a) Pirinç bağlı mıknatıs taşı, b) 300oksit ve c) NdFeB mıknatıs (Her biri aynı manyetik enerjiyi depolar)

Transkript

1 İÇERİK Genel Bilgiler Manyetiklik Türleri Eksi Duyarlı Mıknatıslık (Diyamanyetizm) Artı Duyarlı Mıknatıslık (Paramanyetizm) Asal Mıknatıslık (Ferromanyetizma) Karşı Kutuplu Mıknatıslık Artık Kutuplu Mıknatıslık (Ferrit Mıknatıslanması) Sıcaklığın Asal Mıknatıslanmaya Etkisi Asal Mıknatıs Mıknatısçıkları Domenler Mıknatıs Türleri Demir-Silisyum Alaşımları Metalik Camlar Fe-Cu Alaşımları Cu-Ni-Fe Alaşımları Ferrit Mıkmatıslar Neodimyum Demir Bor Mıknatıs Alaşımları KAYNAKÇA

2 GENEL BİLGİLER 1600: Dr. William Gilbert manyetizma üzerinde ilk sistematik deneylerini De Magnete adlı eserinde yayınladı. 1819: Oerstead kaza eseri, akım taşıyan telin pusulanın iğnesini saptırdığını keşfederek manyetizma ve elektrik arasında bağlantı kurdu. 1825: Sturgeon elektromıknatısı keşfetti. 1880: Warburg demir için ilk histerezis döngüyü üretti. 1895: Curie yasası öngörüldü. 1905: Langevin, paramanyetizma ve diamanyetizma teorilerini ilk kez açıkladı. 1906: Weiss ferromanyetik teoriyi öngördü. 1920: Elektron spini ve karşılıklı etkileşim teorilerini içeren manyetizma fiziği geliştirildi (kuantum mekaniğin başlangıcı). a) Pirinç bağlı mıknatıs taşı, b) 300oksit ve c) NdFeB mıknatıs (Her biri aynı manyetik enerjiyi depolar)

3 Kalıcı manyetik maddelerin gelişimi adım adım oldu. Her madde yenisi ile yer değiştirmeden önce geliştirildi ve iyileştirildi. 20. yüzyıl boyunca kalıcı manyetik maddelerin gelişimi Yandaki şekilde görülmektedir. Bu şekilde, yatay eksen yılları verirken düşey eksenler mıknatısların ürettiği maksimum enerjiyi göstermektedir. GENEL BİLGİLER 20. yüzyılda kalıcı mıknatısların gelişimi

4 Dünya nın Manyetik Alanı Dünya nın Manyetik Alanı Dünyanın manyetik alanı dünyanın dönme ekseni ile 11 o lik bir açı yapar. Ancak demirin Curie sıcaklığı yaklaşık 770 o C dir. Dünyanın çekirdeği bu sıcaklıktan daha yüksektir ve bu yüzden demir manyetik değildir. Bu durumda dünyanın manyetik alanının kaynağı nedir? Manyetik alan elektrik akımını çevreler, böylece dünyanın erimiş metalik çekirdeğinde dolanan elektrik akımının manyetik alanın kökeni olduğu tahmin edilmektedir. Dünyanın yüzeyinde ölçülen manyetik alanın büyüklüğü ekvator yakınında yaklaşık 30µT ve kutuplarda yaklaşık 60µT dır. Diğer deyişle dünya yüzeyinde manyetik alanın büyüklüğü 0.3 ile 0.6 Gauss arasında değişir

5 MANYETİZMA TÜRLERİ Manyetik Maddelerin Sınıflandırılması : Manyetik özelliklerine bağlı olarak maddeler başlıca 5 sınıfa ayrılabilir. Paramanyetik (Artı Duyarlı Mıknatıslık ) Diyamanyetik (Eksi Duyarlı Mıknatıslık ) Ferromanyetik (Asal Mıknatıslık ) Ferrimanyetik (Artık kutuplu mıknatıslık) Antiferromanyetik (Karşı Kutuplu Mıknatıslık )

6 Paramanyetik (Artı Duyarlı Mıknatıslık ) Paramanyetik maddelerde, manyetik atomlar veya iyonlar kalıcı özden manyetik momente sahiptirler. Alınganlık, uygulanan manyetik alan ve ısıl titreşimler ile ilişkilidir. Manyetik alan uygulanmadığında momentlerin doğrultuları rastgeledir. Manyetik alan uygulandığında küçük bir mıknatıslanma oluşur. Kalıcı olarak mıknatıslanmazlar, örnek Al, Cr

7 Paramanyetik (Artı Duyarlı Mıknatıslık ) Manyetil alan içersine konduğu zaman yönelmeler, ısısal hareketler ve titreşimler ile yarışmak zorundadır. Pierre Curie deneysel olarak bazı koşullar altında paramanyetik bir maddenin mıknatıslanmasının manyetik alanla doğru, mutlak sıcaklıkla ters orantılı olduğunu tespit etmiştir. M=C*B0/T Bağıntı; mıknatıslanmanın artan alanla ve azalan sıcaklıkla arttığını göstermektedir. Artı duyarlı elementler Mıknatıs duyarlığı X m Alüminyum Kalsiyum Oksijen Platin Titanyum

