DE102009002640A1 - Magnetic alloy material and process for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und der Materialphysik und betrifft ein magnetisches Legierungsmaterial, welches beispielsweise als magnetisches Kühlmaterial (magnetokalorisches Material) für Kühlzwecke oder für Energieerzeugungszwecke eingesetzt werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines magnetischen Legierungsmaterials, welches bei vergleichbaren magnetischen und/oder magnetokalorischen Eigenschaften gegenüber den Materialien des Standes der Technik verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein magnetisches Legierungsmaterial, welches einen magnetokalorischen Effekt zeigt, und welches eine schaumartige Struktur mit einer offenen Porosität von mindestens 1% und/oder einer geschlossenen Porosität von mindestens 1% aufweist, oder bei dem Partikel des magnetischen Legierungsmaterials in einem Matrixmaterial mit einer höheren Duktilität als das magnetische Legierungsmaterial eingebettet sind.The invention relates to the field of materials science and material physics and relates to a magnetic alloy material which can be used, for example, as a magnetic cooling material (magnetocaloric material) for cooling purposes or for power generation purposes, and a method for its production.
The object of the present invention is to specify a magnetic alloy material which has improved mechanical properties with comparable magnetic and / or magnetocaloric properties compared to the materials of the prior art.
The object is achieved by a magnetic alloy material which exhibits a magnetocaloric effect and which has a foam-like structure with an open porosity of at least 1% and / or a closed porosity of at least 1%, or in which particles of the magnetic alloy material in a matrix material embedded with a higher ductility than the magnetic alloy material.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und der Materialphysik und betrifft ein magnetisches Legierungsmaterial, welches beispielsweise als magnetisches Kühlmaterial (magnetokalorisches Material) für Kühlzwecke oder für Energieerzeugungzwecke eingesetzt werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The This invention relates to the field of materials science and material physics and relates to a magnetic alloy material, which, for example, as a magnetic cooling material (magnetocaloric Material) for cooling purposes or for power generation purposes can be used, and a method for its preparation.
Die magnetische Kühlung durch magnetische Legierungsmaterialien eröffnet eine umweltfreundliche, energie- und kosteneffektive Alternative zu der konventionellen Gaskompressionskühlung. Die magnetische Kühlung basiert auf dem magnetokalorischen Effekt (MCE = magnetocaloric effect), bei welchem eine Temperaturänderung infolge der Änderung der Magnetisierung des Materials auftritt. Für Anwendungen sind insbesondere Materialien mit einem großen MCE interresant.The magnetic cooling by magnetic alloy materials opens up an environmentally friendly, energy and cost effective Alternative to conventional gas compression cooling. The Magnetic cooling is based on the magnetocaloric Effect (MCE = magnetocaloric effect), in which a temperature change As a result of the change in the magnetization of the material occurs. For applications are in particular materials with a great MCE interresant.
Magnetische Materialien mit einer Kristallstruktur von NaZn13-Typ zeigen dabei einen besonders großen MCE, der durch einen thermisch- und feld-induzierten Phasenübergang vom paramagnetischen zum ferromagnetischen Zustand nahe der Curie-Temperatur Tc des Materials verursacht wird.Magnetic materials with a crystal structure of NaZn 13 type show a particularly large MCE, which is caused by a thermally and field-induced phase transition from the paramagnetic to the ferromagnetic state near the Curie temperature T c of the material.
Magnetische
Legierungsmaterialien der Kristallstruktur vom Typ NaZn13 sind
bekannt und könnten als magnetische Kühlmaterialien
eingesetzt werden. Die Zusammensetzung derartiger Materialien kann
durch die Formel R(T1-aMa)13Hd angegeben werden,
wobei für R Seltenerdelemente oder eine Kombination Seltenerdelemente,
für T Fe oder eine Kombination von Fe und Co und für
M Al, Si, Ga oder Ge oder Kombinationen davon eingesetzt werden.
Für a gilt 0,05 ≤ a ≤ 0,2 und für
d gilt 0 ≤ d ≤ 3,0. Derartige Materialien weisen
sehr gute magnetokalorische Eigenschaften bei Temperaturen nahe
Curie-Temperatur auf und sind als erfolgversprechende Kandidaten für
die magnetische Kühlung eingestuft [
Bekanntermaßen
werden derartige magnetische Legierungen mittels eines Lichtbogen-
oder Hochfrequenz-Schmelzverfahrens hergestellt und anschließend
für beispielsweise ca. 168 h bei etwa 1050°C unter
Vakuum (
Weiterhin
sind eine Reihe magnetischer Legierungen, wie z. B. Gd5Si2Ge2, MnAs, Mn1-xFexAs, Ni2MnSn und (Mn, Fe)2(P,
As) bekannt, die zum Teil einen besonders großen MCE zeigen,
der durch einen thermisch- und/oder feld-induzierten magnetischen
Phasenübergang nahe der Curie-Temperatur Tc und/oder
nahe einem strukturellen Phasenübergang verursacht wird
[
Ein
wesentlicher Nachteil dieser Legierungen ist bekanntermaßen
das Auftreten von Volumenänderungen durch isotrope bzw.
