วิธีทำแม่เหล็ก NdFeB

แม่เหล็กนีโอดิเมียมผลิตขึ้นได้อย่างไร?

แม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกจัดเตรียมโดยการหลอมวัตถุดิบภายใต้สุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อยในเตาหลอมแบบเหนี่ยวนำ จากนั้นนำไปผ่านกระบวนการในเครื่องหล่อแบบแผ่นและทำให้เย็นลงเพื่อสร้างแผ่นโลหะผสม Nd-Fe-B แผ่นโลหะผสมจะถูกบดเป็นผงละเอียดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางหลายไมโครเมตร ผงละเอียดจะถูกอัดแน่นในสนามแม่เหล็กเพื่อจัดเรียง และนำไปเผาผนึกเป็นก้อนทึบ จากนั้นก้อนจะถูกนำไปกลึงให้ได้รูปร่างที่ต้องการ, ผ่านการปรับสภาพผิว และทำให้เป็นแม่เหล็ก

การชั่งน้ำหนัก

การชั่งน้ำหนักวัตถุดิบที่ผ่านการตรวจสอบแล้วมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความแม่นยำของส่วนประกอบแม่เหล็ก ความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบและความเสถียรขององค์ประกอบทางเคมีเป็นรากฐานของคุณภาพผลิตภัณฑ์ โดยปกติแล้วแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกจะเลือกใช้โลหะผสมแร่หายาก เช่น พราซีโอดีเมียม-นีโอดิเมียม (Pr-Nd mischmetal), แลนทานัม-ซีเรียม (La-Ce mischmetal) และโลหะผสมดิสโพรเซียม-เหล็ก (Dy-Fe alloy) เป็นวัสดุด้วยเหตุผลด้านต้นทุน ธาตุที่มีจุดหลอมเหลวสูงอย่างโบรอน, โมลิบดีนัม หรือไนโอเบียมจะถูกเติมในรูปของโลหะผสมเหล็ก ชั้นสนิม, สิ่งเจือปน, ออกไซด์ และสิ่งสกปรกบนพื้นผิววัตถุดิบจำเป็นต้องถูกกำจัดด้วยเครื่องพ่นทรายขนาดเล็ก นอกจากนี้ วัตถุดิบควรมีขนาดที่เหมาะสมเพื่อให้มีประสิทธิภาพในกระบวนการหลอมถัดไป นีโอดิเมียมมีแรงดันไอต่ำและคุณสมบัติทางเคมีที่ว่องไว ดังนั้นโลหะแร่หายากจึงมีการสูญเสียจากการระเหยและการสูญเสียจากการเกิดออกซิเดชันในระดับหนึ่งระหว่างกระบวนการหลอม ดังนั้นกระบวนการชั่งน้ำหนักของแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกจึงควรพิจารณาเพิ่มโลหะแร่หายากเพิ่มเติมเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำของส่วนประกอบแม่เหล็ก

การหลอมและการหล่อแบบแผ่น

การหลอมและการหล่อแบบแผ่นเป็นสิ่งสำคัญต่อองค์ประกอบ, สถานะผลึก และการกระจายตัวของเฟส ซึ่งส่งผลกระทบต่อกระบวนการถัดไปและประสิทธิภาพทางแม่เหล็ก วัตถุดิบจะถูกให้ความร้อนจนหลอมละลายผ่านการเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางและต่ำภายใต้สุญญากาศหรือบรรยากาศเฉื่อย การหล่อสามารถดำเนินการได้เมื่อโลหะผสมที่หลอมเหลวเป็นเนื้อเดียวกัน, กำจัดแก๊ส และกำจัดสิ่งสกปรก โครงสร้างจุลภาคของแท่งหล่อที่ดีควรมีผลึกรูปแท่งที่เติบโตได้ดีและมีขนาดละเอียด จากนั้นเฟสที่อุดมด้วย Nd ควรจะกระจายตัวตามขอบเกรน นอกจากนี้ โครงสร้างจุลภาคของแท่งหล่อจะต้องไม่มีเฟส α-Fe แผนภาพเฟส Re-Fe บ่งชี้ว่าโลหะผสมแร่หายากสามองค์ประกอบจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะเกิดเฟส α-Fe ระหว่างการเย็นตัวอย่างช้าๆ คุณสมบัติทางแม่เหล็กอ่อนที่อุณหภูมิห้องของเฟส α-Fe จะทำลายประสิทธิภาพทางแม่เหล็กของแม่เหล็กอย่างรุนแรง ดังนั้นจึงต้องยับยั้งด้วยการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว เพื่อให้ได้ผลการเย็นตัวอย่างรวดเร็วที่ต้องการเพื่อยับยั้งการผลิตเฟส α-Fe บริษัท Showa Denko K.K. ได้พัฒนาเทคโนโลยีการหล่อแบบแผ่น (Strip Casting Technology) และในไม่ช้าก็กลายเป็นเทคโนโลยีประจำในอุตสาหกรรม การกระจายตัวของเฟสที่อุดมด้วย Nd ที่สม่ำเสมอและผลการยับยั้งเฟส α-Fe สามารถลดปริมาณแร่หายากทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเอื้อต่อการผลิตแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพสูงและลดต้นทุน