8 Paramanyetik (Artı Duyarlı Mıknatıslık ) M=C*B0/T B0 = 0 olduğunda mıknatıslanma sıfırdır; bu durum dipol momentlerin rastgele yönelmiş olmalarına karşılık gelir. Çok yüksek alanlarda ve çok düşük sıcaklıklarda, mıknatıslanma maksimum veya doyum değerine yaklaşır. Bu durumda, tüm manyetik dipol momentler uygulanan alan yönünde dizilmişler demektir ve eşitlik artık geçerli değildir. Ferromanyetik bir madde,sıcaklığı Curie Sıcaklığı denen bir kritik sıcaklığa ulaştığı ya da geçtiği zaman kalıcı mıknatıslanmasını kaybeder ve paramanyetik duruma geçer

9

10 Diyamanyetik (Eksi Duyarlı Mıknatıslık ) Bir malzemenin atomlarını etkileyen bir dış mıknatıs alanı, yörüngede döner elektronların dengesini hafifçe bozar ve atomların içinde uygulanan alana küçük mıknatıs çift kutupları yaratır. Bu olay eksi duyarlılık diye adlandırılan eksi bir mıknatıs etki yaratır. Eksi duyarlılık X m değerinde, çok küçük bir eksi mıknatıs duyarlılığı meydana getirir. Eksi duyarlılık bütün malzemelerde bulunmakta, fakat çoğunda artı mıknatıs etkiler tarafından yok edilmektedir. Eksi Duyarlı Elemenler Mıknatıs Duyarlığı X m Kadminyum Bakır Gümüş Kalay Çinko

11 Ferromanyetik (Asal Mıknatıslık ) Eksi duyarlı ve artı duyarlık, uygulanan mıknatıs alanla ortaya çıkar ve alan olduğu sürece var olur. Asal mıknatıslık olarak adlandırılan, mühendislik açısından çok önemli, üçüncü bir mıknatıslık vardır. İstendiği zaman oluşturulan veya kaldırılan büyük mıknatıs alanları, asal mıknatıs malzemeler tarafından yaratılır. Sanayide en önemli asal mıknatıs elementler demir (Fe), kobalt (Co) ve Nikel(Ni) dir

12 Ferromanyetik (Asal Mıknatıslık ) Fe,Co ve Ni geçiş elementlerinin asal mıknatıslık özellikleri, iç kabuktaki çiftlenmemiş elektronların dönülerinin kristal kafeslerinde aynı yönde dizilmelerinden kaynaklanmaktadır. Her atomun, iç kabuğu birbirine ters yönde dönüye sahip elektronlarla dolu olduğundan, bunlardan doğan net mıknatıs çift kutup momenti sıfırdır. Katılarda, dış değerlik elektronları birbiriyle birleşerek bağ oluşturur, dolayısıyla önemli bir mıknatıs momenti yaratmazlar. Fe, Co ve Ni de çiftlenmemiş iç 3d elektronları, bu elementlerin mıknatıslığının nedenidir. Demir atomu dört, kobalt üç, nikel iki tane çiftlenmemiş 3d elektronuna sahiptir

13 Eğer mıknatısçıklar rastgele yönlenimde ise kütlede net bir mıknatıslanma görülmeyecektir. Fe, Co ve Ni atomlarının mıknatıslı çift kutuplarının paralel dizilmesi, aralarında oluşan artı değişim enerjisi sonucudur. Bu paralel dizilmenin olması için atomlar arası mesafenin, 3d yörüngesinin çapına oranının 1.4 ile 2.7 arasında olması gerekir. Bu nedenle ki Fe,Co ve Ni asal mıknatıstır, oysa Manganez (Mn) ve Krom (Cr) değildir. Bazı 3d geçiş elementlerinde, mıknatıs değişim girişimi enerjisinin, atomlar arası mesafenin 3d yörüngesinin çapına oranına bağlı olarak değişmesi. Artı değişim enerjisine sahip asal mıknatıslar, eksi değişim enerjisine sahip olanlar ise karşı kutuplu mıknatıslardır

14

15

16

17

18

19

20 Antiferromagnetism (Karşı Kutuplu) Bazı malzemelerde görülen bir diğer mıknatıslık karşı kutuplu mıknatıslıktır. Bir mıknatıs alanın varlığında, karşı kutuplu mıknatıs malzemelerin atomlarının mıknatıslı çift kutupları, alanın karşı yönünde dizilir. Atomlar arası mesafelerinin 3d, yörüngelerinin çapına oranı 1.4 ten daha az olan manganez ve krom elementleri, oda sıcaklığında ve katı haldeyken karşı kutuplu mıknatıslanma gösterir ve eksi değişim enerjisine sahiptir. (Şekil 6.c) Manyetizma şekilleri (a) paramagnetism (b) ferromagnetism (asal mıknatıslık)(c) antiferromagnetism (karşı kutuplu mıknatıslık) (d) ferrimagnetism (artık kutuplu mıknatıslık)