anisotrope Ausdehnung der Kristallgitter während des magnetischen oder
strukturellen Phasenübergangs, insbesondere bei den Legierungen,
die eine Phasenübergang ertster Ordnung zeigen [
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines magnetischen Legierungsmaterial, welches bei vergleichbaren magnetischen und/oder magnetokalorischen Eigenschaften gegenüber den Materialien des Standes der Technik verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist, und in der Angabe eines effektiven Verfahrens zur Herstellung des magnetischen Legierungsmaterials.The The object of the present invention is to specify a magnetic Alloy material, which in comparable magnetic and / or magnetocaloric properties over the materials of the prior art has improved mechanical properties, and specifying an effective method of making the magnetic alloy material.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by the invention specified in the claims solved. Advantageous embodiments are the subject of Dependent claims.
Das erfindungsgemäße magnetische Legierungsmaterial, welches einen magnetokalorischen Effekt zeigt, weist eine schaumartige Struktur mit einer offenen Porosität von mindestens 1% und/oder einer geschlossenen Porosität von mindestens 1% auf, oder es sind Partikel des magnetischen Legierungsmaterials in einem Matrixmaterial mit einer höheren Duktilität als das magnetische Legierungsmaterial eingebettet.The magnetic alloy material according to the invention, which shows a magnetocaloric effect, has a foamy Structure with an open porosity of at least 1% and / or a closed porosity of at least 1%, or particles of magnetic alloy material in one Matrix material with a higher ductility than the magnetic alloy material embedded.
Vorteilhafterweise weisen > 35 Vol.-% des magnetischen Legierungsmaterials eine Kristallstruktur vom NaZn13-Typ auf, wobei noch vorteilhafterweise mindestens 50 Vol.-%, noch vorteilhafterweise 80–90 Vol.-%, des magnetischen Legierungsmaterials eine Kristallstruktur vom NaZn13-Typ auf.Advantageously,> 35% by volume of the magnetic alloy material has a NaZn 13 -type crystal structure, more preferably at least 50% by volume, more preferably 80-90% by volume, of the magnetic alloy material having a NaZn 13 type crystal structure on.
Ebenfalls
vorteilhafterweise weist das magnetische Legierungsmaterial eine
Zusammensetzung gemäß der Formel auf:
R
= La oder eine Kombination von La mit Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy,
Ho, Er, Tm, Yb, Lu und/oder Y,
T = mindestens ein Element ausgewählt
aus der Gruppe Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu und/oder Zn,
M
= Al, Si, P, Ga, Ge, In und/oder Sn,
L = H, B, C und/oder N,
5 ≤ a ≤ 11
und 0 ≤ x ≤ 12 und 2 ≤ y ≤ 20
und 0 ≤ z ≤ 18, (alles in Atom-%).Also advantageously, the magnetic alloy material has a composition according to the formula:
R = La or a combination of La with Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu and / or Y,
T = at least one element selected from the group Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu and / or Zn,
M = Al, Si, P, Ga, Ge, In and / or Sn,
L = H, B, C and / or N,
5 ≤ a ≤ 11 and 0 ≤ x ≤ 12 and 2 ≤ y ≤ 20 and 0 ≤ z ≤ 18, (all in atomic%).
Weiterhin vorteilhafterweise sind zur Veränderung der Curie-Temperatur des magnetischen Legierungsmaterials die Bedingungen 2 ≤ z ≤ 15 Atom-% und/oder 3 ≤ y ≤ 16 und/oder 0.3 ≤ x ≤ 9 realisiert, wobei mit variierendem Anteil z und/oder y und/oder x die Curie-Temperatur sich zwischen 170 K und 400 K ändert.Farther Advantageously, to change the Curie temperature of the magnetic alloy material, the conditions 2 ≦ z ≦ 15 atomic% and / or 3 ≤ y ≤ 16 and / or 0.3 ≤ x ≤ 9 realized, with varying proportion z and / or y and / or x the Curie temperature changes between 170 K and 400 K.
Und auch vorteilhafterweise weist die schaumartige Struktur des magnetischen Legierungsmaterials eine offene Porosität von 2 bis 50% und/oder eine geschlossene Porosität von 2 bis 50% auf.And Also advantageously, the foam-like structure of the magnetic Alloy material has an open porosity of 2 to 50% and / or a closed porosity of 2 to 50%.
