A2.1 Materiali magnetici dolci

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1 A2 A2.1 Materiali magnetici dolci Un materiale magnetico dolce è facilmente magnetizzabile e smagnetizzabile, mentre un materiale magnetico duro è difficile da magnetizzare e smagnetizzare. In passato i materiali magnetici dolci e duri erano fisicamente, rispettivamente, teneri e duri. Oggi, la durezza fisica di un materiale magnetico non indica necessariamente che sia magneticamente dolce o duro. I materiali magnetici dolci come le leghe di ferro con 3-4% di silicio utilizzate nei nuclei dei trasformatori, i motori e i generatori hanno cicli di isteresi ristretti con basse forze coercitive (Figura A2.1a). Invece, i materiali magnetici duri utilizzati per magneti permanenti hanno cicli di isteresi ampi con alte forze coercitive (Figura A2.1b). A2.1.1 Proprietà desiderate per i materiali magnetici dolci Perché un materiale ferromagnetico sia dolce, il suo ciclo di isteresi dovrebbe avere una forza coercitiva il più bassa possibile. Cioè, il suo ciclo di isteresi dovrebbe essere il più ristretto possibile perché il materiale si magnetizzi facilmente ed avere un alta permeabilità magnetica. Per la maggior parte delle applicazioni, anche un alta induzione di saturazione è un importante proprietà dei materiali magnetici dolci. Quindi, è desiderabile un ciclo di isteresi molto sottile e allungato per la maggior parte dei materiali magnetici dolci (Figura A2.1a). A2.1.2 Perdite di energia per materiali magnetici dolci Perdite di energia di isteresi Le perdite di energia di isteresi sono dovute all energia dissipata per muovere avanti e indietro i bordi dei domini durante la magnetizza- B B H H (a) (b) Figura A2.1 Cicli di isteresi (a) per un materiale magnetico dolce e (b) per un materiale magnetico duro. Il materiale magnetico dolce ha un ciclo di isteresi stretto che rende facile la magnetizzazione e la smagnetizzazione, mentre il materiale magnetico duro ha un ciclo di isteresi ampio che rende difficile la magnetizzazione e la smagnetizzazione.

2 2 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl zione e la smagnetizzazione del materiale magnetico. La presenza di impurezze, di imperfezioni cristalline e di precipitati nei materiali magnetici dolci agisce come barriera che impedisce il movimento dei bordi di dominio durante il ciclo di magnetizzazione, aumentando così le perdite di energia di isteresi. Anche le deformazioni plastiche, incrementando la densità delle dislocazioni in un materiale magnetico, aumentano le perdite di isteresi. In generale, l area interna ad un ciclo di isteresi misura la perdita di energia dovuta alla isteresi magnetica. Nel nucleo magnetico di un trasformatore di potenza elettrica a corrente alternata che utilizza una corrente elettrica a 60 cicli/s, l intero ciclo di isteresi viene ripetuto 60 volte al secondo e, in ogni ciclo, c è una perdita di energia dovuta al movimento dei bordi di dominio del materiale magnetico. Pertanto, aumentando la frequenza della corrente elettrica alternata in ingresso di dispositivi elettromagnetici aumentano le perdite di energia di isteresi. Perdite di energia per correnti parassite Un campo magnetico fluttuante provocato da una corrente elettrica alternata in un materiale magnetico conduttore produce gradienti di tensione transitori che creano correnti elettriche disperse. Queste correnti elettriche indotte sono dette correnti parassite e sono causa di perdite di energia dovuta alla dissipazione di calore per resistenza elettrica. Le perdite di energia per correnti parassite nei trasformatori elettrici possono essere ridotte utilizzando una struttura laminare del nucleo magnetico. Uno strato isolante tra il materiale magnetico conduttore previene il passaggio delle correnti parassite da una lamina all altra. Un altro modo per ridurre le perdite da correnti parassite, particolarmente ad alte frequenze, è di utilizzare un materiale magnetico dolce isolante. Ossidi ferrimagnetici e altri tipi di materiali magnetici dello stesso tipo sono utilizzati per alcune applicazioni elettromagnetiche ad alta frequenza e saranno discussi nel Paragrafo A2.3. A2.1.3 Leghe ferro-silicio I materiali magnetici dolci maggiormente utilizzati sono le leghe di ferro con 3-4% di silicio. Prima del 1900, per applicazioni di potenza a bassa frequenza (60 cicli) come i trasformatori, i motori e i generatori venivano utilizzati gli acciai a basso tenore di carbonio. Tuttavia, con questi materiali magnetici, le perdite al nucleo erano relativamente alte. L aggiunta del 3-4% di silicio al ferro per ottenere leghe Fe-Si, ha diversi effetti benefici che riducono le perdite al nucleo dei materiali magnetici. 1. Il silicio aumenta la resistività elettrica dell acciaio a basso tenore di carbonio e riduce le perdite da correnti parassite. 2. Il silicio diminuisce l energia di anisotropia magnetica del ferro, aumenta la permeabilità magnetica e quindi diminuisce le perdite al nucleo per isteresi. 3. Le aggiunte di silicio (3-4%) diminuiscono anche la magnetostrizione, abbassano le perdite di energia da isteresi e il rumore dei trasformatori ( ronzio ). Comunque, come effetto negativo, il silicio diminuisce la duttilità del ferro cosicché può essere aggiunto al ferro solo fino al 4%. Il silicio diminuisce anche l induzione di saturazione e la temperatura di Curie del ferro. Una ulteriore diminuzione nelle perdite dell energia di correnti parassite nei nuclei dei trasformatori è stata ottenuta utilizzando una struttura laminare (laminette affiancate). Per realizzare un moderno nucleo di un trasformatore di potenza, viene sovrapposto un grande numero di lamine sottili di Fe-Si di spessore compreso tra e cm con un sottile strato di isolante tra esse. Il materiale isolante ricopre da entrambe le parti le lamine di Fe-Si e previene il flusso delle correnti parassite perpendicolarmente alle lamine.

