Az anyagok mágneses tulajdonságai

Az előadások a következő témára: "Az anyagok mágneses tulajdonságai"— Előadás másolata:

1 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

2

3 Példák lágy és keménymágneses anyagokra

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

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

6 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.

7 Mágneses anyagok csoportosítása
Gyengén mágneses anyagok Dia (lezárt elektronhéj)    (10-5) Univerzális tulajd. (Si, Cu, Zn, Ag. Cd, Au…) Para (legalább egy páratlan elektron)    ( ) (Mg, Al, Ti, W…)

8 Közel ideális diamágnesek „lebegése” Meissner-effektus

9 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 …)

10 Rendezett szerkezetű mágneses anyagok jellemzése (hiszterézis)

11 Klasszikus mágneses paraméterek mérése

12 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.

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

14

15 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)

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

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

18 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 elemi momentum, méret: cm Mi határozza meg a domének méretét?

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

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

21 Magnetostrikció Pokikristályos Egykristályos

22 Könnyű és nehéz mágnesezési irányok.
Görbék alatti területek különbsége.

23 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°

24 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.)

25 Kerr mikroszkópiával készült domenkép: Nd16Fe76B8

26 Domének vékonyréteg gránát egykristályban, polarizált fényben

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

28 Domenhatárok kockatexturált transzformátor-lemezben.
[100]

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

30 Reverzibilis falmozgás vas egykristályon

31 Falmozgás Fe-Co ötvözeten

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

33 Klasszikus mágneses jellemzők

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

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

36

37 Mágnes tulajdonságok változtatásának lehetőségei A műszaki alkalmazások lágy és keménymágneses anyagai

38

39 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).

40 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

41 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

42 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

43 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.

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

45 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

46 Tiszta Fe Magnetostrikció  erős feszültség függés
Feszültség mentesítés, hőkezelés

47 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 %

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

49 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 ( ) Kis veszteség Ni3Fe szuperrács (75% Ni, 500 °C) megakadályozandó ! Alakítás rendkívül sokat ront a tulajdonságokon. Lágyítás ( °C, 1h), gyors hűtés, feszültségmentesítés (600 °C), gyors hűtés TC-nél mágnestérben hűtés  permeabilitás * 10

50 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

51 Nanokristályos mag – Ferrit mag

52 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

53 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

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

55 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).

56 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

57 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)

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

59 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.

60 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.

61 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

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

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

64 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)

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

66 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 = kA/m Típusok: SmCo5 PrCo5 Pr0,5Sm0,5Co5 Sm2Co17 Törékeny (balesetveszély), kemény , normál körülmények között nem korrodál, drága Max. üzemi hőmérséklet 250oC

67 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: °C

68 Kemény ferritek (Hexagonális ferritek)
Nemfémes mágnesek, kerámiák Báriumferrit BaFe12O19 Stronciumferrit SrFe12O19 BS kicsi (max. 0,46-0,47 T) HC nagy ( kA/m)  Nagy egytengelyű anizotrópia Rideg, törékeny, alakíthatatlan (köszörülés) Szigetelő Curie hőmérséklet alacsony Olcsó, max. üzemi hőmérséklet 250 oC

69 KÖSZÖNÖM MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék MTA-BME Fémtechnológiai Kutatócsoport Budapest, Bertalan Lajos u. 7. MT épület Tel.: ; Fax: