Ako sa vyrábajú neodymové magnety?

Spekaný neodýmový magnet sa pripravuje roztavením surovín vo vákuu alebo v inertnej atmosfére v indukčnej taviacej peci, potom sa spracuje na odlievacom zariadení na pásy a ochladí sa na pás zo zliatiny Nd-Fe-B. Prúžky zliatiny sa rozdrvia na prášok, aby vytvorili jemný prášok s priemerom niekoľkých mikrónov. Jemný prášok je následne zhutnený v orientačnom magnetickom poli a spekaný do hustých telies. Telá sú následne opracované do konkrétnych tvarov, povrchovo upravené a zmagnetizované.

Váženie

Váženie kvalifikovanej suroviny priamo súvisí s presnosťou zloženia magnetu. Čistota alebo surovina a stabilita chemického zloženia je základom kvality produktu. Spekaný neodýmový magnet bežne vyberá zliatinu vzácnych zemín, ako je zmiešaný kov Praseodym-Neodym Pr-Nd, zmiešaný kov Lantán-Cerium La-Ce a zliatina Dysprosium Iron Dy-Fe ako materiál z dôvodu ceny. Prvok s vysokou teplotou topenia Bór, molybdén alebo niób sa pridávajú ferozliatinovým spôsobom. Vrstva hrdze, inklúzie, oxidy a nečistoty na povrchu suroviny musia byť odstránené mikrotryskacím strojom. Okrem toho by surovina mala mať vhodnú veľkosť, aby bola dosiahnutá účinnosť v nasledujúcom procese tavenia. Neodym má nízky tlak pár a aktívne chemické vlastnosti, potom kovy vzácnych zemín majú určitý stupeň straty prchavosťou a stratu oxidácie počas procesu tavenia, preto by sa pri procese váženia spekaného neodýmového magnetu malo zvážiť pridanie ďalšieho kovu vzácnych zemín, aby sa zabezpečila presnosť zloženia magnetu.

Tavenie a odlievanie pásov

Tavenie a odlievanie pásov je rozhodujúce pre zloženie, kryštalický stav a distribúciu fázy, čo ovplyvňuje následný proces a magnetický výkon. Surovina sa zahrieva do roztaveného stavu stredno- a nízkofrekvenčným indukčným tavením vo vákuu alebo v inertnej atmosfére. Odlievanie môže byť spracované, keď tavenina zliatiny realizuje homogenizáciu, odsávanie a troskovanie. Dobrá mikroštruktúra liateho ingotu by mala mať dobre vyrastený a jemne veľký stĺpcový kryštál, potom by sa fáza bohatá na Nd mala distribuovať pozdĺž hranice zŕn. Okrem toho by mikroštruktúra liateho ingotu nemala obsahovať -Fe fázu. Fázový diagram Re-Fe ukazuje, že ternárna zliatina vzácnych zemín je nevyhnutná na vytvorenie fázy -Fe počas pomalého chladenia. Mäkké magnetické vlastnosti fázy -Fe pri izbovej teplote vážne poškodia magnetický výkon magnetu, preto musia byť brzdené rýchlym ochladením. Aby sa uspokojil požadovaný rýchly chladiaci účinok na inhibíciu produkcie -Fe fázy, Showa Denko KK vyvinula technológiu pásového odlievania a čoskoro sa stala rutinnou technológiou v tomto odvetví. Rovnomerná distribúcia fázy bohatej na Nd a inhibičný účinok na fázu -Fe môže účinne znížiť celkový obsah vzácnych zemín, čo je priaznivé na výrobu vysokovýkonného magnetu a zníženie nákladov.

Dekrepitácia vodíka

Hydrogenačné správanie kovov vzácnych zemín, zliatin alebo intermetalických zlúčenín a fyzikálno-chemické vlastnosti hydridov boli vždy dôležitým problémom pri aplikácii vzácnych zemín. Ingot zliatiny Nd-Fe-B tiež vykazuje veľmi silnú tendenciu k hydrogenácii. Atómy vodíka vstupujú do intersticiálneho miesta medzi hlavnou fázou intermetalickej zlúčeniny a fázou hraníc zŕn bohatou na Nd a vytvárajú intersticiálnu zlúčeninu. Potom sa medziatómová vzdialenosť zvýšila a objem mriežky sa rozšíril. Výsledné vnútorné napätie spôsobí praskanie na hranici zŕn (medzikryštalický lom), kryštálový lom (transkryštalický lom) alebo tvárny lom. Tieto dekrepitácie prichádzajú s praskaním, a preto sú známe ako dekrepitácia vodíka. Proces dekrepitácie vodíka spekaného neodýmového magnetu sa tiež označuje ako proces HD. Praskanie na hranici zŕn a kryštálový lom, ktoré vznikli v procese dekrepitácie vodíka, spôsobili, že prášok Nd-Fe-B je veľmi krehký a veľmi výhodný pre následný proces tryskového mletia. Okrem zvýšenia účinnosti procesu prúdového mletia je proces dekrepitácie vodíka tiež priaznivý na úpravu priemernej veľkosti prášku jemného prášku.

