Neodyymimagneetti on edelleen tehokkain ja yleisimmin käytetty harvinaisten maametallien kestomagneettimateriaali nykyään. Neodyymimagneetti voidaan luokitella sintrattuun neodyymimagneettiin, sidottuun neodyymimagneettiin ja kuumapuristettuun neodyymimagneettiin valmistusprosessin mukaisesti. Jokaisella muodolla on erilaiset magneettiset ominaisuudet, joten niiden päällekkäinen käyttöalue on pienempi ja täydentävässä suhteessa. Magneettien käyttäjät miettivät, miten neodyymimagneetit valmistetaan. Sintrattu neodyymimagneetti valmistetaan perinteisellä jauhemetallurgisella menetelmällä, ja sillä on ehdoton valta-asema markkinaosuudessa.

Miten neodyymimagneetit valmistetaan?

Sintrattu neodyymimagneetti valmistetaan sulattamalla raaka-aineet tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä induktiosulatusuunissa, jonka jälkeen ne käsitellään nauhavalukoneessa ja jäähdytetään Nd-Fe-B-seosnauhaksi. Seosnauhat jauhetaan hienoksi jauheeksi, jonka halkaisija on useita mikroneja. Hieno jauhe puristetaan sen jälkeen suuntaavaan magneettikenttään ja sintrataan tiiviiksi kappaleiksi. Kappaleet koneistetaan sitten tiettyihin muotoihin, pintakäsitellään ja magnetoidaan.

Punnitus

Hyväksytyn raaka-aineen punnitus liittyy suoraan magneetin koostumuksen tarkkuuteen. Raaka-aineen puhtaus ja kemiallisen koostumuksen vakaus ovat tuotteen laadun perusta. Sintrattu neodyymimagneetti valitsee yleensä harvinaisten maametallien seoksen, kuten praseodyymi-neodyymi Pr-Nd -mischmetallin, lantaani-serium La-Ce -mischmetallin ja dysprosiumrauta Dy-Fe -seoksen materiaaliksi kustannussyistä. Korkean sulamispisteen elementit boori, molybdeeni tai niobium lisätään ferroseoksena. Ruostekerros, sulkeumat, oksidi ja lika raaka-aineen pinnalla on poistettava mikropuhalluskoneella. Lisäksi raaka-aineen tulisi olla sopivan kokoinen, jotta se täyttää myöhemmän sulatusprosessin tehokkuuden. Neodyymillä on alhainen höyrynpaine ja aktiiviset kemialliset ominaisuudet, joten harvinaisten maametallien metallilla on tietty haihtumishäviö ja hapettumishäviö sulatusprosessin aikana, joten sintratun neodyymimagneetin punnitusprosessissa tulisi harkita ylimääräisen harvinaisten maametallien metallin lisäämistä magneetin koostumuksen tarkkuuden varmistamiseksi.

Sulatus ja nauhavalu

Sulatus ja nauhavalu ovat ratkaisevan tärkeitä koostumuksen, kidetilan ja faasin jakautumisen kannalta, mikä vaikuttaa siten myöhempään prosessiin ja magneettiseen suorituskykyyn. Raaka-aine kuumennetaan sulaan tilaan keski- ja matalataajuisella induktiosulatuksella tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä. Valu voidaan suorittaa, kun seossulatus on toteuttanut homogenisoinnin, pakokaasun ja kuonanpoiston. Hyvällä valukappaleen mikrorakenteella tulisi olla hyvin kasvaneita ja hienokokoisia pylväskiteitä, jolloin Nd-rikkaan faasin tulisi jakautua raerajaa pitkin. Lisäksi valukappaleen mikrorakenteessa ei saa olla α-Fe-faasia. Re-Fe-faasidiagrammi osoittaa, että harvinaisten maametallien kolmiarvoinen seos tuottaa väistämättä α-Fe-faasia hitaan jäähtymisen aikana. α-Fe-faasin huoneenlämpötilan pehmeät magneettiset ominaisuudet vahingoittavat vakavasti magneetin magneettista suorituskykyä, joten se on estettävä nopealla jäähdytyksellä. Jotta saavutettaisiin haluttu nopea jäähdytysvaikutus α-Fe-faasin tuotannon estämiseksi, Showa Denko K. K. kehitti nauhavaluteknologian, josta tuli pian rutiinitekniikka teollisuudessa. Nd-rikkaan faasin tasainen jakautuminen ja α-Fe-faasin estovaikutus voivat tehokkaasti vähentää harvinaisten maametallien kokonaismäärää, mikä on suotuisaa korkean suorituskyvyn magneetin valmistukselle ja kustannusten alentamiselle.

