Ferromagnetyki są materiałami o silnych własnościach magnetycznych. Dziewięć pierwiastkow jest ferromagnetykami, tj. żelazo, nikiel, kobalt, gadolin, erb, dysproz, tul, holm i terb. Ferromagnetyczne własności wymienionych pierwiastkow ziem rzadkich występują w bardzo niskiej temperaturze, a gadolinu – poniżej +16oC. Praktyczne znaczenie jako ferromagnetyki mają zatem żelazo, nikiel i kobalt.

Własności ferromagnetyczne wykazują także stopy pierwiastkow ferromagnetycznych,

ferromagnetycznych z nieferromagnetycznymi, a także stopy pierwiastkow

nieferromagnetycznych (porownaj rozdz. 6.7.9, 7.2.9, 7.3.1, 7.3.2 i 7.3.11). Ferromagnetyzm

jest własnością kryształow (rys. 8.297c), a nie pojedynczych atomow.

Ogolnie, własności ferromagnetykow są następujące:

magnetyczna przenikalność ferromagnetykow zależy od natężenia zewnętrznego

pola magnetycznego,

ferromagnetyki wykazują tzw. magnetyzm szczątkowy, zachowując stan namagnesowania

po usunięciu pola magnetycznego,

podatność magnetyczna ferromagnetykow maleje w miarę wzrostu temperatury;

w temperaturze ferromagnetycznej Curie – tracą własności ferromagnetyczne,

a powyżej temperatury paramagnetycznej Curie –zachowują się jak paramagnetyki.

Warunkiem koniecznym ferromagnetyzmu jest występowanie nieskompensowanych

spinow elektronow w atomach ferromagnetykow, jeżeli stosunek parametru

sieci krystalicznej do średnicy orbity elektronowej, na ktorej znajduje się

elektron z nieskompensowanym spinem, jest większy od 1,5 – dany materiał jest

ferromagnetykiem

gdzie:

a – parametr sieci,

d – średnica orbity elektronu z nieskompensowanym spinem.

Oddziaływanie sąsiednich elektronow wewnętrznych niecałkowicie zapełnionych

podpowłok, wpływa na poziom energii struktury krystalicznej i prowadzi do

rownoległego ustawienia spinow i momentow magnetycznych większości tych elektronow,

w wyniku czego następuje zmniejszenie energii układu. Energia układu zależy

od energii wymiany, reprezentowanej przez tzw. całkę wymiany A (rys. 8.302).

Gdy A >0, spiny oddziałujących ze sobą elektronow są ustawiane rownolegle, co

prowadzi do spontanicznego namagnesowania charakterystycznego dla ferromagnetykow.

Gdy A <0, spiny elektronow ustawiają się antyrownolegle, co jest rownoznaczne

z występowaniem własności antyferromagnetycznych.

Warunkiem koniecznym ferromagnetyzmu jest występowanie nieskompensowanych

spinow elektronow w atomach ferromagnetykow, jeżeli stosunek parametru

sieci krystalicznej do średnicy orbity elektronowej, na ktorej znajduje się

elektron z nieskompensowanym spinem, jest większy od 1,5 – dany materiał jest

ferromagnetykiem

gdzie:

a – parametr sieci,

d – średnica orbity elektronu z nieskompensowanym spinem.

$$\ \ 1,5 < \ \frac{R}{2r}\ < \ 2,5$$

Własności magnetyczne, decydujące o przydatności technicznej materiałow ferromagnetycznych,

zależą od ich składu chemicznego i fazowego oraz struktury magnetycznej

i krystalicznej poszczegolnych faz. Struktura magnetyczna tych materiałow

składa się z małych makroskopowych obszarow o rozmiarach ok. 0,01 μm

zwanych domenami, w ktorych wszystkie momenty wypadkowe atomow mają

zgodną orientację (rys. 8.303). Wypadkowe momenty magnetyczne domen są zorientowane

względem siebie losowo, wskutek czego przy braku pola zewnętrznego

wypadkowy moment magnetyczny ferromagnetyku jest rowny zeru. Po przyłożeniu

zewnętrznego pola magnetycznego, momenty magnetyczne ulegają uporządkowaniu,

wywołując silny efekt magnetyczny.

Zwiększenie przyłożonego pola magnetycznego powoduje namagnesowanie

materiałow ferromagnetycznych, mono- i polikrystalicznych. W stanie nasycenia

momenty magnetyczne wszystkich domen są zorientowane zgodnie z kierunkiem

pola magnetycznego, w wyniku wzrostu domen o momencie magnetycznym zorientowanym zgodnie

z kierunkiem łatwego namagnesowania, najbliższym kierunkowi przyłożonego pola magnetycznego

(rys. 8.304). Przeorientowanie momentow spinowych atomow domeny w kierunku pola magnetycznego (rys. 8.305) oraz przemieszczenie się ścianek Blocha*) odgraniczających domeny prowadzi do ich wzrostu. Początkowo powstaje struktura materiału monodomenowa, o momencie magnetycznym zorientowanym zgodnie z kierunkiem łatwego namagnesowania, czemu towarzyszy szybki wzrost indukcji magnetycznej (rys. 8.304). Dalsze zwiększenie natężenia pola magnetycznego decyduje o obrocie momentu magnetycznego domeny w kierunku pola i o łagodnym wzroście indukcji magnetycznej do wartości maksymalnej Bs nasycenia magnetycznego materiału.

