KOMPOZYTOWE MATERIAŁY MAGNETYCZNIE TWARDE Nd-Fe-B O OSNOWIE POLIMEROWEJ

Transkrypt

1 17/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN KOMPOZYTOWE MATERIAŁY MAGNETYCZNIE TWARDE Nd-Fe-B O OSNOWIE POLIMEROWEJ L.A. DOBRZASKI 1, M. DRAK 2 Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18a, Gliwice STRESZCZENIE W pracy przedstawiono charakterystyk magnesów trwałych Nd-Fe-B. Zamieszczono wyniki bada struktury, własnoci magnetycznych i mechanicznych materiałów kompozytowych magnetycznie twardych oraz omówiono moliwoci modyfikacji technologii wytwarzania tych materiałów. Keywords: hard magnetic materials, composite materials 1. WPROWADZENIE Materiały magnetycznie twarde charakteryzuj si dobrymi własnociami magnetycznymi takimi jak remanencja, koercja i maksymalny iloczyn energii magnetycznej. W zalenoci od sposobu wytwarzania, materiały magnetycznie twarde mona podzieli na trzy podstawowe grupy: magnesy spiekane, magnesy odlewane, magnesy wizane materiałami polimerowymi zwane magnesami wizanymi, ferroplastami lub dielektromagnesami. Ze wzgldu na rodzaj materiału magnetycznie twardego magnesy dzieli si na: magnesy AlNiCo, magnesy ferrytowe, magnesy ze stopów kobaltu z pierwiastkami z grupy ziem rzadkich, magnesy ze stopów Nd-Fe-B [1-3]. W ostatnim pidziesicioleciu obserwuje si dynamiczny wzrost w dziedzinie magnesów trwałych. Zrozumienie zjawisk fizycznych odpowiedzialnych za własnoci magnetycznie twarde pozwoliło na odkrycie nowoczesnych magnesów opartych na intermetalicznych fazach pierwiastków ziem rzadkich i metali przejciowych (rys. 1). Do produkcji materiałów magnetycznie twardych wykorzystywane s fazy SmCo 5, 1 dr h.c. prof. zw. dr hab. in., leszek.dobrzanski@polsl.pl 2 dr in., malgorzata.drak@polsl.pl

2 Sm 2 Co 17, Nd 2 Fe 14 B. S one materiałami wyjciowymi do produkcji materiałów magnetycznie twardych spiekanych i łczonych materiałami polimerowymi [3-7]. Rys. 1. Rozwój materiałów magnetycznie twardych Fig. 1. Development of hard magnetic materiale W tablicy 1 zestawiono przykładowe własnoci magnetyczne podstawowych grup materiałów magnetycznie twardych opartych na pierwiastkach ziem rzadkich. Materiały magnetycznie twarde wizane materiałami kompozytowymi s obecnie jedn z szybko rozwijajcych si gałzi rynku magnesów trwałych. Materiały kompozytowe o szczególnych własnociach magnetycznych s stosowane praktycznie we wszystkich dziedzinach ycia. Bez tych materiałów trudno sobie wyobrazi nowoczesn technik, która w coraz to wikszym stopniu wykorzystuje urzdzenia przetwarzajce prd elektryczny. W wielu z nich zastosowanie znajduj materiały magnetycznie twarde. Celem pracy jest charakterystyka materiałów kompozytowych magnetycznie twardych Nd-Fe-B oraz omówienie moliwoci modyfikacji technologii ich wytwarzania. Tabela 1. Porównanie własnoci magnetycznych nowoczesnych materiałów magnetycznie twardych Table 1. Comparison of magnetic parameters of modern hard magnetic materials Magnesy Koercja H c [ka/m] Remanencja B r [T] Iloczyn energii BH max [kj/m 3 ] Temperatura Curie [ C] Nd-Fe-B spiekane 850 1, Nd-Fe-B wizane 550 0, Nd-Fe-B prasowane 800 0,8-1, na gorco Sm-Co wizane ,6-0, Sm-Co spiekane ,9-1,

