Hlavní strana >> Magnety ze vzácných zemin |
Vyhledávání Články Permanentní magnety Provozovatel | Permanentní magnety ze vzácných zeminTrvalé magnety na bázi SmCo a NdFeB jsou vysoce výkonné a kvalitativně velmi hodnotné komponenty, které se používají také v pohonech a regulaci.
Co je třeba vědět o magnetech ze vzácných zemin.
V zásadě jsou k dispozici tři materiálové typy magnetických materiálů ze vzácných zemin (Sm, Nd) - a přechodového kovu (Co, Fe). Jsou založeny na příslušných intermetalických fázích SmCo5, Sm2Co17 a Nd2 Ne14B.
Podle velikosti, tvaru, tolerancí a počtu jsou permanentní magnety buď řezány z izostaticky lisovaných surových magnetů popřípadě lisovány v příčném poli (tzv. H-materiál) nebo v axiálním poli (tzv. W-materiál). Tyto různé výrobní způsoby se také odrážejí v magnetických vlastnostech permanentních magnetů. Tak vykazují H-materiály poněkud vyšší remanenci (Br). Koercivita (HcJ) je identická. Obecně však splňují kusy, lisované v axiálním poli, požadavky zákazníka a lze je vyrábět ve velkých počtech při příznivých nákladech. Krystalografická buňka krystalu SmCo5 a mikrostruktura.
 Tato krystalová struktura představuje základní jednotku veškerých permanentních magnetů ze vzácných zemin s přechodným kovem. Z této mohou být odvozeny 2/17 jakož i 2/14/1 struktury. Stavba je hexagonální ve formě prototypu CaCu5. Atomy kovu ze vzácných zemin a atomy kobaltu tvoří rovněž nezávislou hexagonální podmřížku.Strukturní parametry (mřížkové konstanty) jsou:
a = 0,5004 nm,
c = 0,3964 nm
Přednostní osa magnetizace je kolmo k základní rovině.
Struktura SmCo5 (1000 × zvětšeno).
Strukturní stavba znázorňuje v podstatě dvě rozdílné fáze. Jsou to Sm2Co7 (fialová)amagneticky tvrdáfáze SmCo5 (hnědá). Tyto permanentní magnety jsou „nukleárně vytvrzené“, tzn. magnetická tvrdost vzniká v podstatě vysokou anizotropního silou pole.
 Krystalografická buňka krystalu Sm2Co17 a mikrostruktura.
Tato krystalická buňka tvoří výchozí strukturu pro permanentní magnety Sm2 (TM)17 (TM: angl.= transition metal) a je založena na jednopětinové buňce krystalové mřížky. Přitom je tam nahrazována jedna třetina všech atomů Sm páry atomů Co. Částečnou náhradou atomů kobaltu atomy železa namísto atomů kobaltu se značně zvyšuje saturační magnetizace. Možné krystalové struktury jsou romboedrické nebo hexagonální. Permanentní magnety Sm2 (TM)17 nemají žádnou exaktní 2/17- stechiometrii nýbrž stechiometrii asi 2/15. Tím se vytvoří nejen romboedrická základní struktura, nýbrž také sloučenina SmCo5, důležitá pro magnetické vytvrzení. Ostatní legující kovy se přitom rozpouštějí v romboedrické matriční fázi (Fe), v hexagonální 1/5-vylučovací fázi (Cu), jakož i v hexagonální 2/17-fázi (Zr).
Krystalografická buňka krystalu Sm2Co17 a mikrostruktura.  Strukturní parametry romboedrické mřížky Sm2Co17 jsou: a = 0,8402 nm, c = 1,2172 nm. Přednostní osa magnetizace je kolmá k základní rovině. Struktura Sm2Co17 (1000 × zvětšeno). Struktura je tvořena v podstatě magneticky tvrdou fází Sm2Co17 (barevná). Různé barvy vznikají leptáním. Mezi zrny lze poznat jemnou zrnitou mezní fázi jiného složení (světlá). Největší částice jsou karbidy Zr. Tyto magnety jsou oproti jiným materiálům ze vzácných zemin „vytvrzené vyloučeninou“, tzn. magnetické ele¬mentární oblasti jsou omezeny nepatrnými, v optimálním výbrusu neviditelnými vyloučeninami ve fázi 2/17 při přenosu. Toto vy¬světluje pomalou reakci při namagnetování a přemagnetování.  Krystalografickábuňka krystalu Nd2Fe14B a mikrostruktura.
 Tato buňka je strukturním typem, podobným CaCu5. Čtyři podjednotky tvoří jednotkovou buňku, sestávající se ze 68 atomů. Krystalická struktura je tetragonální, avšak také zde tvoří atomy železa hexagonální švy, podobné jako u romboedrických a hexagonálních krystalů Sm2Co17. Do permanentních magnetů NdFeB jsou přidávány další legující prvky. Tak například částečné nahrazení neodymu disproziem vede ke zvýšení koercitivní síly pole.Mřížkové konstanty jsou:
a = 0,880 nm,
c = 1,219 nm
Přednostní osa magnetizace je rovnoběžná k ose c a tím kolmá k základní rovině.
