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Funktionswerkstoffe II Kapitel 1c : hartmagnetische Werkstoffe

Funktionswerkstoffe II Kapitel 1c : hartmagnetische Werkstoffe . Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. C. Gachot. Lernziele Kapitel 5c: hartmagnetische Werkstoffe. Was sind charakteristische Eigenschaften von Hartmagneten? Wie beeinflusst man diese Eigenschaften?

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Funktionswerkstoffe II Kapitel 1c : hartmagnetische Werkstoffe

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Presentation Transcript

  1. Funktionswerkstoffe IIKapitel 1c: hartmagnetische Werkstoffe Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. C. Gachot

  2. Lernziele Kapitel 5c: hartmagnetische Werkstoffe Was sind charakteristische Eigenschaften von Hartmagneten? Wie beeinflusst man diese Eigenschaften? Welche Herstellungsmethoden für Hartmagnete gibt es? Wodurch unterscheiden sich diese Methoden voneinander?

  3. Anwendungsbeispiele für Seltenerd-Permanentmagnete Magnet Resonanz Tomographie Die kleinste Festplatte der Welt

  4. Anwendungsbeispiele für Seltenerd-Permanentmagnete Dipol-Magnet mit einem Durchmesser von 1,5m im „Alpha Magnet Spectrometer“ Teilchen -Detektor (ca. 5000 rechtwinklige Magnete)

  5. Permanentmagnete • bestehenaushartmagnetischem Material • schwerzumagnetisierendurchäußeresFeld • schwerzuentmagnetisieren, wennäußeresFeldabgeschaltetwird • hergestelltimunmagnetisiertenZustand •  Magnetisierungdurchein intensives, gepulstesFeld • EntmagnetisierbardurchHitze, Abschrecken und starke Felder

  6. Eigenschaften 1. Hohe Koerzitivfeldstärke: ca.10 kA/m 2. Hohe Remanenz MR 3. Sättigungsmagnetisierung: Das Verhältnis der MR/MSmuss nahe 1 liegen 4. Maximale Energiedichte: Maximalwert des Produkts BH im zweiten Quadranten der Hysterese-Kurve

  7. Miniaturisierung von Motoren und Lautsprechern Motoren Lautsprecher

  8. Hard Magnets - Development of Properties Energiedichte-Produkt (kJ/m³)

  9. Properties 5. Demagnetizationcurve: shapeofthe permanent magnet

  10. Demagnetization curves of three permanent magnet steels

  11. DemagnetizationcurvesofisotropicformsofAlNiCo A13.12

  12. Demagnetization curves of oriented forms of Alnico

  13. Demagnetization curves for barium ferrites, isotropic and anisotropic

  14. Second quandrant demagnetization curves for Sm-Co

  15. Nd-Fe-B: Ternäres Phasendiagramm Nd2Fe14B, tetragonale Einheitszelle Isotherme bei 800°C, nach Buschow, Schneider (1986)

  16. Mikrostruktur und Kornorientierung einphasig • Prozesskette- Korngröße und –form- Kornorientierung und Fehlausrichtung • Zusammensetzung und Phasenbeziehung- Ausscheidung - Pasenverteilung- interkristalline Phase Isotrope und anisotrope Magnete zweiphasig

  17. Beeinflussung der Koerzivität Keimbildung und Wachstum der Domänen Nd2Fe14B Blokieren der DomänenwändeSm(Co,Cu,Fe,Zr)7,5 Nanokirstalline MagneteNd2Fe14B/(α-Fe,Fe3B)

  18. Anisotope Hartmagnete

  19. Herstellung

  20. Bonded Magnets Lüftermotor: früher aus Ferrit, heute aus gepresstem Nd-Fe-B  Gewichtsersparnis von 50% Einsatzgebiete von Dauermagneten in Sensoren und Motoren

  21. Herstellung isotroper SE-Pulver für Bonded Magnets

  22. Herstellung anisotroper SE-Pulver für Bonded Magnets

  23. Formgebung bei anisotropen Permanentmagneten Ausrichtung quer zur Verdichtungsrichtung  Störung der magnetischen Ketten der Teilchen minimal  Orientierungsgrad maximal

  24. Bonded Magnets

  25. stripcasting von Nd-Fe-B-Magneten mit hohem (B·H) • Konventionelles Gießen:hoher α-Fe-Anteil und Nd-Zonen • Bandgießen (gerichtete Erstarrung):homogene und feine Mikrostruktur SE-Bild eines Fe-30,5wt%Nd-1,0wt%B Guss-Legierung nach Homogenisierung bei 1050°C/4 Stunden

  26. Abnormales Kornwachstum Sintern bei 950°C / 3 Stunden Sintern bei 1000°C / 3 Stunden

  27. Melt-Spinning: Nd-Fe-B-Magnete • Parameter des Schmelzspinnverfahrens: • Abschreck-Geschwindigkeit(= Umdrehungsgeschwindigkeit) • Anlassen(Zeit und Heizgeschwindigkeit) • Zusammensetzung

  28. Mikrostruktur von Sm(Co,Fe,Cu,Zr) • Zellulare Ausscheidung • (A) Zellmatrix-Phase: • Sm2(Co,Fe)17 rhomb. • (B) Zellgrenzen-Phase:Sm(Co,Cu)5-7 hex • (C) Plättchen-Phase:Sm(Co,Zr)x

  29. Ausscheidungsgehärtete Magnete LösungsglühenSintern, Lösen AusscheidungshärtenIsothermes Altern: 800-860°CLangsames Abkühlen 1°C/minAnlassen: 400°C Sm(Co0,71Fe0,14Cu0,08Zr0,04)0,8 Lorentz Mikroskopie gelöster Zustand Nach der Wärmebehandlung

  30. Nano-Analyse Sm(Co,Fe,Cu,Zr) Analyse der Elementeverteilung entlang der Ausscheidungen  Nanometerbereich Zellgrenzen: hoher Cu-,Sm-Anteil Zellmatrix: hoher Fe-, Co-Anteil Sm(Co0,77Fe0,12Cu0,09Zr0,02)7,8

  31. Design der Mikrostruktur Einfluss der Wärmebehandlung: isothermes Altern bei 800-860°C 20 min 60 min 120 min Einfluss der Zusammensetzung 23,8 wt.% Sm 26,2 wt.% Sm Zusammensetzung ↕ Wärmebehandlung

  32. Hochtemperaturmagnete für Generatoren/Motoren • elektrische Antriebssysteme für Fahrzeuge • SiC wird das Halbleitermaterial der näheren Zukunft für Energieanwendungen sein, Betriebstemperatur für Motoren und generatoren 140-180°C  250-300°C Solarleketrischer Ionenantrieb Schub: 100 mN Gewicht: 50 kg Austrittsgeschwindigkeit = 30 km/s Antrieb eines Kampfjets: Schub = 150 kN, Gewicht: 1500 kg Austrittsgeschwindigkeit = 300 m/s

  33. Entwicklung der Nanomagnete • Einphasige exchange-coupled magnets1987 McCallum, Kadim, Clemente und Keem1988 Hadjipanayis and Gong • Mehrphasige exchange-coupled magnets1989 Coehoorn, Mooij und Waard1989 McCormick, Miao, Smith, Ding und Street1991 Manaf, Leonowicz, Davies und Buckley1993 Kanekiyo, Uehara und Hirosawa1998 Kuma, Kitajima, Kanai und Fukunaga

  34. Komposite großes Koerzitivfeld hohe Remanenz Hartmagnet mit hoher Energiedichte

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