21 Antiferromagnetism (Karşı Kutuplu) Bu maddeler tüm sıcaklıklarda düşük doygunluk değerleri verirler. Bu maddeler yalnızca Neel sıcaklığında maksimum doygunluk değeri gösterirler. Neel sıcaklığının altında antiferromanyetik davranış gösterirken, bu sıcaklığın üstünde ise diamanyetik davranış gösterir. Yönelmeleri sonucu atom veya iyonların manyetik momentleri birbirlerini yok eder, net manyetik moment sıfırdır

22 İyonik bileşiklerin çoğu; oksitler, sülfatlar, klorürler vb. antiferromanyatizma özelliği gösterirler. Antiferromanyetik davranışı açıklamak için metal oksitlerdeki süper değişim olarak adlandırılan davranışı incelemek gerekir. Bunun mekanizması kısaca; manyetik spinlerin oksijen orbitallerindeki antiparalel çiftleşmesi olarak tarif edilir

23 Ferrimanyetik (Artık kutuplu mıknatıslık) Bazı seramik malzemelerde, farklı iyonların mıknatıs momentleri farklı büyüklüktedir ve mıknatıs momentleri birbirine paralel olmayan yönlerde dizilmiştir, bir yönde net bir artık mıknatıs momenti görülür (Şekil5 d). Ferrimanyetikler, manyetik sınıflamaya 1948 yılında dahil edilinceye kadar ferromanyetik malzemelerle birlikte incelenmiştir. Artık kutuplu mıknatıs malzemeler grubu ferritler diye adlandırılır. Çok çeşitli ferrit türü vardır. Fe2O3 asıllı bir grup, çok eskiden beri bilinen mıknatıs taşı olan manyetit esaslıdır. Ferritlerin düşük iletkenlikli olmaları, onlardan elektronik uygulamalarında yararlanılmasını sağlamaktadır. Ferromanyetik malzemeler ile aynı histerezis gösterir

24 Paslanmaz çeliklerden AISI 300 sersisi, yüksek Mn-N çelikleri P 506 ve UNS21904 çeliklerinin manyetik duyarlılıklarının kıyaslanması. Non-manyetik uygulamalarda manyetik duyarlılık sınırı CERN e göre 5x10-3 olarak tespit edilmiştir. Özetlersek Diyamanyetik ve paramanyetik durumlarda atom ve molekül katkıları var iken, antiferromanyetik ve ferromanyetik durumlarda düzenlenmiş dizilimdeki elektron dönüşleri ve manyetik momentlerin katkısı vardır

25 Sıcaklığın Asal Mıknatıslanmaya Etkisi 0 o K üstündeki herhangi bir sıcaklıkta, ısıl enerji, asal mıknatıs bir malzemenin mıknatıslı çift kutuplarındaki mükemmel paralel dizilmeyi bozar. Asal mıknatıs malzemelerde mıknatıslı çift kutupların dizilmesine neden olan değişim enerjisi, ısıl enerjinin dizilmeyi rastgele hale getiren etkisini dengelemektedir. Sıcaklık artışı ile beraber ferromagnetik ve ferrimagnetik malzemelerin magnetik değerleri düşüş gösterir. Paramagnetic malzemeler için pozitif bir eğim yaparken, ferromagetic malzemeler için negatif bir eğim yapmaktadır Sıcaklığın artırılması mıknatıs momentlerini rastgele hale getirir

26 Manyetik maddelerin manyetik alınganlığının sıcaklık ile değişimi

27 Asal Mıknatıs Mıknatısçıkları Domen T c sıcaklığı altında ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde, manyetik dipol momentlerinin paralel yönlendiği mikro bölgeler bulunur. Bu bölgelere domen denir. Her biri kendi doygunluk mıknatıslanmasına sahiptir. Bu bölgeler domen sınırları veya duvarları ile birbirinden ayrılır. Mıknatıslanmanın yönü bu sınırlardan geçerken değişir. Çok kristalli bir malzemede her bir tanede birden fazla domen bulunabilir

28 Asal Mıknatıs Mıknatısçıkları Domen Dolayısı ile makro büyüklükteki bir parçada çok sayıda domen vardır. Her bir domen manyetik alanda farklı yönlenebilir. Parçanın tümü için M alanının büyüklüğü (mıknatıslanma) tüm domenlerin mıknatıslanmalarının vektör toplamına eşittir. Her bir domenin katkısı hacim oranı ile orantılıdır. Mıknatıslanmamış bir parçada domenlerin mıknatıslanmalarının toplamı sıfırdır