Vetyhaurastuminen

Harvinaisten maametallien, seosten tai metallienvälisten yhdisteiden hydrauskäyttäytyminen ja hydridin fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ovat aina olleet tärkeitä kysymyksiä harvinaisten maametallien sovelluksissa. Nd-Fe-B-seosvalukappaleella on myös erittäin voimakas hydraustaipumus. Vetyatomit tunkeutuvat metallienvälisen yhdisteen pääfaasin ja Nd-rikkaan raerajan faasin väliseen interstitiaaliseen kohtaan ja muodostavat interstitiaalisen yhdisteen. Tällöin atomien välinen etäisyys kasvaa ja hilavuus laajenee. Tästä johtuva sisäinen jännitys aiheuttaa raerajojen halkeamia (raerajamurtuma), kidehalkeamia (transkristallinen murtuma) tai sitkeää murtumaa. Nämä haurastumat tulevat paukahduksien kanssa, ja ne tunnetaan siksi vetyhaurastumisena. Sintrattujen neodyymimagneettien vetyhaurastumisprosessia kutsutaan myös HD-prosessiksi. Vetyhaurastumisprosessissa syntyneet raerajojen halkeamat ja kidehalkeamat tekivät NdFeB-karkeasta jauheesta erittäin hauraan ja erittäin edullisen myöhemmälle suihkujauhatusprosessille. Suihkujauhatusprosessin tehokkuuden parantamisen lisäksi vetyhaurastumisprosessi on myös suotuisa hienon jauheen keskimääräisen jauhekoon säätämiselle.

Suihkujauhatus

Suihkujauhatus on osoittautunut käytännöllisimmäksi ja tehokkaimmaksi ratkaisuksi jauheprosessissa. Suihkujauhatus hyödyntää inertin kaasun suurinopeuksista suihkua karkean jauheen kiihdyttämiseksi yliääninopeuteen ja jauheen iskemiseksi toisiinsa. Jauheprosessin perimmäisenä tarkoituksena on etsiä sopiva keskimääräinen hiukkaskoko ja hiukkaskokojakauma. Edellä mainittujen ominaisuuksien ero osoittaa erilaisia ominaisuuksia makroskooppisissa mittakaavoissa, jotka vaikuttavat suoraan jauheen täyttöön, suuntaamiseen, puristamiseen, irrottamiseen ja sintrausprosessissa syntyvään mikrorakenteeseen, mikä vaikuttaa siten herkästi sintratun neodyymimagneetin magneettiseen suorituskykyyn, mekaanisiin ominaisuuksiin, termosähköisyyteen ja kemialliseen stabiilisuuteen. Ihanteellinen mikrorakenne on hieno ja yhtenäinen pääfaasirake, jota ympäröi sileä ja ohut lisäfaasi. Lisäksi pääfaasirakeen helpon magnetoinnin suunnan tulisi olla järjestetty suuntaussuunnan mukaisesti mahdollisimman yhtenäisesti. Huokoset, suuret rakeet tai pehmeä magneettinen faasi johtavat olennaisesti koersitiivisyyden vähenemiseen. Remanenssi ja demagnetointikäyrän neliömäisyys pienenevät samanaikaisesti, kun rakeen helppo magnetoinnin suunta poikkeaa suuntaussuunnasta. Täten seokset tulisi jauhaa yksikiteisiksi hiukkasiksi, joiden halkaisija on 3–5 mikronia.