Tryskové frézovanie

Tryskové mletie sa ukázalo ako najpraktickejšie a najefektívnejšie riešenie v práškovom procese. Tryskové mletie využívajúce vysokorýchlostný prúd inertného plynu na urýchlenie hrubého prášku na nadzvukovú rýchlosť a náraz prášku do seba. Základným účelom práškového procesu je hľadanie vhodnej priemernej veľkosti častíc a distribúcie veľkosti častíc. Odlišnosť vyššie uvedených vlastností vykazuje odlišné charakteristiky v makroskopických mierkach, ktoré priamo ovplyvňujú plnenie prášku, orientáciu, zhutňovanie, vyberanie z formy a mikroštruktúru vytvorenú v procese spekania, následne potom citlivo ovplyvňujú magnetický výkon, mechanické vlastnosti, termoelektrickú a chemickú stabilitu sintrovaného neodýmového magnetu. Ideálna mikroštruktúra je jemné a rovnomerné zrno hlavnej fázy obklopené hladkou a tenkou dodatočnou fázou. Okrem toho by mal byť ľahký smer magnetizácie hlavného fázového zrna usporiadaný pozdĺž smeru orientácie čo najkonzistentnejšie. Dutiny, veľké zrná alebo mäkká magnetická fáza povedú k výraznému zníženiu vnútornej koercitivity. Remanencia a pravouhlosť demagnetizačnej krivky sa súčasne zníži, zatiaľ čo smer ľahkého magnetizácie zrna sa odchyľuje od smeru orientácie. Preto by sa zliatiny mali rozdrviť na monokryštálové častice s priemerom od 3 do 5 mikrónov.

Zhutňovanie

Zhutňovanie orientácie magnetického poľa sa označuje ako využitie interakcie medzi magnetickým práškom a vonkajším magnetickým poľom na zarovnanie prášku pozdĺž ľahkého smeru magnetizácie a jeho konzistentnosť s konečným smerom magnetizácie. Zhutňovanie orientácie magnetického poľa je najbežnejšou cestou výroby anizotropného magnetu. Zliatina Nd-Fe-B bola rozdrvená na častice monokryštálu v predchádzajúcom procese tryskového mletia. Častica monokryštálu je jednoosová anizotropia a každá z nich má iba jeden ľahký smer magnetizácie. Magnetický prášok sa po voľnom naplnení do formy premení na jedinú doménu z viacerých domén pôsobením vonkajšieho magnetického poľa, potom upraví svoju os c ľahkej magnetizácie tak, aby bola v súlade so smerom vonkajšieho magnetického poľa otáčaním alebo pohybom. Os C zliatinového prášku si v podstate zachovala svoj stav usporiadania počas procesu zhutňovania. Zhutnené diely by mali pred demontážou prejsť demagnetizáciou. Najdôležitejším ukazovateľom procesu zhutňovania je stupeň orientácie. Stupeň orientácie spekaných neodymových magnetov je určený rôznymi faktormi, medzi ktoré patrí sila orientačného magnetického poľa, veľkosť častíc, zdanlivá hustota, spôsob zhutňovania, zhutňovací tlak atď.

Spekanie

Hustota zhutnenej časti môže dosiahnuť viac ako 95 % teoretickej hustoty po spracovanom procese spekania vo vysokom vákuu alebo v čistej inertnej atmosfére. Preto sú dutiny v spekanom neodymovom magnete uzavreté, čo zaisťuje rovnomernosť hustoty magnetického toku a chemickú stabilitu. Pretože permanentné magnetické vlastnosti sintrovaných neodýmových magnetov úzko súvisia s ich vlastnou mikroštruktúrou, tepelné spracovanie po procese spekania je tiež rozhodujúce pre nastavenie magnetického výkonu, najmä vnútornej koercitivity. Fáza na hranici zŕn bohatá na Nd slúži ako kvapalná fáza, ktorá je schopná podporiť spekaciu reakciu a obnoviť povrchové defekty na zrne hlavnej fázy. Teplota spekania neodymového magnetu sa bežne pohybuje od 1050 do 1180 stupňov Celzia. Nadmerná teplota povedie k rastu zŕn a zníženiu vnútornej koercitivity. Aby sa dosiahla ideálna vlastná koerciivita, pravouhlosť demagnetizačnej krivky a vysoká teplota ireverzibilná strata, spekaný neodýmový magnet zvyčajne potrebuje spracovať dvojstupňové temperovacie tepelné spracovanie pri 900 a 500 stupňoch Celzia.