Vorteilhaft ist es auch, wenn Partikel des magnetischen Legierungsmaterials mit einer Partikelgröße von 10 nm bis 1 mm in ein Matrixmaterial eingebettet sind.Advantageous it is also when particles of magnetic alloy material with a particle size of 10 nm to 1 mm in a matrix material are embedded.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Matrixmaterial mit einer höheren Duktilität als das magnetische Legierungsmaterial aus mindestens einem Element von Al, Ag, Au, Bi, C, Co, Cu, Fe, Ga, Ni, Pb, Pd, Pt, Sn, Ti, Zn oder Kombinationen und/oder Reaktionsprodukten davon, besteht.Also it is advantageous if the matrix material with a higher Ductility as the magnetic alloy material of at least an element of Al, Ag, Au, Bi, C, Co, Cu, Fe, Ga, Ni, Pb, Pd, Pt, Sn, Ti, Zn or combinations and / or reaction products thereof, consists.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn neben dem Matrixmaterial ein zweites Material aus mindestens einem Element von Al, Ag, Au, Bi, C, Co, Cu, Fe, Ga, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Sn, Ta, Ti, V, Zn, Zr oder Kombinationen und/oder Reaktionsprodukten auch mit dem Matrixmaterial davon, vorhanden ist.Farther It is advantageous if, in addition to the matrix material, a second material at least one element of Al, Ag, Au, Bi, C, Co, Cu, Fe, Ga, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Sn, Ta, Ti, V, Zn, Zr or combinations and / or reaction products also with the matrix material thereof is.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Matrixmaterial eine um mindestens 10% höhere Duktilität als das magnetische Legierungsmaterial aufweist.And It is also advantageous if the matrix material is one at least 10% higher ductility than the magnetic alloy material having.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Partikel des magnetischen Legierungsmaterials in Form eines Bandes, eines Drahtes, einer Platte, einer Folie oder einer Flocke, einer Nadel oder in Form von Pulverpartikeln vorliegen.From It is also advantageous if the particles of the magnetic alloy material in the form of a ribbon, a wire, a plate, a foil or a Flake, a needle or in the form of powder particles.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Legierungsmaterials wird das magnetische Legierungsmaterial zu einer schaumartigen Struktur mittels Schäumens oder Kompaktierung verarbeitet oder Partikel des magnetischen Legierungsmaterials mit einem Matrixmaterial, welches eine höhere Duktilität als das magnetische Legierungsmaterial aufweist, gemischt und dann soweit erwärmt, dass das Matrixmaterial die Matrix um die Partikel des magnetischen Legierungsmaterials ausbildet.at the process according to the invention for the preparation of a magnetic alloy material becomes the magnetic alloy material to a foam-like structure by means of foaming or compaction processed or particles of magnetic alloy material with a matrix material which has a higher ductility as the magnetic alloy material, mixed and then so far heated that the matrix material the matrix around the Particles of the magnetic alloy material forms.
Vorteilhafterweise wird die Kompaktierung durch Heiß- oder Kaltpressen durchgeführt.advantageously, the compaction is carried out by hot or cold pressing.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird das Schäumen durchgeführt, indem auf eine schaumartige Struktur eine Suspension mit Partikeln des magnetischen Legierungsmaterials aufgebracht und getrocknet wird, und nachfolgend die schaumartige Struktur ausgebrannt oder pyrolysiert wird.Also Advantageously, the foaming is carried out, by placing on a foam-like structure a suspension with particles of the magnetic alloy material and dried is burned out, and then the foam-like structure or is pyrolyzed.
Weiterhin vorteilhafterweise werden Partikel des magnetischen Legierungsmaterials und des Matrixmaterials gemischt und zu einem Formkörper verarbeitet und nachfolgend dieser Formkörper auf eine Temperatur erwärmt, bei dem das Matrixmaterial mindestens erweicht und die Partikel des magnetischen Legierungsmaterials im Wesentlichen vollständig bedeckt.Farther Advantageously, particles of the magnetic alloy material become and the matrix material and into a shaped body processed and subsequently this shaped body to a temperature heated, in which the matrix material at least softens and the particles of magnetic alloy material substantially completely covered.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die Anwendungstemperatur durch Anlegen eines Vakuums eingestellt.Also Advantageously, the application temperature by applying a Vacuum set.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, ein magnetisches Legierungsmaterial anzugeben, dessen mechanische Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit (Integrität), bei Beibehaltung der guten magnetischen Eigenschaften bezüglich des magnetokalorischen Effektes, deutlich verbessert worden sind.With It is the first time the solution according to the invention possible to specify a magnetic alloy material its mechanical properties, in particular the strength (integrity), while retaining the good magnetic properties of the magnetocaloric effect, have been significantly improved.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das magnetische Legierungsmaterial eine schaumartige Struktur aufweist oder Partikel des magnetischen Legierungsmaterials in einem Matrixmaterial eingebettet sind, welches eine höhere Duktilität als das magnetische Legierungsmaterial aufweist.This is inventively achieved in that the magnetic alloy material has a foam-like structure or particles of the magnetic alloy material in a matrix material are embedded, which has a higher ductility as the magnetic alloy material.
Unter schaumartiger Struktur soll im Rahmen dieser Erfindung eine Struktur verstanden werden, die aus Stegen besteht, die Schaumzellen begrenzen. Diese Schaumzellen sind offen. Das Stegmaterial besteht im Wesentlichen aus dem magnetischen Legierungsmaterial und weist eine offene und/oder geschlossene Porosität auf. Weiterhin kann die schaumartige Struktur aber auch aus im Wesentlichen nur magnetischem Legierungsmaterial mit offenen und/oder geschlossenen Poren bestehen.Under foam-like structure is intended in the context of this invention, a structure be understood that consists of webs that limit foam cells. These foam cells are open. The bridge material consists essentially from the magnetic alloy material and has an open and / or closed porosity on. Furthermore, the foam-like Structure but also essentially only magnetic alloy material exist with open and / or closed pores.