3 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 3 Direzione di laminazione Direzione di laminazione [001] (110) Orientamento dei cubi in (b) (a) (b) Figura A2.2 (a) Orientamento casuale e (b) preferenziale (110) [001] in una lamina policristallina di ferro con 3-4% di silicio. I cubi piccoli indicano l orientamento di ogni grano. (Da R. M. Rose, L. A. Shepard e J. Wulff, Structure and Properties of Materials, vol. IV: Electronic Properties, Wiley, 1966, p.211.) Un altra riduzione delle perdite di energia nel nucleo dei trasformatori è stata ottenuta nel 1940 mediante la produzione di lamine di Fe-Si a grani orientati. Utilizzando una combinazione di lavorazione a freddo e di trattamenti di ricristallizzazione, sono state prodotte su scala industriale lamine di Fe-3% Si a grani orientati lungo lo spigolo del cubo {110} 001 (Figura A2.2). Dal momento che la direzione [001] è un asse di facile magnetizzazione delle leghe Fe-3% Si, i domini magnetici nei materiali a struttura spigolo del cubo sono orientati per la facile magnetizzazione una volta applicato un campo in direzione parallela alla direzione di laminazione. Pertanto, il materiale a struttura spigolo del cubo ha una permeabilità più alta e perdite di isteresi minori di una lamina Fe-Si con orientamento casuale (Tabella A2.1). A2.1.4 Vetri metallici I vetri metallici sono una classe di materiali di tipo metallico relativamente nuova la cui caratteristica principale è la struttura non cristallina, a differenza delle normali leghe metalliche che hanno una struttura cristallina. Gli atomi dei metalli e delle leghe comuni quando vengono raffreddati dallo stato liquido si dispongono in un reticolo cristallino ordinato. La Tabella A2.2 elenca le composizioni atomiche di otto vetri metallici di importanza tecnologica. Questi materiali hanno importanti proprietà magnetiche dolci e sono composti essenzialmente da diverse combinazioni di materiali ferromagnetici come Fe, Co e Ni con metalloidi come B e Si. Le applicazioni di questi materiali magnetici dolci includono trasformatori a bassa dissipazione di energia, sensori magnetici e testine di registrazione. Tabella A2.1 Alcune proprietà magnetiche di materiali magnetici dolci Permeabilità Induzione di Forza iniziale saturazione coercitiva relativa Materiale e composizione B s, T H c, A/cm µ i Ferro magnetico, lamiera da 0.2 cm Lega Si-Fe M36 laminata a caldo (casuale) M6 (110) [001], 3.2% Si-Fe (orientata) Ni-55 Fe (45 Permalloy) Ni-5 Cu-2 Cr-18 Fe (Mumetal) Ni-5 Mo-15 Fe-0.5 Mn (Supermalloy) % MnO-Fe 2 O 3, 52% ZnO-Fe 2 O 3 (ferrite dolce) % NiO-Fe2O 3, 64% ZnO-Fe 2 O 3 (ferrite dolce) Fonte: G. Y. Chin e J. H. Wernick, Magnetic Materials, Bulk, vol. 14: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., Wiley, 1981, p. 686.

4 4 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Tabella A2.2 Vetri metallici: composizione, proprietà e applicazioni Induzione di saturazione Massima Lega, % atomica B s, T permeabilità Applicazioni Fe 78 B 13 Si Trasformatori di potenza, nuclei magnetici a bassa perdita Fe 81 B 13.5 Si 3.5 C Trasformatori ad impulsi, interruttori magnetici Fe 67 Co 18 B 14 Si Trasformatori ad impulsi, interruttori magnetici Fe 77 Cr 2 B 16 Si Trasformatori di corrente, nuclei magnetici sensibili Fe 74 Ni 4 Mo 3 B 17 Si Nuclei magnetici a bassa perdita ad alta frequenza Co 69 Fe 4 Ni 1 Mo 2 B 12 Si Sensori magnetici, testine di registrazione Co 66 Fe 4 Ni 1 B 14 Si Sensori magnetici, testine di registrazione Fe 40 Ni 38 Mo 4 B Sensori magnetici, testine di registrazione Fonte: Metglas Magnetic Alloys, Allied Metglas Products. 1 Forno: il materiale base viene fuso Manipolatore: posiziona l ugello spruzzatore per variare lo spessore del nastro di vetro metallico amorfo 2 Vetro metallico pronto per essere introdotto nel sistema di solidificazione 3 Sistema di solidificazione: il vetro metallico fuso sotto pressione viene spruzzato dall ugello 6 4 Cinghia di rame in rotazione ad alta velocità: il vetro metallico fuso spruzzato sulla cinghia di rame raffreddata forma il nastro di vetro metallico amorfo (a) 5 Scatola di raffreddamento: mantiene la temperatura della cinghia prossima a quella ambiente Tesla Metallo amorfo Oersted Acciaio al silicio 0.8 (M-4) (b) (c) Figura A2.3 (a) Rappresentazione schematica del processo di solidificazione rapida per la produzione di un nastro di vetro metallico. (Da New York Times, Jan. 11, 1989, p.d7.) (b) Domini magnetici indotti in un vetro metallico. (Da V. Lakshmanan e J. C. M. Li, Mater. Sci. Eng., 1988, p.483.) (c) Confronto delle curve di isteresi di un vetro metallico ferromagnetico e di una lastra ferromagnetica di Fe-Si M-4. (Electric World, September 1985.) 1.6

