XV International PhD Workshop OWD 2013, 19 22 October 2013 Nowoczesne materiały magnetyczne dla zastosowań w mechatronice Modern magnetic materials for the applications in mechatronics Agnieszka Piekarska, Częstochowa University of Technology (opiekun naukowy, dr hab. inż. Jan Szczygłowski, Częstochowa University of Technology)) Abstract The paper focuses on the applications of chosen soft magnetic materials in mechatronic devices. Special attention is paid to the microstructure and properties of novel magnetic materials. Composites and amorphous materials reveal specific features, which allow one for the optimization of shape of magnetic circuits in electric machines and sensors. następnej fazie tj. w procesie formowanie ciśnieniowego lub wtryskowego proszek formowany jest w gotowy obwód magnetyczny. Rysunek 1 przedstawia schematycznie strukturę kompozytu magnetycznego. 1. Wstęp Wytwarzane i stosowane obecnie materiały magnetyczne o budowie nanokrystalicznej, krystalicznej oraz amorficznej charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami magnetycznymi (wysoka indukcja oraz niska stratność). Należy podkreślić, że właściwości mechaniczne (twardość, kruchość) tych materiałów utrudnia kształtowanie skomplikowanych w sensie kształtu magnetowodów w maszynach elektrycznych. Przyszłościowym rozwiązaniem są magnetowody wykonywane z kompozytów magnetycznych, które łączą w sobie korzystne właściwości magnetyczne i mechaniczne, co ułatwia kształtowanie obwodów magnetycznych oraz umożliwia ich miniaturyzację. 2. Sposoby wytwarzania nowoczesnych materiałów magnetycznych 2.1 Kompozyty magnetyczne Podstawowym elementem kompozytów magnetycznych jest proszek magnetyczny, uzyskany podczas zmielenia materiału magnetycznego przy zastosowaniu młynków wysokoenergetycznych bądź poprzez rozpylenie materiału w fazie ciekłej [1-3]. Proszek magnetyczny jest następnie wzbogacany domieszkami oraz substancjami wiążącymi o właściwościach dielektrycznych (żywice, polimery), które mają na celu spajanie ziaren proszku oraz wytwarzają na ich powierzchni warstwę izolującą. W Rys.1. Struktura kompozytu magnetycznego [4] Fig. 1. Structure of a magnetic composite Kompozyty magnetyczne dają możliwość formowania obwodów magnetycznych o kształtach oraz wymiarach trudnych do uzyskania w przypadku materiałów konwencjonalnych. Obwody magnetyczne, w których zastosowano materiały kompozytowe, charakteryzują dużą się dokładnością wykonania, co eliminuje konieczność stosowania dodatkowej obróbki mechanicznej. Proces ich wytwarzania charakteryzuje się również niższymi kosztami produkcyjnymi i materiałowymi (mniejsza ilość odpadów produkcyjnych), co jest istotne ze względów ekonomicznych i ekologicznych [4, 5]. 2.1 Amorficzne materiały magnetyczne Amorficzne materiały magnetyczne są stopami pierwiastków metalicznych Fe, Co lub Ni (stanowiącym 80% zawartości stopu), pozostałą 507