Das magnetische Legierungsmaterial kann dabei in Form von Partikeln in einer Suspension zu einem Formkörper verarbeitet oder auf eine Schaumstruktur aufgebracht werden und nach Trocknung und einer Temperaturerhöhung zu dem magnetischen Legierungsmaterial verarbeitet werden. Die Partikel des magnetischen Legierungsmaterials können dabei in Form von Form eines Bandes, eines Drahtes, einer Platte, einer Folie oder einer Flocke, einer Nadel oder in Form von Pulverpartikeln vorliegen.The Magnetic alloy material can be in the form of particles processed in a suspension to form a molding or be applied to a foam structure and after drying and a temperature increase to the magnetic alloy material are processed. The particles of the magnetic alloy material can take the form of a band, a wire, a plate, a foil or a flake, a needle or in Form of powder particles are present.
Im Falle, dass das erfindungsgemäße magnetische Legierungsmaterial als Partikel in ein Matrixmaterial eingebettet ist, können die Partikel ebenfalls Form eines Bandes, eines Drahtes, einer Platte, einer Folie oder einer Flocke, einer Nadel oder in Form von Pulverpartikeln vorliegen. Die Partikelgröße kann dabei von einigen Nanometern bis ~100 μm betragen.in the Case that the magnetic alloy material of the invention as a particle is embedded in a matrix material, can the particles also form a ribbon, a wire, a plate, a Foil or a flake, a needle or in the form of powder particles available. The particle size can be of some Nanometers to ~ 100 microns.
Die Partikel des magnetischen Legierungsmateriales können dann mit Partikeln des Matrixmateriales gemischt und zu einem Formkörper verarbeitet werden. Nachfolgend wird der Formkörper einer Temperaturerhöhung ausgesetzt, wobei mindestens eine solche Temperatur erreicht werden muss, dass das Matrixmaterial eine Matrix um die Partikel des magnetischen Legierungsmaterials ausbildet und die Oberfläche der Partikel im Wesentlichen möglichst vollständig bedeckt.The Particles of the magnetic alloy material can then mixed with particles of the matrix material and to a shaped body are processed. Subsequently, the molded body of a temperature increase exposed, wherein at least one such temperature are reached must that the matrix material form a matrix around the particles of the magnetic Alloy material forms and the surface of the particles substantially completely covered as far as possible.
Das erfindungsgemäße magnetische Legierungsmaterial zeigt eine deutlich höhere mechanische Festigkeit, da die Volumenänderungen des magnetischen Legierungsmaterials deutlich besser durch den Phasenübergang, der an einer Pore oder dem duktileren Matrixmaterial vorliegt, aufgefangen werden können und damit der Rissbildung und möglicherweise sogar der Zerstörung des Formkörpers entgegenwirken und diese teilweise oder ganz verhindern.The Inventive magnetic alloy material shows a much higher mechanical strength, as the Volume changes of the magnetic alloy material much better by the phase transition, which at one Pore or the more ductile matrix material is collected can and therefore cracking and possibly even counteract the destruction of the molding and prevent them partially or completely.
Die erfindungsgemäße Lösung zeigt insbesondere verbesserte Ergebnisse beim überwiegenden Einsatz von magnetischen Legierungsmaterialien, deren Kristallstruktur vom NaZn13-Typ ist. Diese Materialien zeigen bekanntermaßen einen großen magnetokalorischen Effekt und sind deshalb besonders vorteilhaft einsetzbar.The solution according to the invention shows, in particular, improved results in the predominant use of magnetic alloy materials whose crystal structure is of the NaZn 13 type. These materials are known to have a large magnetocaloric effect and therefore can be used particularly advantageously.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Lösung für magnetische Legierungsmaterialien eingesetzt wird, die eine Zusammensetzung gemäß der Formel mit den bekannten Elementen, Elementkombinationen und Anteilen aufweisen.Also It is advantageous if the inventive Solution used for magnetic alloy materials which is a composition according to the formula having the known elements, element combinations and proportions.
Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn insbesondere H, B, C und/oder N in dem Legierungsmaterial vorhanden sind. Diese Elemente werden bekanntermaßen auf Zwischengitterplätze eingebaut und wirken sich insbesondere auf die für magnetische Legierungsmaterialien wichtige Curie-Temperatur Tc, die bekanntermaßen die Anwendungstemperatur bestimmt, aus, indem mit steigendem Anteil dieser Elemente, und dabei insbesondere H, die Curie-Temperatur erhöht wird. Damit ist eine Anwendungstemperatur für das magnetische Legierungsmaterial in relativ weiten Grenzen einstellbar.It is particularly advantageous if in particular H, B, C and / or N are present in the alloy material. These elements are known to be incorporated into interstitial sites and in particular affect the Curie temperature T c , which is known to be important for magnetic alloy materials, and which determines the temperature of use by increasing the Curie temperature as the proportion of these elements, and in particular H, increases. Thus, an application temperature for the magnetic alloy material is adjustable within relatively wide limits.