5 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 5 I vetri metallici sono prodotti mediante un processo di rapida solidificazione nel quale il vetro metallico fuso viene raffreddato molto rapidamente (circa 10 6 C/s) nella forma di un film sottile su un nastro girevole ricoperto di rame (Figura A2.3a). Questo processo produce un nastro continuo di vetro metallico di spessore circa cm e larghezza 15 cm. I vetri metallici hanno alcune proprietà notevoli. Sono molto resistenti (fino a 4500 MPa), molto duri, con una certa flessibilità e molto resistenti alla corrosione. I vetri metallici elencati in Tabella A2.2 sono magneticamente molto dolci, come indicato dalle loro massime permeabilità, e quindi possono essere magnetizzati e smagnetizzati molto facilmente. I bordi di dominio in questi materiali sono in grado di muoversi con estrema facilità, principalmente perché non ci sono bordi di grano e non c è una anisotropia macroscopica nel cristallo. La Figura A2.3b mostra alcuni domini magnetici in un vetro metallico, prodotti piegando il nastro di vetro metallico. Magneticamente i vetri metallici hanno cicli di isteresi molto stretti, come indicato in Figura A2.3c e quindi hanno perdite di energia di isteresi molto basse. Questa proprietà ha permesso lo sviluppo di nuclei di trasformatori di potenza con vetri metallici multistrato che hanno il 70% in meno di perdite nel nucleo rispetto ai convenzionali nuclei di Fe-Si (Figura 17.1, sul volume). Si stanno effettuando diverse ricerche e lavori per lo sviluppo dell applicazione dei vetri metallici a trasformatori di potenza a basse perdite. A2.1.5 Leghe nichel-ferro Le permeabilità magnetiche del ferro di purezza commerciale e delle leghe Fe-Si sono relativamente basse per bassi campi applicati. Tuttavia una bassa permeabilità iniziale non è importante per applicazioni di potenza come i nuclei dei trasformatori, in quanto tali apparecchiature operano a magnetizzazioni elevate. Tuttavia, per apparecchiature di comunicazione ad elevata sensibilità utilizzate per trasmettere o ricevere piccoli segnali, vengono comunemente usate le leghe Ni-Fe che possiedono permeabilità molto più elevate a campi bassi. In generale vengono commercializzate due vaste classi di leghe Ni-Fe, una con il 50% circa e l altra con il 79% di nichel. Le proprietà magnetiche di alcune di queste leghe sono elencate in Tabella A2.1. La lega 50% Ni è caratterizzata da una modesta permeabilità (µ i = 2500; µ max = ) e da una elevata induzione di saturazione [B s = 1.6 T ( G)]. La lega con 79% Ni ha una elevata permeabilità (µ i = ; µ max = ), ma una modesta induzione di saturazione [B s = 0.8 T (8000 G)]. Queste leghe sono utilizzate per trasformatori audio o di misura, per strumenti a relè e per lamine di rotori e di statori. Nuclei a nastro avvolto, come la sezione mostrata in Figura A2.4, sono usati comunemente nei trasformatori elettronici. Cuscinetto inerte (composto siliconico per alta temperatura) Materiale magnetico (lega ad alta permeabilità) (a) (b) Figura A2.4 Nuclei magnetici a nastro avvolto. (a) Nucleo sigillato. (b) Sezione trasversale di un nucleo a nastro avvolto con protezione fenolica. Si noti che c è un cuscino di gomma siliconica tra il nastro di lega magnetica e il contenitore di protezione fenolica. Le proprietà magnetiche delle leghe ricotte Ni-Fe ad elevata percentuale di Ni per nastri avvolti sono sensibili al danneggiamento per deformazione. (Per gentile concessione della Magnetics, una divisione di Spang & Company.)

6 6 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Figura A2.5 Effetto della ricottura in campo magnetico sulla curva di isteresi di una lega 65% Ni-35% Fe. (a) 65 Permalloy ricotta in un campo magnetico. (b) 65 Permalloy ricotta senza campo magnetico. (Da K. M. Bozorth, Ferromagnetism, Van Nostrand, 1951, p.121.) Induzione B, G (a) (b) Forza del campo H, Oe Le leghe Ni-Fe hanno permeabilità magnetiche così elevate in quanto la loro anisotropia magnetica e le loro energie magnetostrittive sono basse nelle composizioni utilizzate. La massima permeabilità iniziale nel sistema Ni-Fe avviene per la composizione 78.5% Ni-21.5% Fe, ma per evitare la formazione di una struttura ordinata, è necessario un rapido raffreddamento sotto i 600 C. La struttura ordinata di equilibrio nel sistema Ni-Fe ha una cella elementare CFC con gli atomi di Ni sulle facce e gli atomi di Fe negli angoli. L aggiunta di circa il 5% di Mo ad una lega con il 78.5% di Ni (resto Fe) evita inoltre la reazione di ordinamento, cosicché, per evitare tale ordinamento, è sufficiente un lento raffreddamento da temperature superiori ai 600 C. La permeabilità iniziale delle leghe Ni-Fe contenenti una percentuale di Ni tra 56 e 58% può essere aumentata di tre o quattro volte con una seconda ricottura in presenza di un campo magnetico dopo la ricottura tradizionale ad alta temperatura. La ricottura con il campo magnetico provoca un ordinamento direzionale degli atomi del reticolo Ni-Fe e perciò aumenta la permeabilità iniziale di queste leghe. La Figura A2.5 mostra l effetto della ricottura in campo magnetico sulla curva di isteresi della lega 65% Ni-35% Fe. A2.2 Materiali magnetici duri A2.2.1 Proprietà dei materiali magnetici duri I materiali magnetici duri, o permanenti, sono caratterizzati da una elevata forza coercitiva H c e da una elevata induzione magnetica residua B r, come indicato schematicamente dalla Figura A2.1b. Quindi le curve di isteresi dei materiali magnetici sono larghe ed alte. Questi materiali vengono magnetizzati in un campo magnetico sufficientemente elevato da orientare i loro domini magnetici nella direzione del campo applicato. Una parte dell energia applicata è convertita in energia potenziale che viene immagazzinata nel campo magnetico permanente prodotto. Un magnete permanente in condizioni di piena magnetizzazione è in uno stato energetico relativamente elevato rispetto ad un magnete smagnetizzato. I materiali magnetici duri sono difficili da smagnetizzare una volta che sono stati magnetizzati. La curva di smagnetizzazione di un materiale magnetico duro, che si trova nel secondo quadrante del ciclo di isteresi, può essere utilizzata per confrontare le forze dei magneti permanenti. La Figura A2.6 confronta le curve di smagnetizzazione di diversi materiali magnetici.