29 Asal Mıknatıs Mıknatısçıkları Domen Mıknatısçık sınırı hareketi mıknatısçığın dönmesinden daha az enerji gerektiğinden, mıknatısçığın dönmesinden daha önce olur. Mıknatısçık büyümesi tamamlandığında, uygulanan alan artırılmaya devam ederse, mıknatısçık dönmesi gerçekleşir. Mıknatıslığı giderilmiş asal mıknatıs bir malzeme, uygulanan bir alan altında doymaya kadar mıknatıslanırken mıknatısçıkların büyümesi

30 Aşağıdaki şekilde görüleceği gibi, demir kristal özliflerde uygulanan bir alan altında mıknatısçık sınırlarında nasıl hareket ettiği göstermektedir. Mıknatısçık sınırlarının hareketi, parlatılmış bir demir yüzeyine demir oksit çözeltisinin yığılmasıyla yapılan Bitter tekniğiyle izlenir. Sınır hareketi ışık mikroskobu altında gözlenir. Bu teknik kullanılarak, mıknatısçık sınırlarının uygulanan mıknatıs alanları altındaki hareketi hakkında geniş bilgi elde edilmiştir. Uygulanan bir mıknatıs alanı altında bir demir kristalinde mıknatısçık sınırlarının hareketi. Dikkat edilecek olursa, uygulanan alan kuvvetlendikçe, çift kutupları alan yönlenmiş mıknatısçıklar genişlemekte çift kutupları karşı yönde daralmaktadır. ( R.W. DeBlois, The General Electric Co. Ve C.D. Graham, The University of Pennsylvania izniyle )

31 An unmagnetized substance looks like this While a magnetized substance looks like this Iron Lodestone (Magnetite)

32 Magnetic Fields

33 Manyetik Özelliklerin Ölçümü

34 Manyetik Özelliklerin Ölçümü

35 Manyetik Özelliklerin Ölçümü

36 Manyetik Özelliklerin Ölçümü Para/diamanyetik malzemeler Akı yoğunluğu B (tesla) Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Diamanyetik/ paramanyetik ferromanyetik/ ferrimanyetik 30 A/M şiddetindeki bir manyetik alanda Ferro/ferrimanyetik malzemelerde akı yoğunluğu 1.5 Tesla Paramanyetik ve diamanyetik malzemelerde Tesla

37 Hysteresis B H M

38 Manyetik Anizotropi Bu malzemelerin her biri için mıknatıslanmanın en kolay gerçekleştiği bir kristallografik yön vardır. Bu yönde doygunluk en küçük H alanı ile elde edilir. Bu yöne kolay mıknatıslanma yönü denir. Örneğin, Nikelde bu yön [111] yönüdür. [110] ve [100] yönlerinde doygunluk daha büyük H alanlarında ortaya çıkar. Fe ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası ile [100] dir

39 Manyetik Anizotropi Manyetik anizotropi Manyetik histerisiz eğrileri bazı faktörlere bağlı olarak farklı şekiller alır. Malzemenin tek veya çok kristalli olması Çok kristalli olması halinde, tanelerin tercihli yönlenmesi Gözenek veya ikinci faz partiküllerinin varlığı Sıcaklık ve stres uygulanmışsa, stres durumu Mesela, ferromanyetik bir malzemenin tek kristali için B (veya M) vs H eğrisi uygulanan H alanına göre kristalin kristallografik yönlenmesine bağlıdır

40 Manyetik Anizotropi

41 Transformatör çekirdekleri Transformatör çekirdeklerinde kolayca mıknatıslanıp, bu mıknatıslanmayı kolayca kaybeden yumuşak manyetik malzemelerin kullanılması gerekir. İdeali, manyetik anizotropik olan tek kristallerin kullanılmasıdır. Ancak tek kristallerin üretimi maliyetlidir. Bunun yerine haddeleme ile yönlenme sağlanmış elektrik sacları kullanılır. Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır

42 Demir Silis Alaşımları En yaygın kullanılan yumuşak mıknatıslı malzemeler demir %3-%4 silisyumlu alaşımlardır yılından önce transformatörler, motorlar ve jeneratörler gibi düşük frekanslı(60 frekans) güç makinelerinde, düşük karbonlu alaşımız karbon çelikleri kullanılmaktaydı. Fakat, bu tür mıknatıslı malzemelerdeki çekirdek kayıpları nispeten yüksekti

43 Demir Silis Alaşımları Demir-silisyum alaşımı yapmak amacıyla demire %3-4 silisyum katılması mıknatıslı malzemelerde çekirdek kayıplarını azaltıcı etkiler yapmaktadır. 1. Silisyum, düşük karbonlu çeliğin elektrik direncini artırmakta, dolayısıyla girdap akımları kaybını azaltmaktadır. 2. Silisyum, demirin mıknatıs yönlem enerjisini azaltmakta, mıknatıs geçirgenliğini artırmakta, dolayısıyla histerezis çekirdek kayıplarını azaltmaktadır. 3. %3-4 silisyum katılması aynı zamanda mıknatıs gerinmesini azaltarak da histerezis kayıplarını düşürmekte ve transformatör uğultusunu hafifletmektedir. 4. Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek kayıpları azaltıldı

