MATERIAŁY MAGNETYCZNE

I. Istota magnetyzmu.

Elektron w atomie wywołuje dwojakiego rodzaju ruchy :

ruch po orbicie wokół jądra

ruch wirowy wokół własnej osi w obydwu możliwych kierunkach

Ruch elektronu po orbicie wywołuje moment magnetyczny orbitalny, natomiast ruch wirowy elektronu wywołuje moment magnetyczny spinowy Moment magnetyczny orbitalny jest znacznie mniejszy niż spinowy, dlatego o właściwościach magnetycznych materiału decydują momenty spinowe. Jeden elektron wywołuje moment spinowy nazywany magnetonem Bohra. Momenty spinowe występują w zasadzie parami (w jednej parze znoszą się wzajemnie). Pierwiastki o parzystej liczbie elektronów na ogół posiadają wypadkowy moment spinowy równy zero, a pierwiastki o nieparzystej liczbie elektronów posiadają wypadkowy moment równy jednemu magnetonowi Bohra. Z technicznego punktu widzenia pierwiastki posiadające jeden magneton Bohra są nieużyteczne (za mało).

Istnieje pewna liczba pierwiastków o niesparowanych spinach. Są to pierwiastki, które posiadają niezapełnioną do końca trzecią powłokę, a jednocześnie mają elektrony na powłoce czwartej. Każdy atom posiadający stały wypadkowy moment magnetyczny (w nieobecności pola zewnętrznego) można traktować jako elementarny dipol magnetyczny. Właściwości magnetyczne materiałów zależą jednak nie tylko od wartości wypadkowego momentu magnetycznego, ale również od wzajemnego usytuowania dipoli.

W zależności od wzajemnego ułożenia dipoli magnetycznych rozróżniamy następujące rodzaje materiałów:

paramagnetyki

ferromagnetyki

antyferromagnetyki

ferrimagnetyki

Paramagnetyki - elementarne dipole magnetyczne ułożone w sposób przypadkowy. Wypadkowy moment magnetyczny w małym i w dużym obszarze jest równy zero. W obcym polu magnetycznym ulegają orientującemu działaniu. Część dipoli zajmuje pozycję zgodnie z polem, część zaś przeciwnie i wypadkowy moment jest równy zero.

Ferromagnetyki - między sąsiednimi dipolami występują silne porządkujące siły. Dzieje się to spontanicznie, a uporządkowany obszar ma ograniczone rozmiary i nazywany jest domeną magnetyczną. Wypadkowe momenty są ułożone przypadkowo. W makroobszarze stan namagnesowania jest równy zero. W zewnętrznym polu magnetycznym występuje zjawisko magnesowania materiału w całym obszarze.

Antyferromagnetyki - w obrębie domeny występuje wysoki stopień uporządkowania, lecz wypadkowy moment magnetyczny w domenie i w całym obszarze jest równy zero.

Ferrimagnetyki - są szczególnym przypadkiem antyferromagnetyków (zawierają dwa różne atomy). Występuje samoistne uporządkowanie w obrębie domeny. Wypadkowy moment magnetyczny (w domenie) może być znaczny a czasami nawet większy niż w ferromagnetykach. W makroobszarze wypadkowy moment jest równy zero.

Za wzajemne usytuowanie dipoli odpowiedzialne jest wartość a/r gdzie a - odległość środków atomów; r - promień trzeciej powłoki

Sztucznie oddziaływując na materiały można zmieniać ich przynależność do poszczególnych grup. Do antyferromagnetyków można wprowadzić odpowiednio dobrany dodatek stopowy (o dużym wymiarze atomowym), który spowoduje rozpychanie sieci krystalicznej. Antyferromagnetyk przyjmie wtedy cechy zwykłego ferromagnetyka. Osobnym problemem jest działanie temperatury. Podgrzewanie powoduje rozszerzalność cieplną i wzrost wartości a. Każdy ferromagnetyk w pewnej temperaturze może stracić właściwości ferromagnetyczne i stać się paramagnetykiem. Temperatura ta nazywa się ferromagnetyczną temperaturą Curie.

II. Ferromagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym.

Zewnętrzne pole powoduje magnesowanie. Miarą tego pola jest natężenie, a efektem jest indukcja.