7 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl B, T B B r H, ka/m Figura A2.6 Curve di smagnetizzazione di diversi materiali magnetici duri. 1: Sm(Co,Cu) 7,4 ; 2: SmCo 5 ; 3: SmCo 5 legato; 4: alnico 5; 5: Mn-Al-C; 6: alnico 8; 7: Cr-Co-Fe; 8: ferrite; 9: ferrite legata. (Da G. Y. Chin e J. H. Wernick, Magnetic Materials, Bulk, vol. 14: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3d ed., Wiley, 1981, p.673.) H Hc 0 (BH) max Figura A2.7 Diagramma schematico dell andamento del prodotto energetico (B vs BH) di un materiale magnetico duro, come una lega alnico (linea tratteggiata alla destra dell asse B). La massima energia prodotta (BH) max è indicata dall intersezione della linea tratteggiata verticale con l asse BH. BH La potenza, o energia esterna, di un materiale magnetico permanente (duro) è in relazione diretta alla dimensione della sua curva di isteresi. L energia potenziale magnetica di un materiale magnetico duro è misurata dal suo prodotto energetico massimo (BH) max, che è il valore massimo del prodotto di B (induzione magnetica) per H (campo di smagnetizzazione) determinato dalla curva di smagnetizzazione del materiale. La Figura A2.7 mostra la curva di energia esterna (BH) di un ipotetico materiale magnetico duro e il suo prodotto energetico massimo, (BH) max. Il prodotto energetico massimo di un materiale magnetico duro è l area occupata dal più grande rettangolo che può essere inscritto nel secondo quadrante della curva di isteresi del materiale. Le unità del sistema SI del prodotto di energia BH sono kj/m 3 e, nel sistema cgs, G Oe. Le unità nel sistema SI del prodotto di energia (BH) max espresso in joule su metri cubi sono equivalenti al prodotto di B espresso in tesla per H espresso in ampere su metro (Tabella A2.3) come mostrato sotto: = B T Wb 1 Vs A J J H BH m 2 T Wb m V A s m 3 Valutare il prodotto energetico massimo (BH) max per la lega Sm (Co, Cu) 7,4 di Figura A2.6. ESERCIZIO A2.1 Soluzione Bisogna determinare l area del più grande rettangolo che può essere collocato all interno

8 8 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl del secondo quadrante della curva di smagnetizzazione della lega mostrata in Figura A2.6. Sotto sono mostrate quattro aree di prova: Prova 1 (0.8 T 250 ka/m) = 200 kj/m3 Prova 2 (0.6 T 380 ka/m) = 228 kj/m3 Prova 3 (0.55 T 420 ka/m) = 231 kj/m3 Prova 4 (0.50 T 440 ka/m) = 220 kj/m3 (vedere Figura EA2.1) Il valore più alto è di circa 231 kj/m 3, che è confrontabile con il valore di 240 kj/m 3 riportato in Tabella A B (T) H (ka/m) (BH) max (0.8 T 250 ka/m) 200 kj/m 3 Figura EA2.1 Prova 1. Tabella A2.3 Alcune proprietà magnetiche di materiali magnetici duri Massimo prodotto Induzione Forza energetico residua coercitiva (BH) max, Materiale e composizione B r, T H c, ka/m kj/m 3 Alnico 1, 12 Al, 21 Ni, 5 Co, 2 Cu, resto Fe Alnico 5, 8 Al, 14 Ni, 25 Co, 3 Cu, resto Fe Alnico 8, 7 Al, 15 Ni, 24 Co, 3 Cu, resto Fe Terra rara Co, 35 Sm, 65 Co Terra rara Co, 25.5 Sm, 8 Cu, 15 Fe, 1.5 Zr, 50 Co Fe-Cr-Co, 30 Cr, 10 Co, 1 Si, 59 Fe (ferrite dura) Fonte: G. Y. Chin e J. H. Wernick, Magnetic Materials Bulk, vol. 14: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd ed., Wiley, 1981, p A2.2.2 Leghe alnico Proprietà e composizioni Le leghe alnico (alluminio-nichel-cobalto) sono i materiali magnetici duri commercialmente più importanti oggi utilizzati e rappresentano più del 35% del mercato dei magneti duri negli Stati Uniti. Queste leghe sono caratterizzate da un elevato prodotto energetico [(BH) max = kj/m 3 (5 9 MG Oe)], una elevata induzione residua [B r = 0,7-1,35 T (7-13,5 kg)] e una moderata forza coercitiva [H c = ka/m ( Oe)]. La Tabella A2.3 elenca alcune proprietà magnetiche di diverse leghe alnico e di altre leghe magnetiche permanenti. La famiglia delle leghe alnico è a base di ferro con aggiunte di Al, Ni e Co più il 3% circa di Cu. Viene aggiunto alle leghe ad elevata forza coercitiva, le alnico dal numero 6 al numero 9, un piccolo tenore di Ti. La Figura A2.8 mostra un diagramma a barre della composizione di alcune leghe alnico. Le leghe alnico che vanno dal numero 1 al 4 sono isotrope, mentre le alnico dal 5 al 9 sono anisotrope essendo trattate termicamente in presenza di un campo magnetico quando si formano i precipitati. Le

