső tér, M mágnesezettségű minta (N: alaktényező)

Magnetostrikció, magnetoelaszticitás Mágneses tér hatására történő méretváltozás.  a telítéshez tartozó érték (50-100 10-6) Pl: 1 m hosszú  =100 10-6 Méretvátozás: 0,1 mm Fe  >0, Ni <0 ultrahang generátor transzformátor zúgása

Magnetostrikció Pokikristályos Egykristályos

Könnyű és nehéz mágnesezési irányok. Görbék alatti területek különbsége.

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°

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.)

Kerr mikroszkópiával készült domenkép: Nd16Fe76B8

Domének vékonyréteg gránát egykristályban, polarizált fényben

FERROMÁGNESES DOMÉNEK Kimutatás: Bitter-módszerrel Domének izotróp Fe-Si transzformátor-lemezben

Domenhatárok kockatexturált transzformátor-lemezben. [100]

Az átmágneseződési folyamat kinetikája Falmozgás reverzibilis irreverzibilis (irány mindig KI) Forgás inkoherens koherens (irány eltér a KI-tól)

Reverzibilis falmozgás vas egykristályon

Falmozgás Fe-Co ötvözeten

Hőmérsékletfüggés (ferro) Reverzibilis, végtelenszer ismételhető Hőmérséklet érzékelők, tűzjelzők, forrasztó páka … Ferromágnes Curie-hőmérséklet Antiferro mágneses Néel-hőmérséklet

Klasszikus mágneses jellemzők

Barkhausen-zaj Mágnesezés mechanizmusa: 1. reverzibilis doménfalmozgás 2. irreverzibilis doménfalmozgás, doménfalak ugrásszerű mozgása  Barkhausen-zaj (kvázi-sztohasztikus zaj) 3. inkoherens forgás 4. koherens forgás

Barkhausen-zaj függ : mechanikai feszültségi állapot szövet- ill. diszlokációs szerkezet Vizsgálati (roncsolásmentes) módszer 1975-től

Mágnes tulajdonságok változtatásának lehetőségei A műszaki alkalmazások lágy és keménymágneses anyagai

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).

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

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

Felhasználói igények a lágymágneses anyagoknál BM Nagy  Nagy HC Kicsi Fajlagos ellenállás Nagy Curie-hőmérséklet Nagy Alakíthatóság Nagy Veszteség Kicsi Hiszterézis terület Kicsi Tiszta fémek és homogén szilárd oldatok. Ötvözetek jobbak. Mechanikai keménység  Mágneses keménység

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.

Lágymágnes anyagok néhány típusa Veszteségi tényező: v1.0 , v1.5 , v1.7

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

Tiszta Fe Magnetostrikció  erős feszültség függés Feszültség mentesítés, hőkezelés

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 %

Textúrált Fe - Si lemezek Külső H párhuzamos valamelyik könnyű mágnesezési iránnyal Hengerlés  szemcse orientáció  anizotróp, textúrás szerkezet Mágnesezési irány meghatározott !!!

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

Amorf ötvözetek, üvegfémek, nanokristályos ötvözetek A amorf NC nanokristályos MC mikokristályos FINIMET kevert Rendkívül kis HC Barkhausen zaj nincs 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 Transzformátor mag: Fe-Si-B-(C) Fe-Co-B-Si Ni40-Fe40-P14-B6 Fe29-Ni49-P14-B6-Si2

Nanokristályos mag – Ferrit mag

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

Lágy ferritek, gránátok Köbös spinel szerkezet: O ionok FKK Fe ionok oktaéderes 1/2 0 0 tetraéderes 1/4 1/4 1/4 M ionok oktaéderes

Felhasználói igények a keménymágneses anyagoknál BM Nagy BR Nagy (BH)max Nagy Hiszterézis terület Nagy HC  4kA/m 50[Oe] Nagy Keménymágnes jelleggörbe

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).

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

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)

Keménymágneses anyagok összehasonlítása Alnico, Kemény ferrit, NdFeB, R2Co17, RCo5

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.

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 „kvázi-domenfallal elválasztva. + Alakanizotrópia.

Alnico technológia Hőkezelés Rideg  öntés, porkohászat 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

Irányított hőelvonás Kristálynövekedés leggyorsabb az <100> irányokban Alakanizotrópia Anizotróp mágnes [100] KI Könnyű mágnesezési irány

Cu-Ni-Fe, Cu-Ni-Co Alakítható keménymágnesek Gyengébb minőségű mint az Alnico de képlékenyen alakítható.

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)

Pt - Co, Pt - Fe Legjobb keménymágnes 80% Pt (drága) fkk rács + rendeződés 850 °C-ról hűtés 600-650 °C rendeződés (nagy kristály anizotrópia)

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

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

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

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: matsci@eik.bme.hu www.att.bme.hu