POLITECHNIKA POZNAŃSKA LABORATORIUM MATERIAŁÓW O SZCZEGÓLNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH FIZYCZNYCH	Paweł Wojtalewicz
	WYDZIAŁ
	BMiZ
PROWADZĄCY	ROK STUDIÓW
dr inż. A. Miklaszewski	I st. II
Ćwiczenie odrobiono dnia:	Sprawozdanie oddano dnia:
02.12.2014r.	16.12.2014r.
NR	TEMAT ĆWICZENIA:
4.	Magnetycznie twarde materiały kompozytowe

Odpowiedzi na pytania:

Ad. 1.

1. Fazy magnetycznie twarde: Nd₂Fe₁₄B;

Fazy magnetycznie miękkie: Fe₂B, α-Fe;

Fazy paramagnetyczne: W, Fe₇W₆, FeWB.

1. W miarę wzrostu zawartości wolframu intensywność linii widmowych pochodzących od fazy magnetycznie miękkiej α-Fe ulega znacznemu osłabieniu, co wskazuje na zmniejszenie jej udziału objętościowego.

2. Wpływ temperatury obróbki cieplnej przy różnym udziale wagowym wolframu na skład fazowy:

0% at. W

Skład fazowy stopu nie zawierającego wolframu nie zależy, w badanym zakresie temperatur, w istotny sposób od temperatury. W obu przypadkach badanych magnesów występują fazy: magnetycznie twarda Nd₂Fe₁₄B oraz magnetycznie miękka α–Fe. Ponadto, dla magnesu wyżarzanego w temperaturze 923K obserwuje się piki od magnetycznie miękkiego borku żelaza Fe₂B.

10% at. W

Widmo rentgenowskie uzyskane dla magnesu wyżarzanego w 923K ujawnia bardzo intensywny pik od niezwiązanego wolframu. Pojawia się on kosztem zarówno faz magnetycznie miękkich: α-Fe oraz Fe₂B, jak i twardej - Nd₂Fe₁₄B, których piki charakteryzują się zmniejszoną intensywnością w stosunku do stopu nie zawierającego wolframu.

Wyższa temperatura wyżarzania (1123K) powoduje natomiast związanie wolframu z żelazem, tworząc dwie fazy: FeWB i Fe₇W₆. Dzieje się tak na skutek wzrostu współczynnika dyfuzji (współczynnika proporcjonalności strumienia dyfundującego składnika do gradientu jego stężenia, występującego w prawach Ficka) wraz z temperaurą. Refleksów od czystego wolframu nie obserwuje się. Piki od wskazanych faz paramagnetycznych powstają wprawdzie kosztem α-Fe, aczkolwiek pozostaje ono nadal w strukturze magnesu.

>10% at. W

Dla zawartości 28% W oraz temperatury wyżarzania 923K można odnotować całkowity zanik faz magnetycznie miękkich kosztem paramagnetycznego, niezwiązanego wolframu.

Dla zawartości 16% W oraz temperatury wyżarzania wyższej o 200K można natomiast zaobserwować wzrost intensywności pików od faz paramagnetycznych: FeWB i Fe₇W₆ w stosunku do dyfraktogramu dla stopu zawierającego 10% W. Dzieje się to kosztem malejącego udziału objętościowego α-Fe. Część żelazo pozostaje jednak w stanie wolnym, nie wiążąc się z wolframem i borem.

Podsumowanie:

Wyższa temperatura wyżarzania implikuje powstanie faz międzymetalicznych wolframu, żelaza i boru na skutek wzmożonej dyfuzji. Mimo powstawania tychże faz, wraz ze wzrastającym stężeniem wolframu i temperaturze wyżarzania 1123K, nie zanika faza magnetycznie miękka α-Fe.

Ad. 2.

1. Dodatek wolframu zwiększa początkowo, wraz z jego rosnącym udziałem, wartość koercji stopu, implikując jej maksimum dla pewnego stężenia, od którego parametr ten zaczyna maleć. Stopy wyżarzane w temperaturze 1123K charakteryzują się intensywniejszym narastaniem koercji w funkcji zawartości wolframu, jak również szybszym osiąganiem jej ekstremum, w stosunku do magnesów wyżarzanych w temperaturze 923K. Niższa temperatura wyżarzania pozwala jednak otrzymać wyższe maksimum koercji.

Obszar aplikacyjny ze względu na dużą wartość pola koercji H_c [A/m]:

Duża wartość pola koercji umożliwia pracę magnesu trwałego w obecności silnych pól odmagnesowujących. Jako konkretny przykład aplikacji niech posłuży licznik indukcyjny energii elektrycznej. Licznik ten zawiera silnik indukcyjny, w którym aluminiowa tarcza porusza się pod wpływem wirowego pola magnetycznego wytworzonego przez dwie cewki. W jednej cewce płynie prąd proporcjonalny do natężenia prądu pobieranego, w drugiej – do napięcia. Cewki są tak umieszczone, że powstający moment napędowy jest proporcjonalny do iloczynu chwilowej wartości prądu i napięcia, a ten z kolei jest równoważony poprzez moment hamujący, powstający na skutek obrotu tarczy między biegunami magnesu trwałego i jest proporcjonalny do szybkości ruchu tarczy.