Der Effekt der Beladung des magnetischen Legierungsmaterials mit diesen Elementen wird durch die erfindungsgemäße Lösung noch verbessert, da die durch die Einlagerung resultierende erhöhte Sprödigkeit des magnetischen Legierungsmaterials ebenfalls durch die schaumartige Struktur oder das Matrixmaterial aufgefangen werden.Of the Effect of loading the magnetic alloy material with these Elements is the solution of the invention even more improved, since the resulting from the storage increased Brittleness of the magnetic alloy material as well collected by the foam-like structure or the matrix material become.
Die Curie- bzw. Anwendungstemperatureinstellung kann beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums während der Temperaturerhöhung erfolgen, was auch bei der Kompaktierung mittels Heisspressens oder Pressens bei moderaten Temperaturen realisierbar ist. Über die Höhe der Temperatur oder Zeit kann die Anwendungstemperatur eingestellt werden.The Curie or application temperature adjustment may be, for example by applying a vacuum during the temperature increase done, which also in the compaction by means of hot pressing or Pressing at moderate temperatures is feasible. about the amount of temperature or time can be the application temperature be set.
Mit einer speziell ausgewählten Beschichtungsmethode, wie der elektrochemischen Beschichtung oder Beschichtung durch stromloses Metallisieren, kann gleichzeitig Wasserstoff interstitiell in das Kristallgitter eingebracht werden oder Elemente, wie z. B. Co, Ni, Cu, durch Diffusionsprozesse Fe substituieren und dabei die Curie-Temperatur Tc erhöhen. Der Wasserstoff kann bei einer sekundären Reaktion entstehen, wie z. B. als Beiprodukt einer kathodischen Elektrodenreaktion oder während der Oxidation des Reduktionsmittels freigesetzt werden. So zeigt sich dieser Effekt auch bei der erfindungsgemäßen Lösung in nahezu unveränderter Art und Weise, so dass neben verbesserten mechanischen Eigenschaften auch verbesserte primäre Eigenschaften, wie Anwendungstemperatur und Größe der MCE, mit der erfindungsgemäßen Lösung erreicht werden können.With a specially selected coating method, such as the electrochemical coating or coating by electroless plating, hydrogen can be introduced interstitially into the crystal lattice at the same time or elements such. B. Co, Ni, Cu, substituted by diffusion processes Fe and thereby increase the Curie temperature T c . The hydrogen can arise in a secondary reaction, such as. B. be released as a by-product of a cathodic electrode reaction or during the oxidation of the reducing agent. Thus, this effect is also in the solution according to the invention in almost unchanged manner, so that in addition to improved mechanical properties and improved primary properties, such as application temperature and size of the MCE can be achieved with the inventive solution.
Das durch Kompaktierung, z. B. durch Heiß- oder Kaltpressen, oder durch das Schäumen hergestellte erfindungsgemäße magnetische Legierungsmaterial weist offene und/oder geschlossene Poren auf, wobei besonders vorteilhafterweise auch eine reguläre Porosität eingestellt werden kann. Darunter soll erfindungsgemäß verstanden werden, dass die Poren gerichtet im Material angeordnet sind, so dass beispielsweise eine effektive Durchströmung einer (Kühl)Flüssigkeit erreicht werden kann. Eine hohe spezifische Oberfläche des porösen Materials is ebenfalls für einen effektiven Wärmetausch sehr vorteilhaft.The by compaction, z. By hot or cold pressing, or by foaming produced according to the invention magnetic alloy material has open and / or closed Pores on, with particularly advantageously also a regular Porosity can be adjusted. This is understood to mean according to the invention be that the pores are arranged in the material so that for example an effective flow through a (cooling) liquid can be achieved. A high specific surface the porous material is also effective Heat exchange very beneficial.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Porosität weist das erfindungsgemäße magnetische Legierungsmaterial eine Dichte zwischen 50% und 99% der theoretisch erreichbaren Dichte des magnetischen Legierungsmaterials auf.by virtue of has the porosity according to the invention the magnetic alloy material according to the invention a density between 50% and 99% of the theoretically achievable density of the magnetic alloy material.
Im Falle des Einsatzes des Matrixmaterials kann dieses auch ein weiteres Material enthalten oder das weitere Material kann durch Reaktionen des Matrixmaterials oder eines weiteren Materials entstanden sein. Dieses weitere Material kann sich dabei ebenfalls an der Oberfläche der Partikel aus dem magnetischen Legierungsmaterial anlagern.in the If the use of the matrix material, this can also be another Contain material or the other material may be due to reactions of the matrix material or of another material. This additional material can also be on the surface attach the particles of the magnetic alloy material.
Sehr vorteilhaft ist die Reduzierung der magnetischen bzw. thermischen Hysterese, die mit dem erfindungsgemäßen magnetischen Legierungsmaterial erzielt werden kann. Für Anwendungen soll die Hysterese minimiert werden. Durch die Porösität oder die Duktilität der zweiten Phase wird die Volumenänderung oder Ausdehnung nicht verhindert und die Hysterese reduziert.Very advantageous is the reduction of the magnetic or thermal Hysteresis, with the inventive magnetic Alloy material can be achieved. For applications the hysteresis should be minimized. By the porosity or the ductility of the second phase becomes the volume change or does not prevent expansion and reduces hysteresis.