Bs - Indukcja nasycenia

Br - Pozostałość magnetyczna

Hc - Natężenie koercji

Efekty zachodzące w materiale w procesie magnesowania.

a. Natężenie pola równe zero, wypadkowy stan namagnesowania w makroobszarze jest równy zero.

b. Następuje powiększanie objętości domen najbardziej uprzywilejowanych (tzn. o wektorach najbardziej zgodnych z wektorem natężenia pola magnetycznego. W umowny sposób nazywamy to zjawisko ruchem granic domen - zjawisko to jest odwracalne). Pojawia się wypadkowy moment namagnesowania w makroobszarze (odwracalny ruch granic domen).

c. Dalsze powiększanie uprzywilejowanych domen, wyraźny wzrost wypadkowego momentu namagnesowania - efekt częściowo nieodwracalny

d. Obrót dipoli magnetycznych (całych domen) w takim kierunku aby wypadkowy wektor namagnesowania był jak najbardziej zgodny z wektorem natężenia magnesującego (nieodwracalny)

e. Dalszy obrót wektora namagnesowania (odbywa się to pod dużym oporem ośrodka) pojawia się naprężenie (proces ten jest odwracalny gdy działająca siła ustąpi).

Pozostałość magnetyczna Br zależy od procesów nieodwracalnych (3,4), natomiast Bs zależy od sumy wszystkich efektów.

Pole powierzchni histerezy (w umownych jednostkach B i H) jest proporcjonalne do energii zużywanej w procesie magnesowania. Energia ta jest potocznie nazywana stratami na histerezę Ph.

III. Zjawiska towarzyszące procesowi magnesowania materiału.

Jeżeli strumień przenikający materiał jest zmienny powoduje wyindukowanie SEM. Materiał przenikany przez ten strumień ma określoną rezystywność, i powstają prądy wirowe (straty Ph).

Eliminuje się to poprzez dzielenie materiału na (odizolowane) warstwy. Im bardziej cienkie będą te warstwy to straty wiroprądowe będą mniejsze, lecz znacznie zmaleje współczynnik zapełnienia (wzrasta ilość dielektryku w rdzeniu). Innym sposobem jest zwiększenie rezystywności materiału bez pogorszenia właściwości magnetycznych materiału. Dzieje się to na drodze wytwarzania specjalnych stopów. Do tego celu szczególnie nadają się ferrimagnetyki. Ich rezystywność jest o kilka rzędów większa niż ferromagnetyków, są one stosowane dla bardzo dużych częstotliwości.

IV. Anizotropia magnetyczna.

Anizotropia magnetyczna polega na tym, że materiał wykazuje różne właściwości w różnych kierunkach. Większość ferromagnetyków jest natury krystalicznej (uporządkowanej). Elementarny kryształ jest magnetycznie anizotropowy tzn. posiada kierunki magnetycznie uprzywilejowane (Bs , p , P). Przeważnie kierunki te pokrywają się z głównymi sieciami krystalograficznymi (czasem z przekątną). W większości materiałów krystality są ułożone przypadkowo i w dużym obszarze nie wykazuje anizotropii. Czasami w niektórych procesach technologicznych (walcowanie na zimno z dużym zgniotem) większość krystalitów układa się w podobny sposób i obserwuje się anizotropię (kierunek walcowania jest magnetycznie uprzywilejowany).

V. Magnetostrykcja.

Próbka materiału w polu magnetycznym ulega wydłużaniu i skracaniu. W procesie magnesowania pojawiają się naprężenia mechaniczne, które powodują odkształcenie materiału. Próbka zmienia swoje wymiary w takt częstotliwości (generator dźwięku).

magnetostrykcja dodatnia - żelazo, permaloy, kobalt

magnetostrykcja ujemna - nikiel

VI. Podział materiałów na magnetycznie miękkie i twarde.

Zasadniczym kryterium podziału materiałów na miękkie i twarde jest kształt pętli histerezy, pole powierzchni pętlicy, indukcja nasycenia, pozostałość magnetyczna, natężenie koercji. Materiały magnetycznie miękkie mają bardzo wąską pętlę histerezy o małej powierzchni, a jednocześnie o dużej indukcji nasycenia Bs
i łatwo się przemagnesowują. Materiały magnetycznie twarde mają szeroką pętlicę o dużej powierzchni, bardzo duże natężenie koercji i dużą pozostałość magnetyczną. Wymagają bardzo dużej energii na proces magnesowania, ale skutki tego procesu są w dużej mierze nieodwracalne. Używane są na magnesy trwałe.