3 2. MATERIAŁ I METODYKA BADA 2.1. Materiał Badania wykonano na próbkach materiałów kompozytowych o osnowie polimerowej (ywica epoksydowa 2,5% masowo) wzmacnianych czstkami magnetycznie twardymi ze sproszkowanej szybko chłodzonej tamy Nd-Fe-B (Nd 14,8 Fe 76 Co 4,95 B 4,25 ) Technologia Materiały magnetycznie twarde s zazwyczaj wytwarzane w postaci proszków lub cienkich tam. W tej formie geometrycznej ich zastosowanie jest ograniczone. Dlatego te w celu zwikszenia ich potencjalnych moliwoci zastosowania proszek magnetyczny mona łczy z innym materiałem otrzymujc materiał kompozytowy. Do tego celu stosowane s ywice termo i chemoutwardzalne, których udział masowy zwykle nie przekracza 2,5-3% oraz niskotopliwe metale o udziale masowych około 15% [1, 3-8]. Materiały kompozytowe s wytwarzane metod prasowania jednostronnego jednoosiowego. Na technologi ich wytwarzania wpływaj: udział osnowy, rodka polizgowego, cinienie prasowania, temperatura i czas utwardzania materiału polimerowego. Rysunek 2 przedstawia wybrane parametry operacji materiałowych i technologicznych pozwalajcych na uzyskanie materiału kompozytowego o najlepszej Rys. 2. Parametry operacji materiałowych i technologicznych pozwalajcych na uzyskanie materiału kompozytowego o najlepszej kombinacji własnoci magnetycznych i mechanicznych Fig. 2. Schematic diagram of the materials and technological operations for manufacturing the composite materials with the most advantage combination of its mechanical and magnetic properties 167

4 kombinacji własnoci magnetycznych i mechanicznych. Własnoci te zale głównie od udziału proszku magnetycznego, rodzaju osnowy, kształtu czstek i zastosowanej technologii. Własnoci mechaniczne zwikszaj si wraz ze wzrostem udziału materiału polimerowego, jednak wzrost ten ma niekorzystny wpływ na własnoci magnetyczne. Zwykle udział materiału polimerowego wynosi około 2,5-3% masowo (15-20% objtociowo) natomiast cinienie prasowania około MPa [5-8] (rys. 3, 4). Przy wyborze technologii wytwarzania materiałów kompozytowych wzito pod uwag, fakt e umoliwia ona otrzymanie elementu o skomplikowanym kształcie, proces prasowania przebiega w temperaturze, która uwzgldnia metastabiln struktur proszków, a podczas prasowania czstki zbliaj si do siebie i nastpuje ich mechaniczne zazbianie. a) b) Rys. 3. Wpływ udziału osnowy polimerowej na własnoci: a) mechaniczne, b) magnetyczne materiałów kompozytowych Fig. 3. Influence of the portion of polymer matrix on: a) mechanical, b) magnetic properties of composite materials 2.3. Metodyka bada W celu ustalenia zalenoci midzy składem chemicznym, struktur a własnociami wytworzonych materiałów kompozytowych wykonano nastpujce badania: własnoci magnetycznych: remanencji B r, koercji H cb maksymalnego iloczynu energii magnetycznej BH max, przenikalnoci rewersyjnej µ rev, struktury materiałów kompozytowych z wykorzystaniem mikroskopii wietlnej oraz skaningowej mikroskopii elektronowej, własnoci mechanicznych: wytrzymałoci na ciskanie, twardoci. Badania własnoci magnetycznych wykonywano na urzdzeniu typu MCS przeznaczonym do badania magnesów trwałych w obwodzie magnetycznym ze szczelin powietrzn. Metoda badania oparta jest na pomiarze indukcji magnetycznej B 0 w szczelinie midzy biegunem elektromagnesu, a powierzchni czołow próbki za 168