9 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 9 Percentuale in peso Ni Al Fe Lega Mishima Co Ti Cu Co Co Ni Cu Cu Al Ni Ni Al Al Fe Fe Fe Alnico Ti Co Ni Al Fe 8 Cu Co Ni Al Fe 9 Ti Cu Figura A2.8 Sviluppo della composizione chimica delle leghe alnico. La lega originale fu scoperta da Mishima in Giappone nel (Da B. D. Cullity, Introduction to Magnetic Materials, Addison-Wesley, 1972, p.566.) leghe alnico sono fragili e perciò sono prodotte per fusione o con processi di metallurgia delle polveri. Le polveri alnico sono principalmente utilizzate per produrre grandi quantità di piccoli articoli di forma complessa. Struttura Sopra la temperatura del trattamento termico di solubilizzazione a circa 1250 C, le leghe alnico sono monofasiche con struttura cristallina CCC. Durante il raffreddamento a circa C, queste leghe si decompongono in due altre fasi CCC, fase α e fase α. La matrice della fase α è ricca di Ni e Al ed è debolmente magnetica. Il precipitato α è ricco in Fe e Co e maggiormente magnetizzabile della fase α ricca di Ni-Al. La fase α tende ad assumere una struttura a barrette allineate nella direzione 100 con diametro di 10 nm e lunghezza di 100 nm circa. Se il trattamento termico a 800 C è condotto in un campo magnetico, il precipitato α origina delle particelle fini e allungate nella direzione del campo magnetico (Figura A2.9) in una matrice di fase α (ricottura magnetica). L elevata coercitività delle leghe alnico viene attribuita alla difficoltà di rotazione delle particelle a singolo dominio della fase α conseguente alla struttura anisotropa. Maggiore è il rapporto di forma (lunghezza rispetto a larghezza) delle barrette e più liscia è la loro superficie, più risulterà elevata la coercitività della lega. Quindi, la formazione del precipitato in presenza di un campo magnetico rende il precipitato più lungo e più sottile e quindi aumenta la coercitività del materiale magnetico alnico. Si pensa che l aggiunta di titanio ad alcune leghe alnico a più elevata resistenza aumenti la loro coercitività aumentando il rapporto di forma delle barre α. H (direzione del campo applicato) Figura A2.9 Micrografia elettronica per replica della struttura di una lega alnico 8 (Al-Ni- Co-Fe-Ti) dopo trattamento termico a 800 C per 9 minuti in un campo magnetico. La fase α (ricca di Ni-Al) è chiara e la fase α (ricca di Fe-Co) è scura. La fase α, allungata in direzione del campo applicato, è fortemente ferromagnetica e origina anisotropia nella forza coercitiva. (Per gentile concessione di K. J. devos, 1966.)

10 10 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl A2.2.3 Leghe di terre rare Negli Stati Uniti le leghe magnetiche di terre rare vengono prodotte su larga scala. Esse hanno forze magnetiche più elevate di ogni altro materiale magnetico commerciale. Esse possiedono un prodotto energetico massimo (BH) max fino a 240 kj/m 3 (30 MG Oe) e coercitività fino a 3200 ka/m (40 koe). L origine del magnetismo negli elementi di transizione delle terre rare è dovuto quasi esclusivamente ai loro elettroni spaiati 4f analogamente al magnetismo di Fe, Co e Ni che è dovuto ai loro elettroni 3d spaiati. Ci sono due principali categorie di materiali magnetici commerciali a base di terre rare: una basata sul SmCo 5 a fase singola e l altra basata su leghe indurite per precipitazione di composizione approssimata Sm (Co, Cu) 7,5. I magneti SmCo 5 a fase singola sono i più utilizzati. Il meccanismo di coercitività in questi materiali è basato sulla nucleazione e/o sul blocco dei bordi di dominio sulla superficie e ai bordi di grano. Questi materiali sono prodotti mediante tecniche di metallurgia delle polveri utilizzando particelle fini (1-10 µm). Durante la pressatura le particelle vengono allineate in un campo magnetico. I prodotti pressati vengono poi sinterizzati accuratamente per prevenire la crescita delle particelle. La resistenza magnetica di questi materiali è alta, con valori di (BH) max nell intervallo tra 130 e 160 kj/m 3 (16-20 MG Oe). Nella lega Sm (Co, Cu) 7,5 indurita per precipitazione, parte del Co è sostituito dal Cu nella fase SmCo 5 cosicché con una bassa temperatura di invecchiamento ( C) si produce un precipitato fine (circa 10 nm). Il precipitato formato è coerente con la struttura di SmCo 5. Il meccanismo di coerenza è basato principalmente sul blocco omogeneo dei bordi di dominio sulle particelle precipitate. Questi materiali sono anche prodotti commercialmente mediante processi di metallurgia delle polveri sfruttando l allineamento magnetico delle particelle. L aggiunta di piccole particelle di ferro e di zirconio accelera lo sviluppo di coercitività maggiori. Valori tipici per una lega commerciale Sm (Co 0,68 Cu 0,10 Fe 0,21 Zr 0,01 ) 7,4 sono (BH) max = 240 kj/m 3 (30 MG Oe) e B r = 1.1 T (11000 G). Le Figure A2.6 e A2.10 mostrano l eccellente miglioramento della resistenza magnetica raggiunto con leghe magnetiche di terre rare. 50 Massimo prodotto energetico statico (BH) max Nd Fe B Sm Co, Fe, TM 2 17 MG Oe 200 kj/m 3 20 Figura A2.10 Progresso nella qualità dei magneti permanenti nel ventesimo secolo misurato dall energia massima prodotta (BH) max. (Da K. J. Strnat, Soft and Hard Magnetic Materials with Applications, ASM Inter., 1986, p.64.) 10 Ferriti e ESD Leghe alnico Acciai R Co Anno 100