44 Demir Silis Alaşımları 1940 ta elde edilen bir diğer gelişme sonucu, tanelerin yönlenmiş demir silisyum saclar kullanılarak transformatör çekirdeği enerji kayıplarında bir düşüş daha sağlanmıştır. Fe %3 Si saclar soğuk işlendikten sonra uygulanan yeniden kristalleştirme ısıl işlemiyle, <0 0 1 > tane yönlenimli malzeme olarak sanayi boyutlarında üretilebilmiştir. Aşağıdaki, Fe- %3 Si alaşımlarında *001+ yönü kolay mıknatıslanma yönü olduğu için, sacın haddeleme yönüne paralel bir alan uygulanarak bu tür

45

46 Şerit Döküm Yöntemi İle Yönlenmiş Fe-Si Sac Üretimi

47 Şerit Döküm Yöntemi İle Yönlenmiş Fe-Si Sac Üretimi Geleneksel döküm yöntemi ile üretilen Fe-Si saclardan farklı olarak üretine şerit döküm yöntemi ile sürekli döküm ve sıcak haddeleme prosesleri atlanılabilir. Bu ileri teknoloji yöntem enerji tasarrufu sağlar ve daha kısa süren üretim yöntemi ile düşük karbonlu çelikler, paslanmaz çelikler ve Fe-Si çelikler üretilebilir. Mikroyapı, texture geleneksel yöntem ile üretilen Fe-Si saclara göre daha iyidir % C miktarına sahip alaşımda manyetik özellikleri geliştirmek için düşük karbonlu yapı % C incelenmiştir. Şerit döküm prosesinde başlangıç miktroyapısı kontrol edilebilir ve hızlı soğutma ve hızlı ikincil soğuma hızları sayesinde küçük boyutlu çökeltiler elde edilir. Böylece düşük karbonlu yönlenmiş Fe-Si saclar elde edilir. Bu yöntemle üretilen düşük karbonlu çelikler iki aşamalı soğuk haddeleme, birincil tavlama ve ikincil tavlama işlemlerinden geçer

48 Şerit Döküm Yöntemi İle Yönlenmiş Fe-Si Sac Üretimi Bu çalışmada kullanılan çeliğin elementel analizi (%): 0.005C,3.0Si,0.18 Mn, 0.027Al, 0.029S ve N ve kalan demirdir. 2mm kalınlıkta olarak şerit dökümden dökülen bu çelik sac, ilk olarak 3 farklı kalınlıkta haddeleme işlemiyle 1.6mm 20%, 1.2mm 40% ve 0.8mm 20% kalınlıklarına indirildi o C de 5 dakika tavlandıktan sonra 78% ikincil soğuk haddeleme işlemine ile kalınlıkları: 0.35mm, 0.3mm ve 0.18 mm olmuştur. Birincil tavlama ısıl işlemi ile 850 o C 5 dakika bekletilmiştir. Son olarak 800 o C den 1200 o C ye 20 o C/h olarak çıkartılıp bu sıcaklıkta 4 saat N 2 atmosferinde bekletildi

49 Mikroyapısı ve texture görelen twin-roll şerit döküm yöntemiyle üretilen çeliğin mikroyapsı heterojen bir yapıya sahip. 20um ile 100um arasında değişen tane boyutlarına sahip

50 Yakalaşık 100nm boyutundaki partiküller tane sınırlarında yer almakta. DES elementel mapping yöntemi bunların MnS olduğunu göstermekte. A1N çözeltileri ferrit matrisinde nadir olarak gözlenmiştir

51

52 Bu sonuçlara göre, birincil soğuk haddeleme miktarı artarsa partikül yoğunluğu artar ve ortalana partikül boyutu düşer

53

54 Bu mikroyapı 20% haddeleme ikincil tavlama sonrası oluşmuştur. Goss Taneleri 8.43 kere rastgele ortaya çıkmış ve manyetik indüksiyon 1.48T

55 Bu mikroyapılarda ise 40%-60% arasında haddelenmiş sacın ikincil kristalizasyon işleminin tamamlandığı Goss textureleri göstermektedir. Goss Texture 17.7 ve 28.5 kere rastgele oluşmuş 1.75T ve 1.9T manyetik indüksiyon vardır. Şerit dökümde soğuma hızları yüksek olduğundan K/s, hadde yüzeyi ile malzeme yüzeyi arasında yüksek ısıl geçişleri sağlar

56 İkinci soğuk haddeleme yöntemiyle heterojen yapı giderilir. İkinci haddeleme yöntemiyle mikroyapı çok daha homojen hale gelir. Böylece A1N çökeltileri homojen dağılım ile yayınmış olurlar. Ayrıca, A1N partiküllerinin Boyutu ve Yoğunlu ilk haddeleme sırasında ayarlanabilir. Haddeleme miktarının artırılması ile beraber, çok daha fazla çekirdeklenme bölgeleri oluştur ki ara tavlama sırasında uygun boyutlu A1N çökeltileri sağlanır. Böylece manyetik özelliklerde gelişme sağlanır

