Ferryty
Spinel. Ferryty o strukturze spinelu. Zastosowania ferrytów.

Spinel
Spinel (spinel właściwy) to minerał, tlenek glinu i magnezu o wzorze sumarycznym Al2MgO4. Spinel właściwy występuje w przyrodzie, lecz nie jest ferrytem i nie posiada właściwości magnetycznych. Ma za to liczne odmiany, krystalizuje w układzie regularnym (kryształy ośmiościenne, czesto bliźniaki). Tworzy skupienia zwięzłe, ziarniste. Spinel właściwy zwykle jest bezbarwny, ale także może być: czerwony, rdzawy, różowy, zielony, niebieski lub fioletowy. Posiada szklisty połysk i jest trudno topliwy (temp. topnienia 21500C). Może być wytwarzany syntetycznie.
Zastosowanie spinelu właściwego: jako surowiec do produkcji materiałów ściernych i ogniotrwałych oraz w jubilerstwie (przezroczyste i barwne odmiany spineli szlachetnych).

Spinele
Spinele to grupa minerałów o wzorze ogólnym (Mg, Fe2+, Zn, Be...)(Al, Fe3+, Cr)O3+. Są izomorficznymi tlenkami metali dwu- i trójwartościowych: M2-M23-O4, gdzie M2- = Mg2-, Fe2-, Mn2-, Ni2-, zaś M3- = Al3-, Cr3-, Fe3-. Pierwiastki dwuwartościowe (z wyjatkiem Ba), podobnie jak i pierwiastki trójwartościowe mogą zastępować się wzajemnie w szerokich granicach. Stąd, uwzględniając domieszki duża zmienność składu chemicznego spineli. Spinele krystalizują w układzie regularnym, zwykle w postaci ośmiościanu. Do minerałów z grupy spineli można zaliczyć niektóre rudy i tlenki metali. Przykładem może być tu magnetyt lub hematyt.
Ponadto można wyróżnić spinele glinowe (do których należą spinel właściwy, hercynit i inne), spinele tytanowe i chromowe (m.in. chromit i  pikotyt) oraz spinele żelazowe (głównie magnetyt).

Spinele glinowe
Do tej grupy spineli zaliczyć należy przede wszystkim galnit ZnAl2O4 oraz hercynit FeAl2O4. Są odporne na działanie czynników atmosferycznych. Przeźroczyste spinele glinowe pozbawione skaz sa wykorzystywane w mechanice precyzyjnej (np. na łożyska) oraz jako kamienie szlachetne.

Spinele chromowe
Spinele chromowe to grupa minerałów o ogólnym wzorze sumarycznym (Mg, Fe)(Cr, Al, Fe)2O4. Ponadto spinele te mogą zawierać 18-62% Cr2O3, 0-18% FeO, 6-16% MgO, 0-33% Al2O3, 2-30% Fe2O3. W zależności od składu wyróżnia się chromit właściwy FeCr2O4, rzadko spotykany chromit magnezowy (MgFe)Cr2O4, chromit glinowy Fe(CrAl)2O4. Chromit własciwy FeCr2O4 krystalizuje w układzie regularnym. Jest czarny, na ogół nieprzeźroczysty i posiada połysk zbliżony do metalicznego. Występuje głównie w  zasadowych skałach magmowych (dunitach i perydotytach), także w powstałych przez przeobrażenie tych skał serpentynitach. Chromity właściwe są jedynymi rudami chromu o znaczeniu przemysłowym (w Polsce były eksploatowane w Tąpadłach na stoku Ślęży). Odmiany zawierająe FeO lub Fe2O3 wykazują właściwości paramagnetyczne. Chromity stosowane są do wyrobu materiałów ogniotrwałych, farb, także w metalurgii (do produkcji żelazochromu).

Ferryty
Ferryty to roztwory stałe Fe2O3 z tlenkami metali, często o składzie niestechiometrycznym. Ferryty otrzymuje się przez spiekanie mieszaniny tlenków w wysokiej temperaturze. Ferryty metali dwuwartościowych (np. Fe2+, Ni2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+) krystalizują w układzie regularnym (sieć przestrzenna spinelu normalnego lub odwróconego). Ferryty o sieci spinelu odwróconego posiadają własności ferrimagnetyków i znajdują zastosowanie jako magnesy ceramiczne. Ferryt barowy krystalizuje w układzie heksagonalnym i jest ferromagnetykiem.
Pod względem właściwości magnetycznych rozróżnia się ferryty magnetycznie miękkie (struktura głównie spinelowa) i ferryty magnetycznie twarde (struktura heksagonalna). Pierwsze z nich są stosowane do wyrobu rdzeni cewek indukcyjnych głowic magnetycznych,a ferryty magnetycznie twarde do wyrobu magnesów trwałych. Znane są również ferryty o prostokątnej pętli histerezy, stosowane do wyrobu m.in. elementów pamięci komputerów.