11 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 11 Nucleazione di un dominio magnetico Una sottile fase non ferromagnetica intergranulare ricca in Nd contorna la matrice Grano di matrice Nd 2 Fe 14 B molto ferromagnetica Momento magnetico del grano in questa direzione (a) Figura A2.11 (a) Micrografia a trasmissione elettronica in campo chiaro di un nastro di Nd-Fe-B temprato in condizioni ottimali che mostra i grani orientati casualmente e circondati da una fase intergranulare sottile evidenziata dalla freccia. (Da J. J. Croat e J. F. Herbst, MRS Bull., June 1988, p.37.) (b) Singolo grano di Nd 2 Fe 14 B che mostra le nucleazioni di un dominio magnetico inverso. (b) I magneti Sm-Co sono utilizzati in dispositivi medici come motori sottili in pompe e valvole impiantabili e nell aiuto al movimento della palpebra. I magneti di terre rare vengono utilizzati anche per orologi da polso elettronici e per tubi a onde progressive. Motori e generatori a corrente continua e sincroni sono prodotti con magneti di terre rare, che consentono una riduzione delle dimensioni. A2.2.4 Leghe magnetiche neodimio-ferro-boro I materiali magnetici duri Nd-Fe-B con (BH) max fino a circa 300 kj/m 3 (45 MG Oe) sono stati scoperti nel 1984 e oggi questi materiali sono prodotti mediante la metallurgia delle polveri e mediante processi di solidificazione rapida su nastro (melt spun ribbon process). La Figura A2.11a mostra la microstruttura di un nastro di Nd 2 Fe 14 B solidificato rapidamente. In questa struttura i grani della matrice Nd 2 Fe 14 B fortemente ferromagnetica sono circondati da una sottile fase intergranulare ricca di Nd non ferromagnetica. L alta coercitività e l elevato prodotto di energia (BH) max di questo materiale derivano dalla difficoltà di nucleare domini magnetici inversi, che di solito nucleano ai bordi dei grani della matrice (Figura A2.11b). La fase intergranulare fine ricca di Nd non ferromagnetico costringe i grani della matrice di Nd 2 Fe 14 B a nucleare i loro domini in senso inverso per invertire la magnetizzazione del materiale. Questo processo massimizza H c e (BH) max per l intera massa inerte del materiale. Le applicazioni per i magneti permanenti delle leghe Nd-Fe-B includono tutti i tipi di motori elettrici, specialmente i motori di avviamento degli autoveicoli nei quali la riduzione di peso e la compattezza sono particolarmente importanti. A2.2.5 Leghe magnetiche ferro-cromo-cobalto Una famiglia delle leghe magnetiche Fe-Cr-Co è stata sviluppata nel Queste leghe sono analoghe alle leghe alnico nella struttura metallurgica e nelle proprietà magnetiche permanenti, ma sono lavorabili a freddo a temperatura ambiente. Una composizione tipica di una lega di questo tipo è 61% Fe-28 %Cr-11% Co. Le proprietà magnetiche tipiche delle leghe Fe-Cr-Co sono B r = T (10 12 kg), H c = A/cm ( Oe) e (BH) max = kj/m 3 ( MG Oe). La Tabella A2.5 elenca alcune proprietà caratteristiche della lega magnetica Fe-Cr-Co. Le leghe Fe-Cr-Co hanno struttura CCC ad elevate temperature, superiori a 1200 C. Dopo un lento raffreddamento (circa 15 C/h) da sopra 650 C, si formano pre-

12 12 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 2000 Å 2000 Å (a) (b) Figura A2.12 Micrografie a trasmissione elettronica di una lega Fe-34% Cr-12% Co che mostrano (a) precipitati sferici prodotti prima della deformazione e (b) particelle allungate e allineate dopo la deformazione e l allineamento mediante trattamento termico finale. [Da S. Jin et al., J. Appl. Phys., 53:4300 (1982).] Allungato e allineato Figura A2.13 Coercitività in funzione del diametro delle particelle di diversa forma in una lega Fe-34% Cr-12% Co. Si noti il forte aumento di coercitività mediante cambiamento da una forma sferica ad una allungata. [Da S. Jin et al., J. Appl. Phys., 53:4300 (1982).] H c, Oe Allungato e casuale Sferica Diametro della particella, Å 500 cipitati di una fase α 2 ricca di Cr (Fig. A2.12a), con particelle di circa 30 nm (300 Å) in una matrice di fase α 1, ricca di Fe. Il meccanismo di coercività nelle leghe Fe-Cr- Co è il fissaggio dei bordi di dominio con particelle di precipitato poiché i domini magnetici si estendono nelle due fasi. La forma delle particelle (Figura A2.12b) è importante dal momento che l allungamento delle particelle per deformazioni prima del trattamento di invecchiamento finale aumenta molto la coercività di queste leghe, come indicato chiaramente in Figura A2.13. Le leghe Fe-Cr-Co sono particolarmente importanti per applicazioni tecnologiche nelle quali la loro duttilità a freddo permette la lavorazione ad alta velocità a temperatura ambiente. Il magnete permanente per molti ricevitori dei moderni telefoni è un esempio di questa lega magnetica permanente deformabile a freddo (Figura A2.14). Magnete permanente Figura A2.14 Utilizzo di una lega permanente duttile Fe-Cr- Co in un ricevitore telefonico. Vista della sezione trasversale del ricevitore telefonico che indica la posizione del magnete permanente. [Da S. Jin et al., IEEE Trans. Magn., 17:2935 (1981).] S N Diaframma Armatura Espansione polare Spirale N S Supporto non magnetico