57 Metalik Camlar Metalik camlar, normal metaller gibi kristal bir yapısı olmayan içbiçimsiz bir metal türüdür. Normal metaller ve alaşımlar sıvı durumdan katı duruma geçerken atomları düzenli bir kristal yapıda dizilir. Aşağıdaki tabloda mühendislikte önem taşıyan sekiz metalik camın atom bileşenlerini vermektedir. Bu malzemeler önemli yumuşak mıknatıs özelliklerine sahiptir ve Fe, Co ve Ni asal mıknatıslarına B ve Si metalsileri katılarak elde edilir

58 Fırında hammaddeler eritilir, erimiş metalik cam gerektiğinde döküm sistemine verilmeye hazır olarak bekletilir. Döküm sistemi seramik nozzle da, erimiş metal basınç altında memeden püskürtülür. Püskürtme memesinin yüksekliğine bağlı kalarak cam şeritin kalınlığını değiştirilebilir. Yüksek hızda dönen bakır kuşak, bakır kuşak üzerine püskürtülen erimiş malzeme metalik cam olarak katılaşır. Soğutma kutusu: bakır kuşağı oda sıcaklığında tutmayı sağlar. Bu teknikle cm kadar kalınlıkta ve 1-30 cm genişlikte matalik cam şeritler elde edilebilmektedir

59 Elementler boyut olarak farklı büyüklüklerde ve negatif karışım ısısına sahip olacak şekilde seçilerek hızlı soğuma sırasında karmaşa etkisi yaratılarak kristalleşme bastırılır ve yapı cam malzemelerde olduğu gibi amorf hale gelir. Özellikle tane sınırlarını ve uzun mesafeli kristal yönlülüğünün olmaması nedeniyle bu malzemelerdeki mıknatısçık sınırları son derecede kolay hareket etmektedir. Yandaki şekilde görüldüğü gibi yumuşak mıknatıslı metalik camların dar bir histerezis halkası vardır, dolayısıyla histerezis enerjisi kayıpları çok düşüktür

60 Mıknatıs Türkeri

61 Fe-Ni Alaşımları Fe-Ni alaşımları manyetik özelliklerinden faydanılmadan önce düşük termal genleşme kantsayısı Fe-36 % Ni ile bilinmekteydi. Ferromagnetic γ fazı uygun tavlama sıcaklığı, soğutma hızları, Mo,Cu,Cr gibi alaşım elementlerinin etkisi ile elde edilebilir. %35Ni den fazla içeren alaşımlar için γ α dönüşümü olur fakat T<500 o C sıcaklıklarda. Buda yandaki şekilde görüleceği gibi düşük difüzyon oranları yüzünden kısıtlıdır

62 Fe-Ni Alaşımları Manyetik uygulamalar için iki ana grupta alaşımlar geliştirildi, bunlardan ilki Düşük-Ni FeNi alaşımları 47%-50% Ni, yüksek doygunluk değerleri 1.6T ve maximum geçirgenlikleri değerindedir. Yüksek Ni FeNi alaşımları ise sektörde mumetal olarak bilinen 80% Ni içeren grup, düşük doygunluk değeri 0.8T fakat yüksek geçirgenlikleri vardır

63 Cu-Ni-Fe Alaşımları Cunife başlıca bakır, nikcel ve demir elementlerinden oluşur, bazı durumlarda Kobaltta eklenebilir. Cam tipi malzemeler ile aynı liner genleşme katsayısına sahip olduğu için, ampüllerde kablo olarak kullanımı oluşmuştur. Cunife 1 60% Cu, 20% Ni, and 20% Fe içeriri. Cunife 2 60% Cu, 20% Ni, 2.5% Co, and 17.5% Fe içerir

64 Ferrit Mıknatıslar Ferrit mıknatıslar olarak da adlandırılan seramik mıknatıslar, kalıcı manyetik indüksiyonlarına ve yapısına göre sert ferritler (hard ferrite ) ve soft ferritler (soft ferrite) olmak üzere ikiye ayrılırlar. Baryum, Stronsiyum veya kurşun oksitlerinin, demir oksitlerle oluşturduğu hekzogonal yapılı, Seramik Mıknatıslar olarak da adlandırılan ferritler, bu gruptandır. Isıl kararlılıklarının iyi, Curie sıcaklıklarının yüksek olması ve diğer mıknatıslara göre çok ucuz olması nedenleriyle uygulamalarda çokça kullanılırlar