Ferryty magnetycznie miękkie 1 i magnetycznie twarde 2.


Ferryty łączą właściwości magnetyczne z właściwościami izolatorów. Nie płyną w nich prądy wirowe. Nadają się do pracy przy bardzo wysokich częstotliwościach. Większość ferrytów ma strukturę spinelu Fe3O4, MgFe2O4, CoFe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4, ZnFe2O4, MoFe2O4 lub LiFe5O8.

Zastosowanie ferrytów
Zastosowania ferrytów magnetycznie miękkich (technika stałoprądowa):

rdzenie pamięciowe;
transformatory impulsowe;
wzmacniacze magnetyczne;
szybkie przekaźniki;
rdzenie cewek;
rdzenie transformatorów średnich częstotliwości;
pręty antenowe;
głowice magnetofonowe;








Materiały magnetyczne

Magnesy ferrytowe twarde
Ferryty barowe i strontowe są spiekami tlenków BaO2 i SrO2 z Fe2O3. Materiały są powszechnie dostępne i tanie. Ferryty twarde są najpowszechniej stosowane do wyrobu magnesów stałych. Produkowane są w układzie izotropowym i anizotropowym.
Magnesy izotropowe - posiadają we wszystkich kierunkach w przybliżeniu takie same właściwości magnetyczne. Proces magnetyzacji jest jednorodny we wszystkich kierunkach osiowych. Magnesy izotropowe posiadają nieznaczną gęstość energii.
Magnesy anizotropowe - w polu magnetycznym otrzymują najkorzystniejszy kierunek namagnesowania. W przeciwieństwie do magnesów izotropowych, magnesy anizotropowe posiadają o 300% wyższą gęstość energii. Natężenie pola koercji jest wyższe w stosunku do remanencji (magnetycznej indukcji resztkowej). Ferryty twarde mają względnie wysoki współczynnik temperaturowej remanencji 0,2% na 0C i mogą być stosowane w zakresie od -400C do +2000C. Podobnie jak materiały ceramiczne magnesy ferrytowe są twarde i kruche, ale odporne na utlenianie (korozję) i warunki atmosferyczne. Są trwałe wobec wielu chemikaliów, a nawet skoncentrowanych kwasów. Obróbka możliwa jest tylko przy użyciu narzędzi diamentowych.
Magnesy ferrytowe opisuje norma DIN 17 410.


Magnesy AlNiCo aluminiowo-niklowo-kobaltowe
Magnesy stopów metalicznych: aluminium, niklu, kobaltu, jak również: żelaza, miedzi, tytanu. Produkcja odbywa się poprzez odlew: piaskowy, kokoliowy, precyzyjny, próżniowy i spiekanie.
Stop AlNiCo został odkryty 50 lat temu i jest najstarszym używanym do tej pory materiałem magnetycznym. W porównaniu z obecnie stosowanymi magnesami stop AlNiCo ma niewielkie natężenie pola koercji przy wysokiej remanencji. Oznacza to, że magnesy te muszą mieć wydłużony w kierunku magnetyzacji kształt sztabkowy, żeby nie ulec rozmagnesowaniu. Zaletą magnesów AlNiCo jest niska wartość współczynnika temperaturowego 0,02 na 0C i szeroki obszar zastosowań od -2700C do +4000C. Z uwagi na to magnesy te stosowane są wszędzie tam, gdzie wymaga się stałego pola magnetycznego przy dużych skokach temperatur. Wymagany kształt sztabkowy, a przez co duży odstęp między biegunami korzystny jest przy uruchamianiu np. zestyków hermetycznych.
Magnesy AlNiCo produkowane są przede wszystkim jako anizotropowe. Przez niską koercję i drogi kobalt magnesy te stosowane są coraz rzadziej.

Magnesy z wypełniaczami syntetycznymi
Magnesy mieszane z tworzywami syntetycznymi są obecnie powszechnie stosowane, poprzez co poleca się je Państwa uwadze. Materiały magnetyczne są proszkowane i mieszane z syntetykami, a następnie poprzez kalandrowanie, ekstrudację, prasowanie lub wtryskiwanie otrzymuje się gotowe magnesy. Z elastycznego tworzywa sztucznego i proszku ferrytowego produkowane są płytki i taśmy magnetyczne o grubości od 0,5 do 2 mm.
Poprzez laminację białym PCV produkowane są oznaczenia. W trakcie wytwarzania cząstki magnetyczne w elastycznych płytkach lub taśmach są w rozkładane równomiernie i ustawiane w polu magnetycznym, dzięki czemu powstaje pole jednorodne i anizotropowe.