5 pomoc hallotronu oraz na pomiarze natenia zewntrznego pola magnesujcego H 0 wytwarzanego przez elektromagnes. Próbki przed pomiarem magnesowano w magnenicy, a nastpnie rejestrowano krzyw odmagnesowania i wyznaczano remanencj B r, koercj H cb, H cj, maksymalny iloczyn energii magnetycznej BH max oraz przenikalno rewersyjn µ rev. Wielkoci te okrelano na podstawie zmierzonej indukcji magnetycznej B 0, natenia zewntrznego pola magnesujcego H 0. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie wietlnym LEICA MEF4A wyposaonym w komputerowy system analizy obrazu. Wykonano pomiary wielkoci ziarna proszku materiału magnetycznie twardego, a wyniki bada opracowano statystycznie z wykorzystaniem programu Leica-Qwin i programu komputerowego Microcal Origin 6.0. W skaningowym mikroskopie elektronowym DSM 940 OPTON wykonano obserwacje morfologii ziarn proszku, struktury materiału kompozytowego i topografii powierzchni przy maksymalnym powikszeniu 400 razy z wykorzystaniem detekcji elektronów wtórnych przy napiciu przyspieszajcym 20kV. Próby wytrzymałoci na ciskanie wykonano na uniwersalnej maszynie wytrzymałociowej INSTRON 1150 w temperaturze pokojowej. Badania twardoci materiałów kompozytowych wykonano metod Brinella przy zastosowaniu kulki 2,5 mm i obcienia 31,25 N. Gsto materiałów kompozytowych okrelono wyznaczajc mas próbki z zastosowaniem wagi analitycznej z dokładnoci ±10-4 g oraz objto na podstawie pozornej straty masy przez zanurzenie w wodzie. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW Rysunek 4 przedstawia morfologi, rozłoenie i wielko ziarn proszku Nd 14.8 Fe 76 Co 4.95 B 4.25 obserwowanych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Proszek ma kształt płatkowy i charakteryzuje si ziarnami od 75.3 µm do µm. Na podstawie bada wykonanych na mikroskopie wietlnym okrelono rozłoenie proszków w materiale kompozytowym. Proszek Nd-Fe-B jest rozłoony równomiernie w osnowie polimerowej, ziarna maj kształt nieregularny i s wydłuone w jednym kierunku układajc si równolegle do siebie wikszymi płaszczyznami, prostopadle do kierunku prasowani (Rys.5a.). Na podstawie bada mikroskopowych zaobserwowano, e podczas prasowania nastpuje zblianie si czsteczek co powoduje zwikszenie powierzchni kontaktu i mechaniczne zazbianie czstek proszku umoliwiajc działanie sił adhezji. Stwierdzono wystpowanie niewielkiego udziału porów co wiadczy o dobrym sprasowaniu proszku co potwierdzaj badania gstoci. Stosunek gstoci rzeczywistej do gstoci teoretycznej wynosi ok. 75%. Rysunek 5b przedstawia topografi powierzchni materiału kompozytowego obserwowan w skaningowym mikroskopie elektronowym. 169

6 sample size size of powder grains [µm] Minimum Maksimum rednia 281,4µm 75,3µm 178,6µm Rys. 4. Morfologia, rozłoenie i wielko ziarn proszku Nd 14.8 Fe 76 Co 4.95 B 4,25 Fig. 4. Morphology, distribution and particle size of Nd 14.8 Fe 76 Co 4.95 B 4,25 powder a) b) 200 µm 100 µm Rys. 5. a) Struktura (LM), b) topografia powierzchni materiału kompozytowego (SEM). Fig. 5. a) Structure (LM), b) surface topography of composite materials (SEM). Wyniki bada własnoci magnetycznych zamieszczono w tabeli 2. Magnesy wykazuj własnoci: remanencja (B r = 0,724 T), koercja (H cb = 448,5 ka/m), maksymalny iloczyn energii magnetycznej (BH max = 84,6 kj/m 3 ), porównywalne z komercyjnymi magnesami wizanymi [9-12]. Parametry te s wynikiem duej gstoci materiałów spowodowanej homogenicznym rozłoeniem proszku neodymowego w osnowie polimerowej co potwierdziły badania na mikroskopie wietlnym i w skaningowym mikroskopie elektronowym. Na podstawie wykonanych bada stwierdzono, e wytrzymało na ciskanie materiału kompozytowego wynosi 112 MPa 170

7 natomiast twardo 35 HBW (tabela 2). Własnoci magnetyczne wytworzonych materiałów kompozytowych wykazuj gorsze własnoci magnetyczne w porównaniu z materiałami proszkowymi jednake moliwo formowania materiałów o dowolnych, skomplikowanych kształtach posiadajcych stosunkowo dobre własnoci mechaniczne oraz moliwo poprawy ich własnoci przez modyfikacj procesu technologicznego zwiksza moliwo ich zastosowania. Proces technologiczny otrzymywania materiałów kompozytowych składajcych si z proszków materiału magnetycznie twardego oraz polimeru moe stanowi podstaw do stosowania rónych modyfikacji technologicznych umoliwiajcych wybór operacji pod ktem oczekiwanych własnoci mechanicznych i magnetycznych materiałów kompozytowych. Modyfikacja ta moe polega zarówno na doborze materiałów jak i na zmianie operacji i zabiegów technologicznych (rys. 6.). Tabela 2. Własnoci materiałów kompozytowych Table 2. Properties of composite materials Remanencja B r, [T] 0,724 Koercja H cb, [ka/m] 448,5 Iloczy energii magnetycznej BH max [kj/m 3 ] 84,6 Przenikalno rewersyjna µ rev 1,19 Wytrzymało na ciskanie R c, [MPa] 112,1 Twardo, [HBW] 35,0 Rys. 6. Schemat operacji materiałowo-technologicznych wpływajcych na kształtowanie własnoci materiałów kompozytowych Fig. 6. Schematic diagram of the materials and technological operations having influence on the composite materials properties 171

