Cómo fabricar un imán NdFeB

¿Cómo se fabrican los imanes de neodimio?

El imán de neodimio sinterizado se prepara fundiendo las materias primas al vacío o en atmósfera inerte en un horno de fusión por inducción, luego se procesan en el colador de tiras y se enfrían para formar una tira de aleación Nd-Fe-B. Las tiras de aleación se pulverizan para formar un polvo fino con varios micrones de diámetro. El polvo fino se compacta posteriormente en un campo magnético de orientación y se sinteriza en cuerpos densos. Luego, los cuerpos se mecanizan con las formas específicas, se tratan en la superficie y se magnetizan.

Pesaje

El pesaje de materia prima calificada está directamente relacionado con la precisión de la composición del imán. La pureza o la materia prima y la estabilidad de la composición química es la base de la calidad del producto. El imán de neodimio sinterizado normalmente selecciona aleaciones de tierras raras como Praseodimio-Neodimio Pr-Nd mischmetal, Lantano-Cerio La-Ce mischmetal y Hierro Disprosio Dy-Fe como material por razones de coste. Se añaden elementos de alto punto de fusión como Boro, Molibdeno o Niobio en forma de ferroaleación. La capa de óxido, la inclusión, el óxido y la suciedad en la superficie de la materia prima deben eliminarse mediante una máquina de microchorreado. Además, la materia prima debe tener un tamaño adecuado para cumplir con la eficiencia en el proceso de fusión posterior. El neodimio posee una baja presión de vapor y propiedades químicas activas, por lo que el metal de tierras raras presenta un cierto grado de pérdida por volatilización y pérdida por oxidación durante el proceso de fusión, por lo tanto, el proceso de pesaje del imán de neodimio sinterizado debe considerar agregar metal de tierras raras adicional para garantizar la precisión de la composición del imán.

Fusión y colado en tira

La fusión y el colado en tira son cruciales para la composición, el estado cristalino y la distribución de la fase, lo que impacta en el proceso posterior y el rendimiento magnético. Las materias primas se calientan hasta el estado fundido a través de la fusión por inducción de media y baja frecuencia en un vacío o atmósfera inerte. El colado se puede procesar cuando la fusión de aleación se homogeneiza, se agota y se escoria. Una buena microestructura de lingote de fundición debe poseer un cristal columnar bien desarrollado y de tamaño fino, y la fase rica en Nd debe distribuirse a lo largo del límite de grano. Además, la microestructura de lingote de fundición debe estar libre de fase α-Fe. El diagrama de fase Re-Fe indica que la aleación ternaria de tierras raras es inevitable para producir la fase α-Fe durante el enfriamiento lento. Las propiedades magnéticas blandas a temperatura ambiente de la fase α-Fe dañarán gravemente el rendimiento magnético del imán, por lo que deben inhibirse mediante un enfriamiento rápido. Para satisfacer el efecto de enfriamiento rápido deseado para inhibir la producción de la fase α-Fe, Showa Denko K. K., desarrolló la tecnología de colado en tira y pronto se convirtió en tecnología de rutina dentro de la industria. La distribución uniforme de la fase rica en Nd y el efecto inhibidor sobre la fase α-Fe pueden reducir eficazmente el contenido total de tierras raras, lo que es favorable para fabricar imanes de alto rendimiento y reducir costes.

Decremento de hidrógeno

El comportamiento de hidrogenación de metales de tierras raras, aleaciones o compuestos intermetálicos y las propiedades fisicoquímicas del hidruro han sido siempre un tema importante en la aplicación de tierras raras. El lingote de aleación Nd-Fe-B también presenta una tendencia a la hidrogenación muy fuerte. Los átomos de hidrógeno entran en el sitio intersticial entre la fase principal del compuesto intermetálico y la fase del límite de grano rica en Nd y forman un compuesto intersticial. Luego, la distancia interatómica aumenta y el volumen de la red se expande. La tensión interna resultante producirá agrietamiento del límite de grano (fractura intergranular), fractura del cristal (fractura transcristalina) o fractura dúctil. Este decrecimiento viene con un crujido y por lo tanto se conoce como decrecimiento de hidrógeno. El proceso de decrecimiento de hidrógeno del imán de neodimio sinterizado también se conoce como proceso HD. El agrietamiento del límite de grano y la fractura del cristal que se generaron en el proceso de decrecimiento de hidrógeno hicieron que el polvo grueso de NdFeB sea muy frágil y altamente ventajoso para el proceso de molienda por chorro posterior. Además de mejorar la eficiencia del proceso de molienda por chorro, el proceso de decrecimiento de hidrógeno también es favorable para ajustar el tamaño de polvo promedio del polvo fino.

