Einfluss der Konvektion auf das Wachstum einer hartmagnetischen Phase in einer unterkühlten Neodym-Eisen-Bor-Legierung



Die leistungsfähigsten Magnete für die Anwendung in Forschung, Industrie und Medizin werden auf der Basis von Neodym-Eisen-Bor-Legierungen hergestellt. Eingesetzt werden sie etwa in Ablenkeinheiten von Teilchenbeschleunigern, Elektromotoren oder in Kernspintomographen. Die herausragenden magnetischen Eigenschaften werden zum einen von den Volumenanteilen der hartmagnetischen, ohne äußeres elektro-magnetisches Feld nicht veränderbaren Magnetisierungsphase gegenüber anderer Phasen bestimmt. Zum anderen werden sie von dem mikrostrukturellen Wachstum dieser Phase beeinflusst.

Die allgemeine Zielsetzung der Untersuchungen besteht darin, schon bei der Herstellung der Legierung aus dem schmelzflüssigen Zustand die Strukturbildung zu steuern. Hierzu werden Parameter wie die Unterkühlung der Schmelze, die Abkühlgeschwindigkeit, die Zusammensetzung und die Reduktion von elektromagnetischen Rühreffekten genau bestimmt.

In Erstarrungsexperimenten, die in Laboren unter "normalen" Schwerkraftbedingungen durchgeführt werden, ist die Probe stets elektromagnetischen Rühreffekten mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von einem Meter pro Sekunde ausgesetzt. Sie beeinflussen die Kristallisationskinetik und die Ausbildung der Gefügestruktur. Um diesen Einfluss abschätzen zu können, werden während des Parabelfluges stimulierte Erstarrungen der hartmagnetischen Phase in Neodym-Eisen-Bor-Legierungen unter stark reduzierten Konvektionsbedingungen durchgeführt.

Dazu wird die Probe in der Schwerelosigkeit aufgeschmolzen, bis etwa 50 Grad Celsius unter ihre Schmelztemperatur unterkühlt und durch eine Nadelberührung zur Kristallisation angeregt. Bei der Erstarrung der Probe aus dem unterkühlten Zustand heraus und dem damit verbundenen Freiwerden der Wärme ("Erstarrungswärme") lässt sich das Fortschreiten der Erstarrungsfront anhand der intensiveren Lichtabstrahlung mit einem Videokamerasystem beobachten.

Anschließend werden die so gewonnenen Ergebnisse mit Experimenten im Erdlabor verglichen und im Rahmen von Keimbildungs- und Wachstumsmodellen ausgewertet. Das Parabelflugexperiment ist Teil eines deutsch-japanischen Kooperationsprojektes. Es untersucht die Strukturbildung in speziellen magnetischen und magnetostriktiven Legierungen von Übergangsmetallen (etwa Eisen und Kobalt) und Seltenen Erden (wie Neodym, Terbium und Samarium).


Kontakt
Dipl.-Phys. Jörn Strohmenger
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Materialphysik im Weltraum

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