Dabei bleibt die magnetische Entropieänderung nahezu unverändert, d. h. die relative Kühlleistung bleibt groß. Die adiabatische Temperaturänderung ΔTad verringert sich leicht. Vorteilhaft ist aber eine hohe Reproduzierbarkeit nach deutlich mehreren Arbeitszyklen im Vergleich zu einem massiven Material.The magnetic entropy change remains virtually unchanged, ie the relative cooling power remains high. The adiabatic temperature change ΔT ad decreases slightly. However, a high reproducibility after significantly more work cycles in comparison to a solid material is advantageous.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.following the invention is based on two embodiments explained in more detail.
Beispiel 1example 1
Aus den Elementen La, Fe, und Si wird durch ein Induktionsschmelzen und anschließende Wärmebehandlung bei 1050°C für 7 Tage ein Massivmaterial mit der Zusammensetzung LaFe11,6Si1,4 hergestellt. Das resultierende Material besteht zu 97 Gew.-% aus der NaZn13-Typ-Phase und zu 3 Gew.-% aus α-Fe.From the elements La, Fe, and Si, a solid material having the composition LaFe 11.6 Si 1.4 is produced by induction melting and subsequent heat treatment at 1050 ° C. for 7 days. The resulting material consists of 97 wt .-% of the NaZn 13 -type phase and 3 wt .-% of α-Fe.
Anschließend werden 2 Platten mit den Abmessungen von 8 mm × 4 mm × 1 mm aus dem Massivmaterial für die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften geschnitten.Subsequently become 2 plates with dimensions of 8 mm × 4 mm × 1 mm from the solid material for the investigation of the magnetic properties cut.
Das Massivmaterial mit der Zusammensetzung LaFe11,6Si1,4 zeigt bei einer Magnetfeldänderung von 2 Tesla eine maximale Entropieänderung ΔSmax von 162 kJ/m3K bei 194 K. Dabei beträgt die Halbwertsbreite 8 K und die relative Kühlleistung beträgt 1,5 MJ/m3. Die Entropieänderung sowie die relative Kühlleistung bleiben nach der thermischen Wechselbeanspruchung unverändert.The solid material with the composition LaFe 11.6 Si 1.4 shows at a magnetic field change of 2 Tesla a maximum entropy change ΔS max of 162 kJ / m 3 K at 194 K. Here, the half width is 8 K and the relative cooling capacity is 1.5 MJ / m 3 . The entropy change and the relative cooling power remain unchanged after thermal cycling.
Dennoch wird eine Abnahme der adiabatischen Temperaturänderung ΔTad beobachtet. Beim ersten thermischen Zyklus beträgt die maximale adiabatische Temperaturänderung ΔTad max bei einer Magnetfeldänderung von 1,9 Tesla 7,3 K bei 191 K beim Abkühlen von Raumtemperatur. Beim Aufheizen von 170 K auf Raumtemperatur verringert sich die maximale adiabatische Temperaturänderung bei einer Magnetfeldänderung von 1,9 Tesla auf 5,2 K bei 194 K. Dabei beträgt die thermische Hysterese 3 K und magnetische Hysterese bis zu 0,7 T.Nevertheless, a decrease of the adiabatic temperature change ΔT ad is observed. In the first thermal cycle, the maximum adiabatic temperature change ΔT ad max at a magnetic field change of 1.9 Tesla 7.3 K at 191 K when cooling from room temperature. When heating from 170 K to room temperature, the maximum adiabatic temperature change decreases with a magnetic field change from 1.9 Tesla to 5.2 K at 194 K. The thermal hysteresis is 3 K and magnetic hysteresis up to 0.7 T.
Beim zweiten und dritten thermischen Zyklus verringert sich ΔTad max auf 6,7 K und 6,6 K beim Abkühlen von Raumtemperatur und auf 5 K und 4,9 K beim Aufheizen von 170 K auf Raumtemperatur. Dabei beträgt die thermische Hysterese 2,2 K und 2,1 K beim zweiten und dritten thermischen Zyklus.During the second and third thermal cycle, ΔT ad max decreases to 6.7 K and 6.6 K when cooling from room temperature to 5 K and 4.9 K when heating 170 K to room temperature. The thermal hysteresis is 2.2 K and 2.1 K in the second and third thermal cycle.
Die Verringerung der adiabatischen Temperaturänderung und der thermischen Hysterese ist größtenteils auf eine mikroskopische Rissbildung zurückzuführen, die nach mehrmaligen thermischen oder Feldänderungszyklen zum Verlust der mechanischen Integrität führen kann.The Reduction of the adiabatic temperature change and the thermal hysteresis is mostly on one attributed to microscopic cracking, the after repeated thermal or field change cycles for Loss of mechanical integrity can result.