Obr. Struktura NdFeB - (1000 × zvětšeno).
Struktura je tvořena v podstatě dvěmi rozdílnými fázemi. To jsou magneticky tvrdé fáze Nd2Fe14B (s doménovou strukturou) a nemagnetické zrnité mezní fáze z prakticky čistého neodymu (černá). Tyto permanentní magnety jsou rovněž „nukleárně vytvrzené“, tzn. magnetická tvrdost vzniká v podstatě vysokou silou anizotropního pole. Přemagnetování začíná jak na příměsích tak na povrchu zrna.
 Vývoje permanentních magnetů ze vzácných zemin.
Ve srovnání s tradičními permanentními magnety jsou tyto permanentní magnety podstatně výkonnější a jsou založeny především na intermetalických sloučeninách z kovů ze vzácných zemin (např. samarium, neodym) a přechodových kovů (TM), angl.: transition metal, např. kobalt, železo. Mají významně vyšší hodnoty koercitivity HcJ nebo remanence Br nežli známé a osvědčené trvalé magnety jako jsou ocel, AlNiCo a ferity. Permanentní magnety na bázi SmCo5 a Sm2Co17, doposud používané s velkým úspěchem, byly začátkem 80.let zásadně doplněny vývojem magnetů na bázi NdFeB. Proti hospodářské výhodě na straně jedné, cenově výhodnějšími a lépe dosažitelnými surovinami, jako nevýhody stojí na straně druhé nižší Curie-teplota a v důsledku toho vyšší teplotní koeficientyHcJ a Br.
Pokroky ve vývoji materiálu zlepšily doposud značně silnou náchylnost ke korozi magnetů NdFeB, takže za normálních podmínek použití mohou být určité materiály z této skupiny nasazeny, aniž by byla nutná dodatečná povrchová úprava.
Mechanické vlastnosti.
Permanentní magnety ze vzácných zemin se kvůli jejich tvrdosti opracovávají diamantovým nářadím, přičemž nejvyšší křehkost vykazuje Sm2Co17. Při nárazech dochází lehce k odštípnutím resp. odprýsknutím povrchové vrstvy. Způsoby opracování jako broušení, dělení, elektro-eroze nebo řezání vodním paprskem, jsou možné. Hustoty se pohybují od cca 7,5 g/cm3 (NdFeB) do 8,5 g/cm3 (SmCo) v oblasti ocelí. Koeficientydélkovéroztažnosti jsou rozptýleny v závislosti na směru anizotropie (orientace) a na materiálu od -1÷13 . 10-6 . K-1). Toto má význam u spojení s jinými materiály.
Mechanické vlastnosti magnetů, pojených plastem jsou v podstatě určovány použitým plastem. Oproti sintrovaným magnetům ze vzácných zemin je u magnetů spojených plastem jejich možné mechanické opracování, jako soustružení, frézování nebo vrtání, a to tvrdokovovým nářadím.
Chemické vlastnosti.
Veškeré magnety ze vzácných zemin se považují za kovové materiály a vykazují podobné vlastnosti, např. bezprostředně po opracování, typický lesk. Kyselé prostředí vede k rozpuštění, oproti tomuto jsou magnety do značné míry rezistentní v alkalických médiích. Magnety oxidují ve vlhké atmosféře SmCo velmi málo, NdFeB podle druhu materiálu podobně nebo silněji. Magnety SmCo vykazují pouze nepatrnou oxidaci povrchu; magnety NdFeB se pomalu rozpouštějí. Povlakování povrchu je nezbytné.
U materiálů NdFeB, stabilních vůči korozi, jsou tyto reakce zpomaleny až o řád (viz dále), většinou zde lze upustit od povlakování.
Odolnost proti korozi.
Tradiční magnety NdFeB jsou náchylné vůči korozi. V oxidační atmosféře v autoklávu (130°C, 3 bar, nasycená vodní pára) byla ve srovnání s materiály SmCo zjištěna 100 až 1000 násobný úbytek jejich hmotnosti.
Citlivost materiálů NdFeB má svou příčinu v materiálové struktuře, která se skládá z magnetických zrn Nd2Fe14B a okolní zrnité mezní fáze z volného neodymu. Obr. 1 ukazuje konvenční NdFeB o velmi dobré magnetické kvalitě pro použití ve vysokých teplotách, jak bývá obvyklé např. u pohonů. Vysoká teplota však výrazně snižuje chemickou odolnost. Za popsaných podmínek se magnet během 10 dní prakticky rozpustí. Zůstanou pouze zbytky.