VII. Materiały magnetycznie miękkie.

Wielkości charakteryzujące materiały magnetycznie miękkie:

Bs, Br, Hc, p, mx, P,

Stratność (P) jest to całkowita moc tracona na magnesowanie jednego kilograma materiału przy indukcji B = 1 T lub 1,5 T, częstotliwości f = 50 Hz, temperaturze 20oC i sinusoidalnym przebiegu napięcia. Całkowita stratność wynika ze strat na histerezę i na prądy wirowe.

Przegląd materiałów magnetycznie miękkich.

1. Czyste żelazo - kilka gatunków czystego żelaza różniących się technologią otrzymywania i właściwościami.

1.1. Żelazo armco - pochodzi z procesu wytopu z pieca (bardzo mało zanieczyszczeń) produkowane głównie w postaci litej lub w postaci (blach walcowanych na gorąco).

1.2. Żelazo elektrolityczne - otrzymywane w procesie elektrolizy w postaci proszku

1.3. Żelazo karbonylkowe - otrzymywane w procesie termicznego rozkładu związków żelaza (proszek).

Powyższe zestawienie wskazuje, że wszystkie właściwości magnetyczne zależą od gatunku żelaza (od procesu technologicznego). Tego typu materiały stosuje się głównie w obwodach prądu stałego (mała rezystywność i duże straty na prądy wirowe).

2. Stal stopowa walcowana na gorąco - dodatkiem stopowym jest krzem do około 4%, głównie ze względu na rezystywność. 1% Si - = 25 cm; 4% Si - = 55 cm. W konsekwencji bardzo maleją straty prądowirowe, oraz znacznie straty histerezowe. 1% Si - P = 2,6 W; 4% Si - P = 1,2 W. Wszystkie właściwości magnetyczne poprawiają się wraz z zawartością krzemu, lecz pogarszają się właściwości mechaniczne (kruchość), przy zawartości do 4% Si wycina się blachy transformatorowe, natomiast skomplikowane elementy maszyn elektrycznych są możliwe do wykonania przy zawartości krzemu do 3,5%. Kilkustopniowe walcowanie na gorąco utlenia materiał, a kolejne operacje powodują, że tlenki przedostają się w głąb materiału. Konieczne jest wtedy trawienie w celu usunięcia tlenków. Proces ten pozostawia po sobie dużą chropowatość blach (współczynnik zapełnienia 0,7) i aby to poprawić stosuje się zgniot na zimno (współczynnik zapełnienia do 0,95).

3. Stal stopowa walcowana na zimno - dodatkiem stopowym jest krzem (2,5 - 3,5)%. Blacha jest silnie anizotropowa. W kierunku wzdłużnym wszystkie właściwości magnetyczne są bardzo dobre, znacznie lepsze od materiałów walcowanych na gorąco. Produkcja takich blach jest obwarowana patentami (Bochnia).

Proces technologiczny

walcowanie na gorąco grubych płyt (kilka mm) i wytrawianie.

walcowanie na zimno - zgniot około 70%

międzyoperacyjne wygrzewanie rekrystalizacyjne (około 900 oC) w ciągu jednej godziny w atmosferze ochronnej wodoru.

zgniot na zimno (70%)

wygrzewanie ostateczne 1100 oC 5 oC - 4h atmosfera wodoru

nakładanie izolacji tlenkowej (Carlite). Jest to izolacja typu ceramicznego. Nanosi się mieszaninę proszków, po czym blacha przechodzi przez piec tunelowy, następuje spiekanie tych proszków i powstaje cienka warstwa (m) o dobrych właściwościach dielektrycznych i dużej adhezji (przyczepności).

Stratność blach zimno walcowanych w kierunku wzdłużnym (0,7 do 0,6)W/kg, podczas gdy stratność blach gorąco walcowanych (1,6 do 1,2)W/kg. Główne zastosowanie to transformatory (strumień musi przebiegać zgodnie z kierunkiem walcowania). Dzięki zastosowaniu blach walcowanych na zimno zmniejszono wymiary rdzeni transformatorowych nawet o 40%.