Puristaminen

Magneettikentän suuntauspuristamisella tarkoitetaan magneettisen jauheen ja ulkoisen magneettikentän välistä vuorovaikutusta jauheen kohdistamiseksi helppoa magnetoinnin suuntaa pitkin ja sen saattamiseksi yhdenmukaiseksi lopullisen magnetoinnin suunnan kanssa. Magneettikentän suuntauspuristaminen on yleisin tapa valmistaa anisotrooppisia magneetteja. Nd-Fe-B-seos on murskattu yksikiteiseksi hiukkaseksi edellisessä suihkujauhatusprosessissa. Yksikiteinen hiukkanen on yksiakselinen anisotropia, ja jokaisella niistä on vain yksi helppo magnetoinnin suunta. Magneettinen jauhe muuttuu yksittäiseksi domeeniksi monidomeenista ulkoisen vaikutuksen alaisena magneettikentän vaikutuksesta sen jälkeen, kun se on täytetty löyhästi muottiin, ja säätää sitten helpon magnetoinnin suuntansa c-akselin yhdenmukaiseksi ulkoisen magneettikentän suunnan kanssa pyörittämällä tai siirtämällä. Seosjauheen c-akseli säilyttää pohjimmiltaan järjestelytilansa puristusprosessin aikana. Puristetut osat tulisi käsitellä demagnetointikäsittelyllä ennen muotista irrottamista. Puristusprosessin tärkein indeksi on suuntausaste. Sintrattujen neodyymimagneettien suuntausaste määräytyy useista tekijöistä, kuten suuntaavan magneettikentän voimakkuudesta, hiukkaskoosta, näennäistiheydestä, puristusmenetelmästä, puristuspaineesta jne.

Sinteröinti

Puristetun osan tiheys voi saavuttaa yli 95 % teoreettisesta tiheydestä sintrausprosessin jälkeen korkeassa tyhjiössä tai puhtaassa inertissä ilmakehässä. Siksi sintratun neodyymimagneetin huokoset ovat suljettuja, mikä varmistaa magneettivuon tiheyden tasaisuuden ja kemiallisen stabiilisuuden. Koska sintrattujen neodyymimagneettien kestomagneettiset ominaisuudet liittyvät läheisesti sen omaan mikrorakenteeseen, lämpökäsittely sintrausprosessin jälkeen on myös kriittinen magneettisen suorituskyvyn, erityisesti olennaisen koersitiivisyyden, säätämiselle. Nd-rikas raerajafaasi toimii nestefaasina, joka voi edistää sintrausreaktiota ja palauttaa pintaviat pääfaasirakeessa. Neodyymimagneetin sintrauslämpötila on yleensä 1050–1180 astetta. Liiallinen lämpötila johtaa rakeiden kasvuun ja vähentää olennaista koersitiivisyyttä. Ihanteellisen olennaisen koersitiivisyyden, demagnetointikäyrän neliömäisyyden ja korkean lämpötilan peruuttamattoman häviön saavuttamiseksi sintrattu neodyymimagneetti on yleensä käsiteltävä kaksivaiheisella karkaisulämpökäsittelyllä 900 ja 500 asteessa.

Koneistus

Kohtuullisen kokoisen tavallisen muodon lisäksi sintratun neodyymimagneetin on vaikea saavuttaa suoraan vaadittua muotoa ja mittatarkkuutta kerralla magneettikentän suuntauspuristusprosessin teknisten rajoitusten vuoksi, joten koneistus on väistämätön prosessi sintratulle neodyymimagneetille. Tyypillisenä cermet-materiaalina sintrattu neodyymimagneetti on huomattavan kova ja hauras, joten vain leikkaus, poraus ja hionta voivat olla sovellettavissa sen koneistusprosessiin perinteisen koneistustekniikan joukossa. Teräleikkaus käyttää tyypillisesti timanttipäällysteistä tai CBN-päällysteistä terää. Lanka- ja laserleikkaus soveltuvat hyvin erikoismuotoisen magneetin koneistukseen, mutta niitä syytetään alhaisesta tuotantotehokkuudesta ja korkeista käsittelykustannuksista samanaikaisesti. Sintrattujen neodyymimagneettien porausprosessissa käytetään ensisijaisesti timanttia ja laseria. On välttämätöntä valita reikäporausprosessi, kun rengasmagneetin sisäreikä on suurempi kuin 4 mm. Reikäporausprosessin sivutuotteena reikäporattua ydintä voidaan käyttää muiden sopivien pienempien magneettien valmistukseen ja siten parantaa merkittävästi materiaalin käyttöastetta. Kopiohiontalaikka valmistetaan hiontapinnan perusteella.