13 A2.3 Ferriti William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 13 Le ferriti sono materiali ceramici magnetici prodotti mescolando ossido di ferro (Fe 2 O 3 ) con altri ossidi e carbonati in polvere. Le polveri sono poi pressate e sinterizzate ad alta temperatura. Qualche volta sono necessarie lavorazioni meccaniche di finitura per produrre la forma desiderata. La magnetizzazione prodotta nelle ferriti è abbastanza alta da assumere valore commerciale, ma la loro saturazione magnetica non è elevata come quella dei materiali ferromagnetici. Le ferriti hanno la struttura dei domini e i cicli di isteresi simili a quelli dei materiali ferromagnetici. Come nel caso dei materiali ferromagnetici, ci sono ferriti dolci e ferriti dure. A2.3.1 Ferriti magneticamente dolci I materiali delle ferriti dolci mostrano un comportamento ferrimagnetico. Nelle ferriti dolci c è un momento magnetico netto dovuto a due serie di momenti di spin degli elettroni più interni spaiati di direzione opposta che non si annullano (Figura l7.8c, nel volume). Composizione e struttura delle ferriti dolci cubiche La maggior parte delle ferriti dolci cubiche hanno una composizione MO Fe 2 O 3, dove M è uno ione metallico bivalente come Fe 2+, Mn 2+, Ni 2+ o Zn 2+. La struttura delle ferriti dolci è basata sulla struttura a spinello inversa che è una modifica della struttura a spinello del minerale (MgO Al 2 O 3 ). Sia la struttura a spinello che quella inversa hanno celle unitarie cubiche formate da otto sottocelle, come mostrato in Figura A2.15a. Ognuna di queste sottocelle è formata da una molecola di MO Fe 2 O 3. Dal momento che ogni sottounità contiene una molecola di MO Fe 2 O 3 e che ci sono sette ioni in questa molecola, ogni cella unitaria contiene un totale di 7 ioni 8 sottocelle = 56 ioni per cella unitaria. Ogni cella della sottounità ha una struttura cristallina di tipo CFC composta da quattro ioni della molecola MO Fe 2 O 3 (Figura A2.15b). Gli ioni metallici più piccoli (M 2+ e Fe 3+ ) che hanno raggio ionico di circa 0,07-0,08 nm occupano spazi interstiziali tra gli ioni ossigeno più grandi (raggio ionico 0,14 nm). Come precedentemente detto, in una cella unitaria di tipo CFC vi è l equivalente di quattro siti interstiziali ottaedrici e otto tetraedrici. Nella normale struttura dello spinello solo la metà dei siti ottaedrici sono occupati e quindi sono occupati solo 1/2 (8 sottocelle 4 siti/sottocella) = 16 siti ottaedrici (Tabella A2.4). Nella normale struttura dello spinello ci sono 8 8 (siti tetraedrici per sottocella) = 64 siti/cella unitaria. Comunque, nella normale struttura dello spinello sono occupati solo un ottavo dei 64 siti cosicché solo otto dei siti tetraedrici sono occupati (Tabella A2.4). (a) a Fe 2 (4 magnetoni di Bohr) Siti ottaedrici Fe 3 (5 magnetoni di Bohr) O 2 nei siti CFC Fe 3 (5 magnetoni di Bohr) Sito tetraedrico (b) Figura A2.15 (a) Cella unitaria di ferrite dolce di tipo MO Fe 2 O 3. Questa cella unitaria è formata da otto sottocelle. (b) Sottocella per la ferrite FeO Fe 2 O 3. I momenti magnetici degli ioni nei siti ottaedrici sono allineati in una direzione dal campo magnetico applicato, mentre quelli nei siti tetraedrici sono allineati in direzione opposta. Come risultato, c è un momento magnetico risultante per la sottocella e quindi per il materiale.

14 14 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Table A2.4 Disposizione degli ioni metallici in una cella unitaria di una ferrite a spinello con composizione MO Fe 2 O 3 Tipo di sito Numero Numero Spinello Spinello interstiziale possibile occupato normale inverso Tetraedrico M 2+ 8Fe 3+ Ottaedrico Fe 3+ 8Fe 3+, 8M 2+ Nella cella unitaria della normale struttura dello spinello ci sono otto molecole di MO Fe 2 O 3. In questa struttura gli 8 ioni M 2+ occupano 8 siti tetraedrici e i 16 ioni Fe 3+ occupano 16 siti ottaedrici. Nella struttura inversa dello spinello c è una disposizione diversa degli ioni: gli 8 ioni M 2+ occupano 8 siti ottaedrici e i 16 ioni Fe 3+ sono divisi cosicché 8 occupano siti ottaedrici e 8 occupano siti tetraedrici (Tabella A2.4). Momenti magnetici netti nelle ferriti con struttura a spinello inversa Per determinare il momento magnetico risultante in ogni molecola di ferrite MO Fe 2 O 3, dobbiamo conoscere la configurazione degli elettroni 3d più interni degli ioni di ferrite. La Figura A2.16 fornisce questa informazione. Quando l atomo Fe è ionizzato per formare lo ione Fe 2+, rimangono quattro elettroni spaiati 3d dopo la perdita di due elettroni 4s. Quando l atomo Fe è ionizzato per formare lo ione Fe 3+, restano cinque elettroni spaiati dopo la perdita di due elettroni 4s e di un elettrone 3d. Poiché ogni elettrone spaiato 3d ha un momento magnetico di 1 magnetone di Bohr, lo ione Fe 2+ ha un momento di 4 magnetoni di Bohr e lo ioni Fe 3+ un momento di 5 magnetoni di Bohr. In un campo magnetico applicato, i momenti magnetici degli ioni ottaedrici e tetraedrici sono in contrapposizione (Figura A2.15b). Quindi, nel caso della ferrite FeO Fe 2 O 3, i momenti magnetici degli otto ioni Fe 3+ nei siti ottaedrici cancelleranno i momenti magnetici degli otto ioni Fe 3+ nei siti tetraedrici. Il momento magnetico risultante di questa ferrite sarà dovuta agli otto ioni Fe 2+ negli otto siti ottaedrici, che hanno momenti di 4 magnetoni di Bohr ciascuno (Tabella A2.5). Un valore teorico per la saturazione magnetica della ferrite FeO Fe 2 O 3 è calcolato nell Esercizio A2.2, basandosi sulla resistenza meccanica del magnetone di Bohr degli ioni Fe 2+. Ione Numero di elettroni Configurazione elettronica degli orbitali 3d Momento magnetico ionico (magnetoni di Bohr) Fe Mn Fe Co Figura A2.16 Configurazioni elettroniche e momenti magnetici ionici per ioni di elementi di transizione 3d. Ni 2 Cu 2 Zn ESERCIZIO A2.2 Calcolare la magnetizzazione di saturazione teorica M in ampere per metro e l induzione di saturazione B s in tesla per la ferrite FeO Fe 2 O 3. Trascurare il termine µ 0 H per il calcolo di B s. La costante reticolare della cella unitaria di FeO Fe 2 O 3 è 0,839 nm.