część stanowią pierwiastki niemetaliczne takie jak B, C, Ge, P lub Si. Materiały amorficzne uzyskuje się podczas procesu gwałtownego schłodzenia ciekłego stopu, co prowadzi do utworzenia w nim struktury amorficznej, tzw. struktury szkła. Struktura taka odznacza się brakiem uporządkowania atomów, co schematycznie przedstawiono na rysunku 2. Rys.2. Struktura wewnętrzna materiału: a) krystalicznego, b) amorficznego [5] Fig. 2 Structure of a) a crystalline material, b) amorphous material W procesie produkcyjnym materiałów amorficznych strumień stopionego metalu kierowany jest na powierzchnię wirującego bębna, na której następuje schładzanie stopu. Uzyskuje się w ten sposób materiał amorficzny w postaci taśmy, która poddawana jest dalszej obróbce. Produktem końcowym są taśmy o grubości 0,02-0,08 mm i szerokości 140-220 mm. Proces technologiczny produkcji taśm amorficznych przedstawia rysunku 3. Produkcja taśm amorficznych, w porównaniu z produkcją konwencjonalnych blach elektrotechnicznych, wymaga znacznie mniej przestrzeni oraz niższego zużycia energii elektrycznej. A a) b) D C B E Rys.3. Proces technologiczny produkcji taśm amorficznych: A piec indukcyjny, B zasobnik ciekłego stopu, C głowica z dyszą, D walec chłodzący, E i F urządzenia kontrolujące geometrię taśmy, G zwijarka [5] Fig. 3 Technological process aimed at production of amorphous ribbons: A - induction furnace, B supply of liquid alloy, C head with a nozzle, D - cooling roll, E and F devices for control of ribbon geometry, G winding unit F G 3. Podstawowe właściwości i zastosowania nowoczesnych materiałów magnetycznych 3.1 Właściwości i zastosowanie kompozytów magnetycznych Właściwości magnetyczne, mechaniczne oraz elektryczne elementów wykonanych z kompozytów magnetycznych zależą przede wszystkim od: właściwości magnetycznych zastosowanego proszku, wielkości ziarna proszku, ilości i rodzaju domieszek, ilości i rodzaju substancji wiążącej, technologii formowania rdzenia, parametrów procesu formowania, jak ciśnienie, temperatura, dodatkowej obróbki Kompozyty magnetyczne, ze względu na właściwości magnetyczne zastosowanego proszku, można podzielić na dwie grupy: kompozyty magnetyczne miękkie, wytwarzane przede wszystkim z proszków otrzymywanych z czystego żelaza, miękkich ferrytów, stopów Fe-P, Fe-Si, Fe-Ni, stopów amorficznych i nanokrystalicznych. Właściwości kompozytów magnetycznych zależą od parametrów operacji technologicznych ich wytwarzania, zarówno na etapie przygotowania proszku magnetycznego (czas mielenia), oraz procesu formowania elementu (ciśnienie i temperatura prasowania). Czas mielenia materiału magnetycznego wpływa na wielkość i kształt ziaren proszku. Duże ziarna o ostrych krawędziach, otrzymane przy krótkich czasach mielenia, lepiej wiążą się z matrycą dielektryczną kompozytu, co daje lepsze właściwości mechaniczne kompozytu. Kompozyty o miękkich właściwościach magnetycznych są alternatywnym materiałem dla miękkich ferrytów i blach elektrotechnicznych. Miękkie ferryty charakteryzują się niskimi stratami w zakresie wysokich częstotliwości, lecz także niską indukcją, co warunkuje duże wymiary rdzenia. 508
Tabela 1 Wybrane właściwości magnetyczne kompozytu Silame Table 1 Chosen magnetic properties of the Silame composite Parametr magnetyczny Procentowa zawartość dielektryka 14% 17% 20% 25% 33% B S [T] 0,72 0,60 0,54 0,51 0,50 w kompozytach NdFeB wpływa negatywnie na ich właściwości magnetyczne. W tabeli 2 przedstawiono wpływ domieszkowania żelazem na właściwości magnetyczne i mechaniczne materiału kompozytu NdFeB. Tabela 2 Wpływ domieszkowania proszkiem żelaza na właściwości kompozytu na bazie NdFeB [4] Table 2 The effect of Fe-powder addition on the properties of a NdFeB-based composites µ max 10 3 [-] 34,7 30,8 33,4 