8 4. PODSUMOWANIE Na podstawie wykonanych bada stwierdzono, e materiały kompozytowe charakteryzuj si homogenicznym rozłoeniem proszku neodymowego w osnowie polimerowej oraz dobrym zagszczeniem - zaobserwowano niewielki udział porów. Wyniki bada własnoci mechanicznych i struktury materiałów kompozytowych pozwalaj na rozszerzenie moliwoci ich zastosowania przez właciw korelacje z własnociami magnetycznymi. Własnoci magnetyczne materiałów kompozytowych s nisze ni proszków jednake moliwo formowania dowolnych kształtów z du dokładnoci wymiarow pozwala na zwikszenie moliwoci ich zastosowania. Własnoci mechaniczne materiałów kompozytowych magnetycznie twardych o osnowie polimerowej take odgrywaj znaczc rol i s równie wane jak własnoci magnetyczne magnesów. Wynika to z faktu, e materiały magnetyczne s coraz czciej wykorzystywane w urzdzeniach naraonych na obcienia mechaniczne. Urzdzenia te dziki miniaturyzacji s coraz czciej stosowane w codziennym yciu. Głównymi kierunkami miniaturyzacji s przemysł motoryzacyjny, elektrotechnika, przemysł lotniczy i kosmiczny, urzdzenia powszechnego uytku, urzdzenia gospodarstwa domowego, medycyna. LITERATURA [1] H.J. Fastenau, E.J. Loenen: Aplication of rare earth permament magnets, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (1996) 1-6. [2] D.C. Jiles: Acta Materialia, Recent advances and future directions in magnetic materiale, 51 (2003) [3] B. lusarek: Dielektromagnesy NdFeB, Wrocław, [4] J.M.D. Coey: Magnetic materials, Journal of Alloys and Compounds,326, 2001, 2-6. [5] B. M. Ma, J.W. Herchenroeder, B. Smith, M. Suda, D.N, Brown, Z. Chen: Recent development in bonded Nd-Fe-B magnet, J. Magn, Magn, Mat., 239 (2002) [6] L.A. Dobrzaski M. Drak: Structure and properties of composite materials with polymer matrix reinforced NdFeB hard magnetic nanostructured particles. Journal of Materials Processing Technology (2004) [7] L.A. Dobrzaski, M. Drak, B. Zibowicz: New possibilities of composite materials application materials of specific magnetic properties, Proceedings of the AMPT Conference, Las Vegas, USA, (in print). [8] L.A. Dobrzaski, M. Drak: Permament Magnets Nd-Fe-B, Proceedings of CAM3S 2005 Conference, Gliwice-Zakopane, 2005, [9] M. Drak: Struktura i własnoci uytkowe materiałów kompozytowych magnetycznie twardych o osnowie polimerowej wzmacnianych nanokrystalicznymi czstkami Nd-Fe-B z dodatkami metali, Praca doktorska, Biblioteka Główna, Politechnika lska w Gliwicach (niepublikowana),

9 [10] L.A. Dobrzaski, M. Drak, B. Zibowicz: Materials with specific magnetic properties, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 17 (1-2) (2006) [11] L.A. Dobrzaski, B. Zibowicz, M. Drak: Mechanical properties and the structure of magnetic composite materials, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 18 (1-2) (2006) [12] Magnequench technological catalog. SUMMARY HARD MAGNETIC COMPOSITE MATERIALS Nd-Fe-B ON POLYMERIC MATRIX The paper presents characteristic of permanent magnets Nd-Fe-B. Results of examination of the structure, magnetic and mechanical properties of hard magnetic composite materials are shown. The possibilities of manufacturing technology modification are discussed. Recenzował: prof. Jan Szajnar. 173