65 Ferrit Mıknatıslar Ferrit mıknatıslar üretim teknolojisine göre izotrop (az güçlü) ve anizotrop (daha güçlü) olanlara ayrılır. İzotrop mıknatıslar presleme ile kuru yoluyla üretilmektedir. Sonra mıknatıslar manyetik alanında manyetikleştirilir. Bu üretim sürecinin büyük avantajı ise mıknatısların gereksinime göre çeşitli yönlerde manyetikleştirilebilmesidir. Anizotrop mıknatıslar manyetik alanın etkisi altında üretim kalıbına enjekteile ıslak yoluyla üretilmektedir. Sonraki manyetikleşme sadece üretim esnasında verilen yönünde mümkündür

66 Neodimyum Demir Bor Mıknatıs Alaşımları 1980 ler kullanılmaya başlanılan Sm-Co yerine daha iyi özellikli Nd-Fe-B mıknatıs alaşımları geçmiştir. SmCo a göre üretim maliyetleri düşüktür. Tek kötü yanı çalışma sıcaklıkları düşüktür. Mıknatıs B r (T) JH c (kam -1 ) (BH) max (kjm -3 ) T C ( o C) Hard Ferrites AlNiCo AlNiCo SmCo SmCo 5 /Sm 2 Co Nd 2 Fe 14 B

67 Neodimyum Mıknatıs Tiplerinin Sıcaklıklarının Karşılaştırılması

68 Yukarıdaki şekilde hızlı katılaştırılmış, Nd 2 Fe 14 B türü bir şeridin mikroyapısını göstermektedir. Bu yapıda, yüksek asal mıknatıslıktaki Nd 2 Fe 14 B anafaz taneleri, asal mıknatıslı olmayan Nd ce zengin, ince, taneler arası fazla çevrilmiştir

69 Bu malzemenin yüksek baskı kuvveti ve (BH) enb enerji çarpımı, çoğunlukla anafaz tanelerinin tane sınırlarında çekirdeklenen ters mıknatısçıkların çekirdeklenmesindeki güçlüğün bir sonucudur. Malzemenin mıknatıslığını tersine çevirmek için, asal mıkantıs olmayan taneler arası Nd ce zengin faz Nd 2 Fe 14 B anafazı tanelerini, kendi ters mıknatısçıklarını çekirdeklemek için zorlar

70 Neodimyum Demir Bor Mıknatıs Alaşımları mıknatıslanma ve de-mıknatıslanma domen sınırı hareketliliğine ve bu da malzeme mikroyapısı, yani tanelerin boyutu, şekli ve yönlenmeleri, ikinci faz partikülleri ve dağılımları ile ilişkilidir. malzeme mikroyapı özellikleri nasıl üretildiklerine bağlıdır. Nd 2 Fe 14 B mıknatıslarının üretiminde 2 farklı proses süreci vardır. Toz metalurjisi (sinterleme) ve hızlı katılaştırma (sıvı savurma)

71 Nd-Fe-B Üretimi Toz metalürji yöntemi NdFeB mıknatısları üretmek için kullanılan en önemli tekniktir ve aşağıdaki basamaklardan oluşur. Vakum altında erğitme kırma; değirmende öğütme; manyetik alan altında hizalama; presleme; sinterleme, tavlama; mekanik işlem, kaplama; manyetikleştirme. Döküm ingot Hidrojen doplaması ile ingot ufalanıyor Ön Öğütme ile parça boyutu 5mm seviyesine asal gaz

72 Hidrojenle parçalama (HD) Hidrojenle parçalama (HD): Nd-Fe-B alaşımını düşük sıcaklıkta ve yüksek basınçlı hidrojen atmosferinde tutarak kolay kırılabilen ince tozlar elde edilir. Bu metot dökme ile elde edilen Nd-Fe-B külçesinden, sinterlenmiş Nd-Fe-B mıknatısından ve eriyikten çekilmiş Nd-Fe-B şeritlerinden toz hazırlamak için kullanılır. Burada Hidrojen Nd ca zengin fazlarla reaksiyona girerek çatlaklara sebep olur. Hidrojen bu çatlaklardan içeri nüfuz eder ve malzeme kendiliğinden kolayca kırılabilecek duruma gelir. Bu yöntemle başka bir öğütmeye gereksinim duymadan çok ince tozlar elde edilebilir

73 İki değişik şekilde presleme metodu kullanılır. Birinci metot manyetik alan yönünün presleme yönüne paralel olması, ikinci metot ise manyetik alan yönünün presleme yönüne dik olmasıdır. İkinci metot anizotrop mıknatıs üretiminde daha etkilidir. İzostatik presleme izotrop mıknatıs üretmek için kullanılır.