Molienda por chorro

La molienda por chorro ha demostrado ser la solución más práctica y eficiente en el proceso de polvo. La molienda por chorro utiliza un chorro de gas inerte a alta velocidad para acelerar el polvo grueso a una velocidad supersónica e impactar el polvo entre sí. El propósito básico del proceso de polvo es buscar el tamaño de partícula promedio y la distribución de tamaño de partícula apropiados. La diferencia de las características anteriores exhibe diferentes características en escalas macroscópicas que impactan directamente en el llenado de polvo, la orientación, la compactación, el desmolde y la microestructura generada en el proceso de sinterización, y luego influyen sensiblemente en el rendimiento magnético, las propiedades mecánicas, la termoelectricidad y la estabilidad química del imán de neodimio sinterizado. La microestructura ideal es de grano de fase principal fino y uniforme rodeado por una fase adicional lisa y delgada. Además, la dirección de fácil magnetización del grano de fase principal debe estar dispuesta a lo largo de la dirección de orientación lo más consistente posible. Los vacíos, los granos grandes o la fase magnética blanda conducirán a una reducción significativa en la coercitividad intrínseca. La remanencia y la cuadratura de la curva de desmagnetización disminuirán simultáneamente mientras que la dirección de fácil magnetización del grano se desvía de la dirección de orientación. Por lo tanto, las aleaciones deben pulverizarse hasta partículas de monocristal que oscilen entre 3 y 5 micrones de diámetro.

Compactación

La compactación por orientación de campo magnético se refiere a la utilización de la interacción entre el polvo magnético y el campo magnético externo para alinear el polvo a lo largo de la dirección de fácil magnetización y hacer que sea coherente con la dirección de magnetización final. La compactación por orientación de campo magnético es la vía más común para fabricar imanes anisotrópicos. La aleación Nd-Fe-B se ha triturado en la partícula de cristal único en el proceso de molienda por chorro anterior. La partícula de cristal único es una anisotropía uniaxial y cada una de ellas tiene solo una dirección de fácil magnetización. El polvo magnético se transformará en el dominio único a partir de múltiples dominios bajo la acción de un campo magnético externo después de ser llenado holgadamente en el molde, luego ajustará su eje c de dirección de fácil magnetización para que sea consistente con la dirección del campo magnético externo a través de la rotación o el movimiento. El eje c del polvo de aleación básicamente retuvo su estado de disposición durante el proceso de compactación. Las piezas compactadas deben someterse a un tratamiento de desmagnetización antes del desmolde. El índice más importante del proceso de compactación es el grado de orientación. El grado de orientación de los imanes de neodimio sinterizados está determinado por varios factores, incluyendo la fuerza del campo magnético de orientación, el tamaño de las partículas, la densidad aparente, el método de compactación, la presión de compactación, etc.

Sinterización

La densidad de la pieza compactada puede alcanzar más del 95% de la densidad teórica después de ser procesada en el proceso de sinterización bajo alto vacío o atmósfera inerte pura. Por lo tanto, los vacíos en el imán de neodimio sinterizado se cierran, lo que garantiza la uniformidad de la densidad de flujo magnético y la estabilidad química. Dado que las propiedades magnéticas permanentes de los imanes de neodimio sinterizados están estrechamente relacionadas con su propia microestructura, el tratamiento térmico después del proceso de sinterización también es crítico para el ajuste del rendimiento magnético, especialmente la coercitividad intrínseca. La fase del límite de grano rica en Nd sirve como fase líquida que puede promover la reacción de sinterización y restaurar los defectos de la superficie en el grano de fase principal. La temperatura de sinterización del imán de neodimio comúnmente oscila entre 1050 y 1180 grados Celsius. La temperatura excesiva conducirá al crecimiento del grano y disminuirá la coercitividad intrínseca. Para obtener la coercitividad intrínseca ideal, la cuadratura de la curva de desmagnetización y la pérdida irreversible a alta temperatura, el imán de neodimio sinterizado generalmente necesita procesar un tratamiento térmico de templado de dos etapas a 900 y 500 grados Celsius.

Mecanizado

Además de la forma regular con un tamaño moderado, el imán de neodimio sinterizado es difícil de lograr directamente la forma y la precisión dimensional requeridas de una vez debido a las limitaciones técnicas en el proceso de compactación por orientación del campo magnético, por lo tanto, el mecanizado es un proceso inevitable para el imán de neodimio sinterizado. Como material cerámico típico, el imán de neodimio sinterizado es considerablemente duro y frágil, por lo que solo el corte, la perforación y el esmerilado pueden ser aplicables a su proceso de mecanizado entre la tecnología de mecanizado convencional. El corte con cuchilla normalmente utiliza una cuchilla recubierta de diamante o CBN. El corte con alambre y el corte por láser son muy adecuados para el mecanizado de imanes de forma especial, pero se acusan de baja eficiencia de producción y alto coste de procesamiento al mismo tiempo. El proceso de perforación del imán de neodimio sinterizado se adopta principalmente con diamante y láser. Es necesario seleccionar el proceso de trepanado cuando el orificio interior del imán anular es superior a 4 mm. Como subproducto en el proceso de trepanado, el núcleo trepanado se puede utilizar para fabricar otros imanes más pequeños adecuados y, por lo tanto, mejorar significativamente la relación de utilización del material. La muela para el esmerilado de copias se produce sobre la base de la superficie de esmerilado.