Magnesy wysokoenergetyczne
Są to magnesy stałe z grupy ziem rzadkich. Produkt wysokoenergetyczny (gęstość energii ponad 280 kJ/m3, lub 35 MGOe) umożliwia nowe rozwiązania techniczne. Zmniejszenie rozmiarów magnesu, lub wielokrotnie wyższa siła magnetyczna przy tych samych rozmiarach, w porównaniu z dotychczas stosowanymi magnesami ferrytowo - borowymi lub AlNiCo, stało się możliwe.
Przy tej samej gęstości energii magnes ferrytowo - borowy musiałby być 6-krotnie większy, a żeby z odległości 1mm od powierzchni bieguna wytwarzał pole 100 mT (1000 Gaussów) jego rozmiary musiałyby być 25-krotnie większe w porównaniu z magnesem samarowo-kobaltowym. Nowy magnes neodymowo-ferytowo-borowy posiada o 40% wyższą gęstość energii od opisanego w przykładzie magnesu samarowo-kobaltowego.
Poniżej przedstawiono porównanie niektórych materiałów magnetycznych.





Czym są "ziemie rzadkie" ?
Ziemie rzadkie, zwane tez lantanowcami, są 15 pierwiastkami z liczbą atomową 57-71 w układzie okresowym pierwiastków. Stanowią siódmą część wszystkich pierwiastków występujących w naturze. "Ziemie rzadkie" nie są więc w żadnym razie rzadkie. Znaczenie praktyczne mają np.cer (Ce) - do produkcji szkła lub stali; Lantan (La)-do produkcji klisz rentgenowskich i katalizatorów do redukcji spalin; Europa (Eu) do otrzymywania barwy czerwonej w lampach kineskopowych; Samar (Sm) i Neodym (Nd) do produkcji wysokoenergetycznych materiałów magnetycznych.
Samar zawarty jest w niewielkich ilościach w ziemiach rzadkich, w przeciwieństwie do neodymu. Uzyskanie odpowiednio wysokiego stopnia czystości i obróbka są powodem wysokiej ceny w porównaniu z konwencjonalnymi magnesami stałymi. W przypadku magnesów samarowo-kobaltowych dochodzi jeszcze drogi materiał jakim jest kobalt (Co).

W jaki sposób są produkowane magnesy wysokoenergetyczne ?
Produkcja magnesów SmCo i NdFeB polega na wytopie odpowiedniego stopu. Tak otrzymane wlewki materiału są następnie kruszone i mielone na drobny proszek, po czym prasowane w polu magnetycznym i  w końcu spiekane.
Firma Delachaux obrabia sprasowane izostatycznie i spiekane surowe wlewki materiału o przekroju 100x50 mm i długości ok. 200 mm w kierunku magnetyzacji. Przy użyciu narzędzi diamentowych wycina się z otrzymanych wlewek formy tarczowe i pierścieniowe.

Magnetyzacja
Po nadaniu formy następuje magnetyzacja, aż do nasycenia. Stosuje się tutaj silne pola magnetyczne. Do wytworzenia takich pól używane są naładowane baterie kondensatorowe, które są rozładowywane w cewkach bezrdzeniowych. Element magnetyczny umieszczony w otworze wewnętrznym niskooporowej cewki bezrdzeniowej jest magnetyzowany, aż do nasycenia przez wyindukowane wewnątrz silne pole magnetyczne.
Zasadniczo magnetyzacja możliwa jest w uprzywilejowanym kierunku wyznaczonym w czasie produkcji.
Firma Delachaux dostarcza magnesy standardowe nasycone magnetycznie. Na życzenie klienta dostarczane są magnesy w stanie magnetyzacji, a późniejsze nasycenie dokonywane jest w systemie klienta.

Właściwości
Magnesy SmCo są bardzo twarde i kruche. Magnesy NdFeB są również twarde, ale już nie tak kruche. Umieszczone w przeciwnych polach nie tracą zdolności magnetycznych. SmCo i NdFeB nie są odporne na działanie kwasów nieorganicznych i zasad. Stały kontakt z woda prowadzi do korozji. Magnesy NdFeB ulęgają powierzchniowemu utlenianiu nawet w kontakcie z wilgotnym powietrzem, dlatego najczęściej umieszczane są w obudowach ze stali nierdzewnych. Środki organiczne i suche powietrze o temperaturze pokojowej nie powodują żadnych niekorzystnych zmian.



Pobierz niezbędne programy:
Cosmo Player 9
Quick Time 3.01

Literatura:
Dudek J., 1985, Technologia, właściwości i zastosowanie ceramiki ferroelektrycznej. Skrypty UŚ nr 357.
Ranachowski, 1988, Elektroceramika cz.1
Skulski R., 1998, Materiały do wykładu z materiałoznawstwa.
Surowiak Z., Dielektryczne i półprzewodnikowe właściwości cienkowarstwowych ferroelektryków. Katowice, Uniwersytet Śląski, 1989.