Erfindungsgemäß wird ein poröses, schaumartiges Material aus dem pulverisierten Massivmaterial durch Heisspressen bei Presstemperatur von 600–1423 K und Pressdruck mit einer Größenordnung von ~102–103 MPa hergestellt. Das resultierende Material besteht zu 91 Gew.-% aus der NaZn13-Typ-Phase und zu 9 Gew.-% aus α-Fe. Die Dichte des gepressten Material beträgt je nach Pressbedienungen 70 bis 90% der theoretischen Dichte des Materials der zu 91 Gew.-% aus LaFe11,6Si1,4 und zu 9 Gew.-% aus α-Fe besteht.According to the invention, a porous, foam-like material is produced from the pulverized solid material by hot pressing at a press temperature of 600-1423 K and pressing pressure of the order of magnitude of -10 2 -10 3 MPa. The resulting material consists of 91% by weight of the NaZn 13 -type phase and 9% by weight of α-Fe. Depending on the press operations, the density of the pressed material is 70 to 90% of the theoretical density of the material which consists of 91% by weight of LaFe 11.6 Si 1.4 and 9% by weight of α-Fe.
Für die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden 2 Platten aus einem zylinderförmigen heißgepressten Material mit den Abmessungen von 8 mm × 4 mm × 1 mm geschnitten.For the investigation of the magnetic properties become 2 plates from a cylindrical hot-pressed material cut with the dimensions of 8 mm × 4 mm × 1 mm.
Das heißgepresste Material mit der Zusammensetzung LaFe11,6Si1,4 zeigt bei einer Magnetfeldänderung von 2 Tesla eine maximale Entropieänderung ΔSmax von 110 kJ/m3K bei 194 K. Dabei beträgt die Halbwertsbreite 10,5 K und die relative Kühlleistung beträgt 1,3 MJ/m3. Die Entropieänderung sowie die relative Kühlleistung bleiben nach der thermischen Wechselbeanspruchung unverändert.The hot-pressed material with the composition LaFe 11.6 Si 1.4 shows a maximum entropy change ΔS max of 110 kJ / m 3 K at 194 K with a magnetic field change of 2 Tesla. The half-width is 10.5 K and the relative cooling capacity is 1.3 MJ / m 3 . The entropy change and the relative cooling power remain unchanged after thermal cycling.
Auch die adiabatische Temperaturänderung ΔTad bleibt nach der thermischen und Magnetfeld-Wechselbeanspruchung unverändert und beträgt 4,3 K beim Abkühlen von Raumtemperatur sowie beim Aufheizen von 170 K auf Raumtemperatur bei einer Magnetfeldänderung von 1,9 Tesla. Dabei beträgt die thermische Hysterese weniger als 1 K, d. h. deutlich geringer verglichen mit dem Massivmaterial. Die Magnetfeld-Abhängigkeit der adiabatischen Temperaturänderung ist nahezu Hysterese-frei (weniger als 0,05 T).The adiabatic temperature change ΔT ad also remains unchanged after the thermal and magnetic field alternating stress and is 4.3 K on cooling from room temperature and during heating of 170 K to room temperature with a magnetic field change of 1.9 Tesla. The thermal hysteresis is less than 1 K, ie significantly lower compared to the solid material. The magnetic field dependence of the adiabatic temperature change is nearly hysteresis-free (less than 0.05 T).
Die mechanische Integrität des heißgepressten Materials bleibt nach dem mehrmaligen thermischen oder Feldänderungszyklen erhalten.The mechanical integrity of the hot-pressed material remains after multiple thermal or field change cycles receive.
Beispiel 2Example 2
Aus
den Elementen La, Fe und Si wird mittels eines Lichtbogen-Schmelzverfahrens
eine Legierung mit der Zusammensetzung LaFe11,6Si1,4 hergestellt. Die Legierung wird danach
mit der Oberflächengeschwindigkeit des Kupferrades von
30 m/s rasch erstarrt und anschließend bei 1050°C
für 2 Stunden wärmebehandelt [
Aus den pulverisierten rasch erstarrten Bändern wird ein poröses, schaumartiges Material durch das Pressen bei Raumtemperatur (Kaltpressen) und Pressdruck von 500 MPa hergestellt. Die Abmessungen von der gepressten LaFe11,6Si1,4-Legierung sind 11 mm Durchmesser × 1 mm Höhe und die Dichte beträgt 85% der theoretischen Dichte des Materials.From the pulverized rapidly solidified strips, a porous, foam-like material is produced by pressing at room temperature (cold pressing) and pressing pressure of 500 MPa. The dimensions of the pressed LaFe 11.6 Si 1.4 alloy are 11 mm diameter × 1 mm height and the density is 85% of the theoretical density of the material.