74 Her bir tane tek kristal oluncaya kadar öğütme Manyetik alanda yönlendirme Presleme (%60 yoğunluk) 1060 C de 1 saat sinterleme tornalama

75

76 Manyetizma Türlerini Kısaca diyagramlar ile beraber açıklayınız.? SORULAR Paramanyetik maddelerde, manyetik atomlar veya iyonlar kalıcı özden manyetik momente sahiptirler. Alınganlık, uygulanan manyetik alan ve ısıl titreşimler ile ilişkilidir. Manyetik alan uygulanmadığında momentlerin doğrultuları rastgeledir. Manyetik alan uygulandığında küçük bir mıknatıslanma oluşur. Kalıcı olarak mıknatıslanmazlar, örnek Al, Cr. Diamanyetizim.Bir malzemenin atomlarını etkileyen bir dış mıknatıs alanı, yörüngede döner elektronların dengesini hafifçe bozar ve atomların içinde uygulanan alana küçük mıknatıs çift kutupları yaratır. Bu olay eksi duyarlılık diye adlandırılan eksi bir mıknatıs etki yaratır. Eksi duyarlılık X m değerinde, çok küçük bir eksi mıknatıs duyarlılığı meydana getirir. Eksi duyarlılık bütün malzemelerde bulunmakta, fakat çoğunda artı mıknatıs etkiler tarafından yok edilmektedir. Ferromagnetisim. Fe,Co ve Ni geçiş elementlerinin asal mıknatıslık özellikleri, iç kabuktaki çiftlenmemiş elektronların dönülerinin kristal kafeslerinde aynı yönde dizilmelerinden kaynaklanmaktadır. Her atomun, iç kabuğu birbirine ters yönde dönüye sahip elektronlarla dolu olduğundan, bunlardan doğan net mıknatıs çift kutup momenti sıfırdır. Katılarda, dış değerlik elektronları birbiriyle birleşerek bağ oluşturur, dolayısıyla önemli bir mıknatıs momenti yaratmazlar. Fe, Co ve Ni de çiftlenmemiş iç 3d elektronları, bu elementlerin mıknatıslığının nedenidir. Demir atomu dört, kobalt üç, nikel iki tane çiftlenmemiş 3d elektronuna sahiptir. Antiferromagnetisma: Bazı malzemelerde görülen bir diğer mıknatıslık karşı kutuplu mıknatıslıktır. Bir mıknatıs alanın varlığında, karşı kutuplu mıknatıs malzemelerin atomlarının mıknatıslı çift kutupları, alanın karşı yönünde dizilir. Atomlar arası mesafelerinin 3d, yörüngelerinin çapına oranı 1.4 ten daha az olan manganez ve krom elementleri, oda sıcaklığında ve katı haldeyken karşı kutuplu mıknatıslanma gösterir ve eksi değişim enerjisine sahiptir. Bazı seramik malzemelerde, farklı iyonların mıknatıs momentleri farklı büyüklüktedir ve mıknatıs momentleri birbirine paralel olmayan yönlerde dizilmiştir, bir yönde net bir artık mıknatıs momenti görülür. Ferrimanyetikler, manyetik sınıflamaya 1948 yılında dahil edilinceye kadar ferromanyetik malzemelerle birlikte incelenmiştir. Artık kutuplu mıknatıs malzemeler grubu ferritler diye adlandırılır. Çok çeşitli ferrit türü vardır. Fe2O3 asıllı bir grup, çok eskiden beri bilinen mıknatıs taşı olan manyetit esaslıdır. Ferritlerin düşük iletkenlikli olmaları, onlardan elektronik uygulamalarında yararlanılmasını sağlamaktadır. Ferromanyetik malzemeler ile aynı histerezis gösterir

77 SORULAR Demir Silisyum alaşımlarında Silisyum un etkisi nedir? 1. Silisyum, düşük karbonlu çeliğin elektrik direncini artırmakta, dolayısıyla girdap akımları kaybını azaltmaktadır. 2. Silisyum, demirin mıknatıs yönlem enerjisini azaltmakta, mıknatıs geçirgenliğini artırmakta, dolayısıyla histerezis çekirdek kayıplarını azaltmaktadır. 3. %3-4 silisyum katılması aynı zamanda mıknatıs gerinmesini azaltarak da histerezis kayıplarını düşürmekte ve transformatör uğultusunu hafifletmektedir. 4. Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek kayıpları azaltıldı

78 KAYNAKÇA May D, Isaacs J. Economic Comparison of NdFeB and Hard Ferrites in Automotive Applications. Materials & Manufacturing Processes [serial on the Internet]. (2004, July), [cited November 28, 2016]; 19(4): Available from: Business Source Complete. Li, D, Pan, D, Li, S, & Zhang, Z 2016, 'Recent developments of rare-earth-free hard-magnetic materials', SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 59, 1, p. 1, Publisher Provided Full Text Searching File, EBSCOhost, viewed 28 November Young D.,Cytoclonal Pharmaceutics Inc [ Son Erişim Tarihi: Mavıoğlu I., Kalıcı Mıknatıslanma gösteren NdFeB alaşımının sentezi ve karakterizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Muğla Universitesi, 2009 Başoğlu M. Ni ve Cu katkılı NeFeB alaşımlarının üretimi ve manyetik özelliklerinin incelenmesi, Doktora Tezi, Karedeniz Tek. Ünv Xia Z. Developments in the production of grain-oriented electrical steel Article in Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320(23): December