Obrábanie

Okrem bežného tvaru s miernou veľkosťou je sintrovaný neodýmový magnet ťažké priamo dosiahnuť požadovaný tvar a rozmerovú presnosť naraz kvôli technickým obmedzeniam v procese zhutňovania orientácie magnetického poľa, takže obrábanie je pre sintrovaný neodýmový magnet nevyhnutný proces . Ako typický cermetový materiál je sintrovaný neodymový magnet značne tvrdý a krehký, na jeho obrábanie je možné medzi konvenčnou technológiou obrábania použiť iba rezanie, vŕtanie a brúsenie. Na rezanie čepele sa zvyčajne používa čepeľ potiahnutá diamantom alebo CBN. Drôtové rezanie a rezanie laserom sú vhodné na obrábanie špeciálne tvarovaných magnetov, ale zároveň sú obviňované z nízkej efektívnosti výroby a vysokých nákladov na spracovanie. Proces vŕtania spekaného neodýmového magnetu je primárne využívaný diamantom a laserom. Trepanačný proces je potrebné zvoliť, keď je vnútorný otvor prstencového magnetu väčší ako 4 mm. Ako vedľajší produkt v procese trepanácie sa trepanované jadro môže použiť na výrobu iného vhodného menšieho magnetu a tým výrazne zvýšiť pomer využitia materiálu. Brúsny kotúč na kopírovacie brúsenie sa vyrába na základe brúsnej plochy.

Povrchová úprava

Povrchová ochranná úprava je nevyhnutný postup pre neodymový magnet, najmä sintrovaný neodymový magnet. Spekaný neodýmový magnet má viacfázovú mikroštruktúru a pozostáva z Nd₂Fe₁₄Hlavná fáza B, fáza bohatá na Nd a fáza bohatá na B. Fáza bohatá na Nd má veľmi silnú tendenciu k oxidácii a vo vlhkom prostredí bude predstavovať primárnu batériu s hlavnou fázou. Malé množstvo substitučných prvkov je schopné zvýšiť chemickú stabilitu magnetov, ale prichádza na úkor magnetického výkonu. Preto je ochrana spekaného neodýmového magnetu zameraná predovšetkým na jeho povrch. Povrchovú úpravu spekaného neodýmového magnetu možno rozdeliť na mokrý proces a suchý proces. Mokrým procesom sa rozumie, že magnety sú spracované povrchovou ochrannou úpravou v čistej vode alebo roztoku. Mokrý proces zahŕňa fosfátovanie, galvanické pokovovanie, elektrolytické pokovovanie, elektroforézu, nanášanie striekaním a ponáranie. Suchý proces znamená, že magnety sú spracované povrchovou ochrannou úpravou fyzikálnym alebo chemickým procesom bez kontaktu s roztokom. Suchý proces vo všeobecnosti zahŕňa fyzikálne nanášanie pár (PVD) a chemické nanášanie pár (CVD).

Magnetizácia

Väčšina permanentných magnetov je pred použitím na zamýšľané použitie zmagnetizovaná. Proces magnetizácie sa týka aplikácie magnetického poľa pozdĺž smeru orientácie permanentného magnetu a dosiahnutia technického nasýtenia so zvýšenou intenzitou vonkajšieho magnetického poľa. Každý typ permanentného magnetického materiálu potrebuje odlišnú intenzitu magnetického poľa, aby splnil technickú saturáciu v smere magnetizácie. Remanencia a vnútorná koercivita budú menšie ako príslušné hodnoty, pokiaľ sila vonkajšieho magnetického poľa nebude nižšia ako technická saturácia magnetického poľa. Permanentný magnet možno rozdeliť na izotropný typ a anizotropný typ podľa toho, či má ľahký smer magnetizácie alebo nie. Ako anizotropný magnet s vysokou vnútornou koercitivitou je potrebné sintrovaný neodymový magnet zmagnetizovať impulznou magnetizáciou. Kondenzátor sa nabije po usmernení, potom sa elektrická energia v kondenzátore okamžite vybije do magnetizačného prípravku. Magnetizačný prípravok môže generovať pulzné magnetické pole počas okamžitého silného prúdu cez neho. Preto bude permanentný magnet v cievke magnetizovaný. Na spekanom neodymovom magnete je možné dosiahnuť rôzne vzory magnetizácie, pokiaľ nie sú v rozpore s jeho orientáciou.