15 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 15 Soluzione Il momento magnetico per una molecola di FeO Fe 2 O 3 è dovuto interamente ai 4 magnetoni di Bohr dello ione Fe 2+ poiché gli elettroni spaiati degli ioni Fe 3+ si elidono a vicenda. Poiché ci sono otto molecole di FeO Fe 2 O 3 nella cella unitaria, il momento magnetico totale per cella unitaria è: (4 magnetoni di Bohr/sottocella) (8 sottocelle/cella elementare) = 32 magnetoni di Bohr/cella elementare Quindi: = atomi N dei magnetoni di Bohr A m2 B Ms m3 atomo magnetone di Bohr = A / m B s alla saturazione, assumendo che tutti i momenti magnetici siano allineati e trascurando il termine H, è dato dall equazione B s µ 0 M. Quindi: T m A Bs 0Ms A m 3.96 T =0.63 T Tabella A2.5 Disposizione degli ioni e momenti magnetici netti per molecola nelle ferriti con struttura a spinello normale e inversa Siti tetraedrici Siti ottaedrici Momento magnetico Ferrite Struttura occupati occupati netto ( µ s /molecola) FeO Fe 2 O 3 Spinello inverso Fe 3+ Fe 2+ Fe ZnO Fe 2 O 3 Spinello normale Zn 2+ Fe 3+ Fe Le ferriti di ferro, cobalto e nichel hanno tutte struttura a spinello inversa e sono tutte ferrimagnetiche a causa del momento magnetico risultante della loro struttura ionica. Le ferriti dolci industriali sono di solito formate da una miscela di ferriti poiché così si aumenta la magnetizzazione di saturazione. Le due ferriti più comunemente utilizzate sono la ferrite Ni-Zn (Ni 1-x Zn x Fe 2-y O 4 ) e la ferrite Mn-Zn (Mn 1-x Zn x Fe 2+y O 4 ). Proprietà ed applicazioni delle ferriti dolci (temporanee) Perdite per correnti parassite nei materiali magnetici Le ferriti dolci sono importanti materiali magnetici perché, oltre a possedere utili proprietà magnetiche, sono isolanti ed hanno alte resistività elettriche. Un alta resistività elettrica è importante nelle applicazioni magnetiche che richiedono alte frequenze poiché, se il materiale magnetico è conduttivo, le perdite di energia di correnti parassite potrebbero essere grandi ad alte frequenze. Le correnti parassite sono causate da gradienti di tensione indotti e così più alta è la frequenza, maggiore è l aumento delle correnti parassite. Poiché le ferriti dolci sono isolanti, possono essere usate per applicazioni magnetiche come i nuclei dei trasformatori che operano ad alte frequenze. Applicazioni delle ferriti dolci Le ferriti dolci trovano principale impiego nella realizzazione di nuclei di memoria, testine di registrazione, applicazioni audiovisive, trasformatori e induttori a bassa energia. Impiego in grande quantità avviene per nuclei di bobine di deflessione magnetica, trasformatori di ritorno e bobine di convergenza per i ricevitori televisivi.

16 16 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Le ferriti a spinello Mn-Zn e Ni-Zn sono utilizzate nelle testine magnetiche di registrazione in diversi tipi di registratori magnetici. Le testine di registrazione sono prodotte con ferrite policristallina Ni-Zn dal momento che le frequenze di funzionamento richieste (100 khz 2.5 GHz) sono troppo alte per le testine in lega metallica a causa delle alte perdite di correnti parassite. Memorie a nucleo magnetico basate sulla logica binaria 0/1 vengono usate in molti tipi di computer. Il nucleo magnetico è utile dove la perdita di potenza non deve provocare perdita di informazioni. Poiché le memorie a nucleo magnetico non hanno parti in movimento, sono utilizzate quando è necessaria un alta resistenza ai colpi, come in alcune applicazioni militari. A2.3.2 Ferriti magneticamente dure Un gruppo di ferriti dure che sono usate per magneti permanenti hanno la formula generale MO 6Fe 2 O 3 ed hanno una struttura cristallina esagonale. La ferrite più importante di questo gruppo è la ferrite di bario (BaO 6Fe 2 O 3 ), che è stata introdotta in Olanda dalla Philips Company nel 1952 con il nome ferroxdure. Negli anni recenti le ferriti di bario sono state in parte sostituite dalle ferriti di stronzio, che hanno la formula generale (SrO 6Fe 2 O 3 ) e che hanno proprietà magnetiche superiori rispetto a quelle di bario. Queste ferriti sono prodotte quasi con lo stesso metodo utilizzato per le ferriti dolci, con pressatura a umido in un campo magnetico per allineare gli assi di facile magnetizzazione delle particelle al campo applicato. Le ferriti esagonali hanno un costo minore, minore densità, ed hanno un alta forza coercitiva, come mostrato in Figura A2.6. L alta resistenza magnetica di questi materiali è dovuta principalmente alla loro alta anisotropia magnetocristallina. Si ritiene che la magnetizzazione di questi materiali avvenga per la nucleazione e il movimento dei bordi di dominio in quanto la dimensione dei loro grani è troppo elevata per giustificare un singolo dominio. Il prodotto di energia (BH) max varia da 14 a 28 kj/m 3. Questi magneti permanenti ceramici di ferrite dura trovano ampio utilizzo nei generatori, nei relè e nei motori. Le applicazioni elettroniche includono magneti per altoparlanti, suonerie telefoniche e ricevitori. Sono anche utilizzati per dispositivi di bloccaggio per chiusure di porte, guarnizioni e serrature e in molti modelli di giocattoli.