4. Stopy specjalne - stosujemy w sytuacjach szczególnych, kiedy wymagamy np. bardzo małej stratności, bardzo dużej przenikalności itd. Jeden z ważniejszych to stop żelazo-nikiel zwany jako permaloy. Stop ten ma nieograniczoną wzajemną rozpuszczalność i praktycznie niklu może być od ułamka procenta do dziewięćdziesięciu kilku. Przebadano wszystkie kompozycje tego stopu i stwierdzono, że występują pewne ekstrema. Np. ekstremum rezystywności występuje przy (35 - 40) % Ni. Ekstremum przenikalności początkowej przy zawartości około 70% Ni. Ekstremum przenikalności maksymalnej około przy 75% Niklu. Produkując permaloy wybieramy zawartości Niklu odpowiadające wybranym ekstremalnym właściwościom. Uniwersalny permaloy (wszystkie właściwości przeciętne) zawiera około (45 do 55)% Ni. Ze stopu żelazo-nikiel można wytwarzać bardzo cienkie blachy (0,05 do 0,3) mm. Innym stopem specjalnym jest żelazo kobaltowe, które ma bardzo dużą indukcję nasycenia (2,4T).

5. Magnetodielektryki składają się ze sproszkowanego materiału magnetycznego oraz żywicy. Zmieszane dokładnie proszki prasuje się na zimno i następnie wygrzewa w temperaturze powodującej topnienie żywicy. Otrzymujemy materiał o rezystywności praktycznie zbliżonej do rezystywności żywicy. Stratność takiego materiału (alsifer) wynosi 0,022 W/kg. Właściwości magnetyczne zależą od użytego proszku. Ważnym parametrem jest współczynnik zapełnienia (0,3 - 0,5). Materiały tego typu są najczęściej stosowane do dużych częstotliwości.

6. Ferryty miękkie - Me On Fe2O3 (Me - Mn, Ni, Zn, Li). Ferryty należą do materiałów ceramicznych.

Proces techonologiczny

mieszanie kompozycji tlenków (na sucho lub mokro)

prasowanie (nacisk 5 ton/cm2)

wygrzewanie wstępne ( powolne podnoszenie temperatury)

spiekanie końcowe w temperaturze około 1400 oC

VIII. Materiały magnetycznie twarde.

Są wykorzystywane do wytwarzania magnesów trwałych. Jednorazowo namagnesowane i poddane różnym procesom stabilizacji mogą być używane przez kilkadziesiąt lat. Każdy magnes trwały ulega samoczynnemu rozmagnesowywaniu, wobec tego interesuje nas jego odporność na to zjawisko.

Wielkości charakteryzujące materiały magnetycznie twarde

Br,Hc BHmx tg0 = H0/B0

Przegląd materiałów amgnetycznie twardych

1. Stale stopowe - najdawniej poznane materiały (wszelkiego typu stale szlachetne), o bardzo dobrych właściwościach przetwórczych (obróbka plastyczna, skrawaniem), właściwości magnetyczne mierne.

2. Stopy specjalne - najpopularniejsze to alni (24,5Ni 13Al 3,5Cu) - BHmx=7600 [TA/m] i alnico (13,5Ni 9Al 24Co 3Cu) - BHmx=30200. Właściwości magnetyczne są dobre lub bardzo dobre, natomiast właściwości przetwórcze są fatalne, praktycznie można je tylko szlifować (przy bardzo dużych obrotach). Wykonuje się możliwie najdokładniej odlewy i tylko przeszlifowuje szczelinę.

3. Spieki metaliczne - wykorzystując technologię spiekania wykonuje się również alni i alnico. Otrzymuje się materiał o bardzo dobrych właściwościach magnetycznych i znacznie lepszych właściwościach mechanicznych.

BHmx(spiekanych) = 0,95 BHmx(lanych)

Technologia spiekania.

przygotowanie proszków o granulacji około 70 m

mieszanie proszków

prasowanie wstępne (10 ton/cm2)

spiekanie wstępne (900 100) oC

ponowne prasowanie (15 ton/cm2)

spiekanie w temperaturze 1280 oC przez 4 godziny

4. Ferryty twarde

I grupa

44% Fe3O4 30% Fe2O3

26% Co2O3 Hc = 80 000 A/m

BHmx = 4000 TA/m

II grupa (barowo ołowiowe)

BaO 6Fe2O3 PbO 4Fe2O3

Hc = 96 000 A/m

BHmx = 20 000 TA/m

Można wykonać jeszcze lepszy ferryt barowo ołowiowy spiekając w silnym polu magnetycznym. Wówczas BHmx osiąga 30000 TA/m.

---