24,3 16,1 P [W/kg] 1,7 1,2 1,0 0,9 0,75 Blachy elektrotechniczne mają wysoką indukcję nasycenia, jednak zakres ich zastosowań w wysokich częstotliwościach jest ograniczony ze względu na duże straty energii związane z prądami wirowymi. Kompozyty magnetyczne mogą być natomiast stosowane w obszarach zastosowań niedostępnym dla ferrytów i blach elektrotechnicznych, co przedstawia rysunek 4. Zawartość proszku Fe Właściwości magnetyczne i mechaniczne Br HcB (BH)max HBW RC [MPa] [T] [ka/m] [kj/m 3 ] [-] [-] 0% Fe 0,724 448,5 84,6 112,1 35,0 5% Fe 0,694 385,9 66,1 118,8 36,6 10% Fe 0,690 349,8 62,6 130,6 37,1 15% Fe 0,684 314,0 51,8 136,2 37,7 HBW twardość, R C wytrzymałość na ściskanie Rys.3. Obszar zastosowań kompozytów magnetycznie. Fig. 3 Application scope of magnetic composites kompozyty magnetycznie twarde, wytwarzane przede wszystkim z proszków otrzymywanych z ferrytów na bazie Ba i Sr, stopów Al.-Ni-Co, Sm -Co, Nd-Fe- B i twardych stopów nanokrystalicznych). Najpopularniejsze kompozyty magnetycznie twarde są otrzymywane ze sproszkowanego stopu NdFeB. Podstawową wadą kompozytów NdFeB są słabe właściwości mechaniczne oraz ujemy temperaturowy współczynnik koercji TK(HcJ). Poprawa właściwości mechanicznych kompozytów NdFeB jest możliwa poprzez ich odpowiednie domieszkowanie, na przykład proszkiem żelaza. Wzbogacenie składu kompozytu o proszek żelaza powoduje wzrost jego twardości oraz wytrzymałości na ściskanie i zginanie. Dodatkowo, domieszkowanie proszkiem żelaza obniża koszty produkcji. Wzrost zawartości żelaza Współczynnik TK(HcJ) ma zasadniczy wpływ na pracę magnesów trwałych w wysokich temperaturach, gdyż jego ujemna wartość oznacza pogarszanie się właściwości magnetycznych wraz ze wzrostem temperatury. Ogranicza to zastosowanie kompozytów w podwyższonych temperaturach. Poprawa współczynnika TK(HcJ) jest możliwa na drodze domieszkowania materiału proszkiem ferrytu, który posiada dodatnią wartość współczynnik TK(HcJ). Zwiększenie procentowego udziału proszku ferrytu w składzie kompozytu z 24% do 73% powoduje wzrost współczynnika TK(HcJ) z wartości -0,31 do wartości -0,22. Równocześnie powoduje to jednak znaczące pogorszenie właściwości magnetycznych kompozytu. Właściwości kompozytów magnetycznie twardych zależą również od parametrów procesu ich wytwarzania. Mieszanina proszku magnetycznego, domieszek i substancji wiążących jest utwardzana w matrycy, zazwyczaj w temperaturze 180 C. Zwiększenie temperatury utwardzania do 600 C 509
powoduje rozrost ziaren, co pogarsza właściwości magnetyczne kompozytu. W przypadku kompozytów otrzymywanych w procesie formowania wtryskowego, temperatura wtrysku ma zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne, jak wytrzymałość na ściskanie oraz zgniatanie. Kompozyt magnetycznie twarde NdFeB domieszkowane proszkiem ferrytowym posiadają lepsze właściwości magnetycznymi w porównaniu z magnesami ferrytowymi, stosowanymi powszechnie w silnikach prądu stałego. Zastosowanie w silników prądu stałego magnesów kompozytowych na elementy wzbudzenia oraz kompozytów magnetycznie miękkich na obwody magnetyczne wirnika, umożliwia sterowanie parametrami technicznymi urządzeń bez konieczności wprowadzania zmian konstrukcyjnych, np. liczby uzwojeń wirnika, wymiarów wirnika [4]. Kompozyty magnetycznie twarde znalazły zastosowanie jako magnesy trwałe w małych silnikach wykorzystywanych w motoryzacji czy urządzeniach gospodarstwa domowego, w czujnikach ABS, w głośnikach, w słuchawkach, a także w systemach tomografii komputerowej i urządzeniach do wykrywania tkanek nowotworowych. 