Magnet nefunguje. V nově vyvinutém materiálu byla většina reaktivního neodymu v mezizrnové oblasti nahrazena stabilními intermetalickými sloučeninami, které se vytvářejí během tepelného opracování ze základních surovin a chemických přísad. Průběh korozivní křivky je po počáteční minimální povrchové korozi konstantní. Materiál se pasivuje a vykazuje dlouhodobě podobné chování jako Sm2Co17, který je znám jako materiál odolný korozi.
Vysoká odolnost nových kvalitních trvalých magnetů z NdFeB se dosahuje přísadami, které působí též teplotní stálost. Tyto přísady však snižují objemový podíl magnetické fáze Nd2Fe14B a snižují tak magnetický tok.
Tento efekt může být kompenzován vylepšením teplotních koeficientů při pracovní teplotě, je však třeba akceptovat nižší startovací hodnoty. Materiály s velkou remanencí a nízkou koercivitou (např. 270/94h nebo 240/95w) mohly být doposud vyráběny pouze omezeně jako korozivzdorné.
 Obraz 1.: Korozní chování konvenčního NdFeB v autoklávu při 130°C a 3 bar v nasycené vodní páře. Stupnice obsahuje od 0 do 100%.  Obraz 2.:Korozní chování odolného NdFeB (210/22h popř. 180/220wv autoklávu při 130°C a 3 bar v nasycené vodní páře. Jako srovnávací materiál sloužil Sm2O17. Stupnice zasahuje od 99,5 do 100%. Rozdíly mezi nástrojově a izostaticky lisovanými materiály jsou nepatrné.
Magnetické vlastnosti.
Magnetické parametry jsou uvedeny v materiálových listech výrobce. Pracovní teploty jsou variabilní podle materiálu: u NdFeB od cca 110°C do 220°C, u SmCo až do 350°C . Kvůli teplotním koeficientům, které jsou u magnetů ze vzácných zemin zásadně negativní, má pracovní bod při vyšších teplotách zásadní význam. Teplotní závislost.
Ideální demagnetizační křivky permanentních magnetů ze vzácných zemin při různých teplotách jsou znázorněny v katalogových listech výrobce. Přitom se obvykle neberou v úvahu některé vlivy, závislé na materiálu a výrobě. Principiálně lze vlivy na indukci rozdělit na:
• reverzibilní ztráty z důvodu působení teploty a
• ireverzibilní ztráty z důvodu přemagnetování protipólem nebo působením teploty na změny materiálové struktury.
Reverzibilní ztráty.
Tyto ztráty nastávají vždy vlivem atomárních poruch při zvýšení teploty, po snížení teploty se však opět navrátí. Materiály se chovají v různých teplotních oblastech podle specifického teplotního koeficientu Tk.
Teplotní koeficienty.
Tyto teplotní koeficientyjsou negativní, protože se jedná při zvýšení teploty o ztráty. Tyto koeficienty jsou definovány následovně a představují čistě empirickou veličinu:
Úbytek v procentech (hodnoty při pokojové teplotě) na stupeň vzrůstu teploty (%.K-1).
Teplotní koeficienty představují materiálové parametry, které se dají změnit dotováním.Umagnetů SmCo je zásadní materiálové vývoje ukončen a materiály etablovaných dodavatelů jsou sjednocené. Tímto jsou tedy příslušné teplotní koeficienty u těchto materiálů od různých dodavatelů téměř identické. Podstatné rozdíly jsou pouze u materiálu NdFeB, kde se tyto koeficienty pohybují mezi-0,08a-0,13%.K-1.
Jejich zohlednění je důležité zvláště u materiálů odolných teplotám. Jelikož se však vztahují na veličinu „hodnota při pokojové teplotě“, je třeba teplotní koeficienty uvažovat pouze relativně.Tak je např. materiál s hodnotou pokojové teploty o 2500 kA.m-1 a teplotním koeficientem-0,5%.K-1 je při 150°C stabilnější než materiál s 3000 kA/m a teplotním koeficientem-0,6%.K-1. Proti sobě stojí při 150°C hodnota 1000 kA.m-1 a pouze 840 kA. m-1.
Totéž platí při teplotních koeficientech pro Br. Zde jsou právě při vysokých teplotách tyto hodnoty relevantní. Z tohoto důvodu jsou v tabulkách specifikovány vlastnosti při vysokých teplotách.
Ireverzibilní ztráty.
Ireverzibilní ztráty jsou v demagnetizační křivce viditelné v odchylce od teoretického lineárního průběhu. Tyto ztráty jsou z části neodstranitelné a projevují se při zvýšení teploty nebo při výskytu vnějšího pole. Také poloha pracovního bodu je rozhodující. Jednorázovým stabilizačním opatřením se magnety dají nastavit na konstantní hodnotu. Se snížením indukce, které je s tím spojené, se musí počítat.
Poznámka.
| Informace...Jestli chcete zakoupit supermagnet tak vstupte na www.neomag.cz kde naleznete nejvetší sortiment u nás za bezkonkurenční ceny. |
Obvyklé použití magnetů