Die kaltgepresste LaFe11,6Si1,4-Legierung zeigt eine maximale magnetische Entropieänderung ΔSmax von 145 kJ/m3K bei 193 K und einer Magnetfeldänderung von 2 Tesla. Dabei beträgt die Halbwertsbreite 8,3 K und die relative Kühlleistung beträgt 1,5 MJ/m3. Die adiabatische Temperaturänderung ΔTad bleibt nach der thermischen und Magnetfeld-Wechselbeanspruchung unverändert und beträgt 4,3 K bei 193 K beim Abkühlen von Raumtemperatur sowie beim Aufheizen von 170 K auf Raumtemperatur bei einer Magnetfeldänderung von 1,9 Tesla. Dabei beträgt die thermische Hysterese weniger als 0,5 K. Die Magnetfeld-Abhängigkeit der adiabatischen Temperaturänderung ist nahezu Hysterese-frei.The cold-pressed LaFe 11.6 Si 1.4 alloy exhibits a maximum magnetic entropy change .DELTA.S max of 145 kJ / m 3 at 193 K K and a change in magnetic field of 2 Tesla. The half width is 8.3 K and the relative cooling capacity is 1.5 MJ / m 3 . The adiabatic temperature change ΔT ad remains unchanged after the thermal and magnetic field alternating stress and is 4.3 K at 193 K on cooling from room temperature and during heating of 170 K to room temperature with a magnetic field change of 1.9 Tesla. The thermal hysteresis is less than 0.5 K. The magnetic field dependence of the adiabatic temperature change is virtually hysteresis-free.
Diese kaltgepresste LaFe11,6Si1,4-Legierung wird bei 400°C in 0,5 MPa Wasserstoffgas hydriert. Die Wasserstoffkonzentration von z = 1.64 wurde mittels Heissextraktion gemessen. Das entspricht einer Zusammensetzung von LaFe11,6Si1,4H1.64.This cold-pressed LaFe 11.6 Si 1.4 alloy is hydrogenated at 400 ° C in 0.5 MPa hydrogen gas. The hydrogen concentration of z = 1.64 was measured by hot extraction. This corresponds to a composition of LaFe 11.6 Si 1.4 H 1.64 .
Nach der Wasserstoffbeladung des kaltgepressten Materials verschiebt sich die Temperatur, bei welcher das Maximum der Entropieänderung oder der adiabatischen Temperaturänderung auftritt, auf 338 K. Die adiabatische Temperaturänderung ΔTad bleibt nach der thermischen und Magnetfeld-Wechselbeanspruchung unverändert und beträgt 3,7 K beim Abkühlen von Raumtemperatur sowie beim Aufheizen von 170 K auf Raumtemperatur bei einer Magnetfeldänderung von 1,9 Tesla. Dabei sind die Temperatur- sowie Magnetfeld-Abhängigkeit der adiabatischen Temperaturänderung nahezu Hysterese-frei.After the hydrogen loading of the cold-pressed material, the temperature at which the maximum of the entropy change or the adiabatic temperature change occurs shifts to 338 K. The adiabatic temperature change ΔT ad remains unchanged after the thermal and magnetic field cycling and is 3.7 K on cooling Room temperature and when heating from 170 K to room temperature with a magnetic field change of 1.9 Tesla. The temperature and magnetic field dependence of the adiabatic temperature change are almost hysteresis-free.
Alternativ werden die rasch erstarrten und wärmebehandelten Bänder bei 400°C in 0,5 MPa Wasserstoffgas hydriert und anschließend bei einer Temperatur von 650 K und einem Pressdruck von 500 MPa hergestellt. Die adiabatische Temperaturänderung ΔTad bleibt nach der thermischen und Magnetfeld-Wechselbeanspruchung unverändert und beträgt 3,6 K bei 335 K bei einer Magnetfeldänderung von 1,9 Tesla. Dabei sind die Temperatur- sowie Magnetfeld-Abhängigkeit der adiabatischen Temperaturänderung nahezu Hysterese-frei.Alternatively, the rapidly solidified and heat-treated ribbons are hydrogenated at 400 ° C in 0.5 MPa of hydrogen gas and then produced at a temperature of 650 K and a compacting pressure of 500 MPa. The adiabatic temperature change ΔT ad remains unchanged after the thermal and magnetic field alternating stress and is 3.6 K at 335 K with a magnetic field change of 1.9 Tesla. The temperature and magnetic field dependence of the adiabatic temperature change are almost hysteresis-free.
Das Pressen bei einer Temperatur von 650 K unter Vakuum kann gleichzeitig zur Einstellung der Curie-Temperatur oder Anwendungstemperatur genutzt werden. Beim Pressen im Vakuum von 1 Pa bei 423 K verschiebt sich die Temperatur, bei welcher das Maximum der Entropieänderung oder adiabatischen Temperaturänderung auftritt, auf 300 K.The Pressing at a temperature of 650 K under vacuum can be done simultaneously used to set the Curie temperature or application temperature become. When pressing in vacuum of 1 Pa at 423 K shifts the temperature at which the maximum of the entropy change or adiabatic temperature change occurs, to 300 K.
Die mechanische Integrität des heiss- oder kaltgepressten Materials oder bei einer Temperatur von 650 gepressten Materials bleibt nach dem mehrmaligen thermischen oder Feldänderungszyklen erhalten.The mechanical integrity of the hot or cold pressed material or at a temperature of 650 pressed material lags behind obtained multiple thermal or field change cycles.
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