3.1 Właściwości i zastosowanie materiałów amorficznych. Materiały amorficzne są niestabilne termicznie, co oznacza, że wykazują tendencję do samoczynnej krystalizacji struktury wewnętrznej powyżej temperatury krystalizacji Tk, co powoduje pogorszenie ich właściwości magnetycznych. Wobec tego, wszelkie dodatkowe procesy technologiczne, którym poddawane są taśmy amorficzne, jak nakładanie powłok izolacyjnych czy obróbka termiczna w celu eliminacji naprężeń wewnętrznych, muszą być wykonywane poniżej temperatury krystalizacji Tk [6]. Wybrane właściwości materiałów amorficznych zostały przedstawione w tabeli 3. Właściwości te silnie zależą od głównego pierwiastka metalicznego w ich składzie chemicznym. W porównaniu z krystalicznymi blachami elektrotechnicznymi, materiały amorficzne na bazie Fe mają niższą indukcję nasycenia BS, lecz jednocześnie charakteryzują się znacznie niższymi stratami energii, zwłaszcza w zakresie częstotliwości sieciowych. Warunkuje to ich zastosowanie do produkcji rdzeni magnetycznych transformatorów energetycznych. Table 3. Properties of magnetic materials Tabela 3. Właściwości materiałów magnetycznych Materiał magnetyczny Amorficzny na bazie Fe Amorficzny na bazie Co Krystaliczny orientowany 3% Si-Fe B S W 10/50 µ max λ S H C [T] [W/kg] [---] [---] [A/m] 1,3 0,11 110 10 3 30 10-6 10 0,8 0,15 550 10 3 <0,2 10-6 1,9 0,40 100 10 3-0,8 10-6 30 80-100 Obecnie taśmy amorficzne produkowane są na skalę przemysłową przez wspomnianą już amerykańską firmę Metglas Corp., jak również w Japonii przez Hitachi Metals oraz w Europie przez niemiecką korporację Vacuumschmelze GmbH [6]. W podsumowaniu należy stwierdzić, że obserwowany obecnie w inżynierii materiałów magnetycznych, w szczególności dotyczący dielektromagnetyków może przyczynić się do polepszenia parametrów użytkowych magnetowodów mechatronicznych urządzeń elektrycznych. Literatura 1. Shokrollahi Hossein, Janghorban Kamel, Soft magnetic composite materials (SMCs), Journal of Materials Processing Technology 189 (2007) 1 12 2. Ślusarek Barbara, Powder magnetic materials, Przegląd Elektrotechniczny 4 (2010) 3. Kapelski Dariusz, Jankowski Bartosz, Karbowiak Marcin, Przybylski Marek, Ślusarek Barbara, Research of magnetic composites of hybrid composite elements, Przegląd Elektrotechniczny 5a (2012) 4. Najgebauer Mariusz, Szczygłowski Jan: Kompozyty magnetyczne w maszynach 510
elektrycznych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Elektryka 4 (2011) 29-40 5. Najgebauer Mariusz, Szczygłowski Jan: Transformatory energetyczne z rdzeniami amorficznymi, Przegląd Elektrotechniczny, vol. 12 (2007), s. 108-111 6. Najgebauer Mariusz: Rozdział 15: Przegląd nowoczesnych materiałów magnetycznie miękkich z uwzględnieniem ekologicznych zastosowań, Bioelektromagnetyzm (pod redakcją prof. A. Krawczyka), Instytut Naukowo- Badawczy ZTUREK, Warszawa, czerwiec 2002, s.189-197 Adres służbowy Autora Mgr inż. Agnieszka Piekarska Czestochowa University of Technology Al. Armii Krajowej 17 42-200 Częstochowa tel. (034) 3250-806 fax (034) 3250-806 email: agnieszka.piekarska88@gmail.com 511