Pintakäsittely

Pinnan suojakäsittely on välttämätön toimenpide neodyymimagneetille, erityisesti sintratulle neodyymimagneetille. Sintrattu neodyymimagneetti sisältää monifaasimikrorakenteen ja koostuu Nd2Fe14B-pääfaasista, Nd-rikkaasta faasista ja B-rikkaasta faasista. Nd-rikkaalla faasilla on erittäin voimakas hapettumistaipumus, ja se muodostaa pääpariston pääfaasin kanssa kosteassa ympäristössä. Pieni määrä substituutioelementtejä pystyy parantamaan magneettien kemiallista stabiilisuutta, mutta se tapahtuu magneettisen suorituskyvyn kustannuksella. Siksi sintratun neodyymimagneetin suojelu on ensisijaisesti suunnattu sen pintaan. Sintrattujen neodyymimagneettien pintakäsittely voidaan luokitella märkäprosessiksi ja kuivaprosessiksi. Märkäprosessilla tarkoitetaan magneetteja, jotka käsitellään pinnan suojakäsittelyssä puhtaassa vedessä tai liuoksessa. Märkäprosessi sisältää fosfaatin, galvanoinnin, sähköttömän pinnoituksen, elektroforeesin, ruiskumaalauksen ja upotuspinnoituksen. Kuivaprosessilla tarkoitetaan magneetteja, jotka käsitellään pinnan suojakäsittelyssä fysikaalisen tai kemiallisen prosessin avulla ilman kosketusta liuokseen. Kuivaprosessi sisältää yleensä fysikaalisen höyrypinnoituksen (PVD) ja kemiallisen höyrypinnoituksen (CVD).

Magnetoituvuus

Suurin osa pysyvistä magneeteista magnetoidaan ennen niiden käyttötarkoituksiin soveltamista. Magnetointiprosessi tarkoittaa magneettikentän soveltamista pysyvän magneetin suuntaussuunnassa ja teknisen kyllästymisen saavuttamista lisääntyneen ulkopuolisen magneettikentän voimakkuuden avulla. Jokainen pysyvän magneettimateriaalin tyyppi tarvitsee erillisen magneettikentän voimakkuuden teknisen kyllästymisen saavuttamiseksi magnetointisuunnassa. Jäännösmagnetismi ja sisäinen koersiivisuus ovat pienempiä kuin niiden arvot, ellei ulkoinen magneettikentän voimakkuus ole teknistä kyllästymiskenttää pienempi. Pysyvä magneetti voidaan jakaa isotrooppiseen ja anisotrooppiseen tyyppiin sen mukaan, onko sillä helppo magnetointisuunta vai ei. Korkean sisäisen koersiivisuuden anisotrooppisena magneettina sintrattu neodyymimagneetti täytyy magnetoida impulssimagneetoinnilla. Kondensaattori ladataan tasasuuntaamisen jälkeen, ja sitten kondensaattorin sähköenergia purkautuu hetkellisesti magnetointilaitteeseen. Magnetointilaite voi tuottaa pulssimagneettikentän hetkellisen voimakkaan virran aikana. Näin ollen kelassa oleva pysyvä magneetti magnetoituu. Sintrattuun neodyymimagneettiin voidaan saavuttaa erilaisia magnetointimalleja, kunhan ne eivät ole ristiriidassa sen suuntaussuunnan kanssa.