Z kolei zmniejszenie pola magnetycznego od wartości odpowiadającej stanowi nasycenia do zera

wiąże się z obrotem momentow magnetycznych domen do kierunku łatwego namagnesowania wraz

z łagodnym zmniejszeniem indukcji magnetycznej do wartości Br (rys. 8.304), zwanej pozostałością

magnetyczną, indukcją szczątkową lub remanencją. Całkowity zanik indukcji B i ponowne uzyskanie struktury wielodomenowej o losowej orientacji momentow magnetycznych, wymaga przyłożenia przeciwnie zorientowanego pola o wartości Hc, zwanego natężeniem koercyjnym lub koercją. Pole magnetyczne ujemne o wartości większej od Hc wpływa na zwiększenie indukcji magnetycznej w kierunku przeciwnym, aż do nasycenia. Kolejna zmiana kierunku pola magnetycznego powoduje wzrost magnetyzacji, przy czym przy zerowej wartości B występuje

koercja o wartości Hc. Przemagnesowanie materiału ferromagnetycznego wiąże się zatem

z nieodwracalnym rozpraszaniem energii zwanej stratnością magnetyczną lub stratami histerezowymi, o wartości proporcjonalnej do całki pętli histerezy magnetycznej (rys. 8.304).

PRZEGLĄD MATERIAŁÓW MAGNETYCZNIE TWARDYCH

Na magnesy trwałe najwcześniej stosowano stale niestopowe zawierające ok.

1% C o strukturze martenzytu z austenitem szczątkowym, uzyskanej po zahartowaniu

(porownaj rozdz. 6.7.9). Dodatki Cr, Wi Mo powodują zwiększenie udziału austenitu

szczątkowego przez obniżenie temperatury Ms, natomiast Co polepsza własności

magnetyczne martenzytu, co ogolnie wpływa na poprawę własności magnetycznych

stali. Stopy utwardzane wydzieleniowo przez fazy niemagnetyczne, takie

jak Vicalloy, Cunife, Cunico, wykazują lepsze własności magnetycznie twarde niż

stale. Roztwor stały stopow Alni, Alnico, Alcomax, o składzie chemicznym zbliżonym

do Fe2NiAl podczas starzenia ulega rozpadowi na dyspersyjne cząstki jednodomenowe

Fe i FeNiAl. Stopy te są twarde i kruche, co utrudnia ich obrobkę mechaniczną

po odlaniu, umożliwiając jedynie szlifowanie.

Duże znaczenie techniczne mają materiały wytwarzane metodą metalurgii

proszkow przez prasowanie proszkow jednodomenowych czystych metali Fe i Co

oraz ferrimagnetykow typu MeO⋅Fe2O3, gdzie Me to Ba lub Sr, i spiekanie ich

w temperaturze 1000 do 1300°C.

Odpowiedni dobor składu chemicznego mieszanin proszkow umożliwia regulowanie

własności magnetycznych produktow. Spiekane magnesy trwałe są wytwarzane

z proszkow żelaza, niklu, kobaltu i aluminium przez prasowanie na zimno

oraz prasowanie i spiekanie. W wyniku spiekania na gorąco otrzymuje się magnesy

z proszkow żelaza z aluminium, niklem, miedzią, tytanem, kobaltem, o złożonych

kształtach, ściśle określonych wymiarach i odpowiednich własnościach magnetycznych.

Ich własności wytrzymałościowe są jednak niewielkie.

Magnesy spiekane poddaje się hartowaniu z temperatury 1050÷1250°C i następnie

odpuszczaniu w 600÷650°C. Obrobka cieplna odbywa się w piecach z atmosferą

regulowaną. Stosowany jest także związek ferromagnetyczny MnBi (Bismanol)

wprowadzany do osnowy polimerowej lub z ołowiu.

Ostatnio duże znaczenie mają materiały nanokrystaliczne Sm2Fe17Nx (x = 2÷3)

oraz Nd2Fe14B, ktorych proszki o wielkości ziarn ok. 30 nm są wiązane osnową polimerową,

szkłem niskotopliwym lub spiekane w procesie niskotemperaturowym

z proszkiem cynku. Niska temperatura Curie powoduje nieodwracalną utratę ich

własności magnetycznych powyżej ok. 120°C. Z tego względu takie magnesy trwałe

nie mogą być przegrzewane w trakcie eksploatacji oraz procesu wytwarzania.