Nieuczciwy i jednocześnie niewyedukowany odbiorca energii elektrycznej mógłby starać się uszkodzić licznik, poprzez działanie na niego zewnętrznym polem magnetycznym, licząc na zmniejszenie tempa naliczania pobranej energii elektrycznej. Uszkodzenie magnesu trwałego w liczniku (odmagnesowanie go) prowadzi jednak do znacznego osłabienia momentu hamującego, co objawia się zawyżonym naliczaniem energii.

1. Wzrastająca zawartość wolframu powoduje spadek remanencji magnesu niezależnie od temperatury, w której był wyżarzany. Jednakże stopy wyżarzane w temperaturze 923K wykazują wyższe wartości remanencji w stosunku do wyżarzanych w 1123K przy tej samej zawartości wolframu.

Obszar aplikacyjny ze względu na dużą wartość remanencji B_r [T]:

Duża wartość remanencji (indukcji szczątkowej) pozwala uzyskać duży moment mechaniczny (proporcjonalny do kwadratu indukcji). Fakt ten przekłada się na aplikację materiału magnetycznie twardego o dużej wartości remanencji na magnesy trwałe montowane na wirniku silnika synchronicznego. Zastosowanie magnesów trwałych w maszynach elektrycznych prądu przemiennego umożliwia podwyższenie ich sprawności względem maszyn synchronicznych z uzwojeniem wzbudzenia oraz maszyn asynchronicznych. W porównaniu z maszynami synchronicznymi z klasycznym wzbudzeniem, maszyny z magnesami trwałymi nie wymagają zasilania uzwojenia wzbudzenia, co oznacza brak strat w obwodzie wzbudzenia. Natomiast w porównaniu z maszynami asynchronicznymi silniki synchroniczne z magnesami trwałymi mają również większy współczynnik mocy.

Ze względu na niezależność prędkości obrotowej wirnika od momentu obciążającego (w pewnym dość dużym zakresie obciążeń) silniki synchroniczne znajdują zastosowanie tam, gdzie pożądana jest stała prędkość obrotowa wału maszyny, przykładowo w napędzie:

• kompresorów i wytłaczarek (przemysł chemiczny, paliwowy);

• walcarek, wciągarek, kruszarek, wentylatorów (przemysł hutniczy, surowcowy);

• pomp w przepompowniach wody, oczyszczalniach ścieków.

Dużą wartość remanencji magnetyka twardego można również wykorzystać w zastosowaniu na magnes trwały amperomierza magnetoelektrycznego. W mierniku takim, w wyniku przepływu prądu (mierzonego) I przez cewkę umieszczoną w polu magnetycznym o indukcji B powstaje para sił F, wywołująca ruch obrotowy cewki. A zatem działa na nią moment napędowy M_n = Bildz, gdzie z stanowi liczbę zwojów cewki. Obrotowi cewki przeciwdziała jednak moment zwrotny, wytworzony przez sprężynkę M_z = kα, gdzie k jest stałą sprężynki, natomiast α – kątem obrotu ramki. Po chwili od wpięcia amperomierza w obwód ramka ustawi się w położeniu równowagi, a wskazane wyżej momenty zrównoważą się. Położenie kątowe ramki będzie równe:

$\alpha = \frac{\text{BIldz}}{k}$ ,

a zatem wprost proporcjonalne do indukcji magnesu trwałego α ~ B. Dlatego też magnes o dużej remanencji będzie umożliwiał większą dokładność pomiaru niewielkich prądów (powodując większe wychylenie wskazówki).

Rysunek 1. Zasada działania amperomierza magnetoelektrycznego

1. Temperatura wyżarzania nie wpływa na charakter przebiegu iloczynu energii (BH)_max magnesu w funkcji zawartości wolframu. Początkowo, ze wzrostem jego koncentracji iloczyn energetyczny rośnie, osiągając bardzo szybko maksimum przy 2% wolframu w stopie. Jest to spowodowane dominującym wpływem wzrostu koercji na wartość (BH)_max we wskazanym zakresie stężeń. Po przekroczeniu 2% wolframu iloczyn energetyczny zaczyna gwałtownie maleć ze względu na przeważający wpływ spadku remanencji. Temperatura wyżarzania wpływa jednak na wartość (BH)_max przy tym tej samej koncentracji wolframu – magnes wyżarzany w 923K wykazywał większą wartość energii magnetycznej w całym zakresie badanych zawartości.

2. Przyczyną większej wartości koercji kompozytu o zawartości wolframu 28% wyżarzanego w temperaturze 923K w stosunku do wyżarzanego w temperaturze 1123K jest zanik faz magnetycznie miękkich: Fe₂B, α-Fe w pierwszym z nich kosztem fazy magnetycznie twardej Nd₂Fe₁₄B. Natomiast w kompozycie wyżarzanym w wyższej temperaturze cały czas obecna jest faza α-Fe, obniżająca koercję.

Wnioski:

Jeśliby przyjąć iloczyn energetyczny (BH)_max za uniwersalne kryterium przydatności materiału w aplikacjach typowych dla magnetyków twardych, za korzystne należy uznać dopowanie stopów typu Nd₁₀Fe₈₄B₆ wolframem kosztem żelaza w ilości 2% atomowych oraz wyżarzanie magnesu w temperaturze 923K. Dla takiej kombinacji parametrów (koncentracja wolframu, temperatura wyżarzania) uzyskuje się bowiem maksimum (BH)_max. Wyższe zawartości wolframu są uzasadnione tylko wówczas, kiedy potencjalna aplikacja wymaga większej wartości koercji (praca w obecności silnych pól odmagnesowujących), a jej sensowności nie podważy zmniejszona remanencja.