การแตกตัวด้วยไฮโดรเจน

พฤติกรรมการเติมไฮโดรเจนของโลหะแร่หายาก, โลหะผสม หรือสารประกอบระหว่างโลหะ และคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของสารประกอบไฮไดรด์เป็นประเด็นสำคัญเสมอในการประยุกต์ใช้แร่หายาก แท่งโลหะผสม Nd-Fe-B ยังแสดงแนวโน้มการเติมไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งมาก อะตอมของไฮโดรเจนจะเข้าไปในตำแหน่งช่องว่างระหว่างเฟสหลักของสารประกอบระหว่างโลหะและเฟสขอบเกรนที่อุดมด้วย Nd และก่อตัวเป็นสารประกอบช่องว่าง จากนั้นระยะห่างระหว่างอะตอมจะเพิ่มขึ้นและปริมาตรโครงสร้างตาข่ายจะขยายตัว ความเค้นภายในที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการแตกร้าวของขอบเกรน (การแตกหักระหว่างเกรน), การแตกหักของผลึก (การแตกหักข้ามผลึก) หรือการแตกหักแบบเหนียว การแตกตัวเหล่านี้มาพร้อมกับเสียงแตกและจึงเป็นที่รู้จักในชื่อการแตกตัวด้วยไฮโดรเจน (hydrogen decrepitation) กระบวนการแตกตัวด้วยไฮโดรเจนของแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกยังถูกอ้างถึงว่าเป็นกระบวนการ HD การแตกร้าวของขอบเกรนและการแตกหักของผลึกที่เกิดขึ้นในกระบวนการแตกตัวด้วยไฮโดรเจนทำให้ ผงหยาบ NdFeB มีความเปราะบางมากและได้เปรียบอย่างมากในกระบวนการเจ็ตมิลลิ่งถัดไป นอกจากการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเจ็ตมิลลิ่งแล้ว กระบวนการแตกตัวด้วยไฮโดรเจนยังเอื้อต่อการปรับขนาดผงเฉลี่ยของผงละเอียดอีกด้วย

การเจ็ตมิลลิ่ง

การเจ็ตมิลลิ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่ใช้ได้จริงและมีประสิทธิภาพที่สุดในกระบวนการผลิตผง การเจ็ตมิลลิ่งใช้ไอพ่นความเร็วสูงของก๊าซเฉื่อยเพื่อเร่งความเร็วผงหยาบให้มีความเร็วเหนือเสียงและทำให้ผงกระแทกกันเอง วัตถุประสงค์หลักของกระบวนการผงคือการค้นหาขนาดอนุภาคเฉลี่ยและการกระจายขนาดอนุภาคที่เหมาะสม ความแตกต่างของคุณสมบัติข้างต้นแสดงลักษณะที่แตกต่างกันในระดับมหภาคซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการเติมผง, การจัดเรียง, การอัดแน่น, การถอดแบบ และโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นในกระบวนการเผาผนึก ซึ่งจากนั้นจะส่งผลต่อประสิทธิภาพทางแม่เหล็ก, คุณสมบัติทางกล, คุณสมบัติทางเทอร์โมอิเล็กทริก และความเสถียรทางเคมีของแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึก โครงสร้างจุลภาคในอุดมคติคือเกรนเฟสหลักที่ละเอียดและสม่ำเสมอซึ่งล้อมรอบด้วยเฟสเสริมที่เรียบและบาง นอกจากนี้ ทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่ายของเกรนเฟสหลักควรจัดเรียงตามทิศทางการจัดเรียงให้สอดคล้องกันมากที่สุดเท่าที่จะทำได้ ช่องว่าง, เกรนขนาดใหญ่ หรือเฟสแม่เหล็กอ่อนจะนำไปสู่การลดค่าสภาพบังคับในตัวอย่าง (intrinsic coercivity) อย่างมีนัยสำคัญ ค่าสภาพแม่เหล็กตกค้าง (remanence) และความสม่ำเสมอของเส้นโค้งลดสภาพแม่เหล็ก (squareness of the demagnetization curve) จะลดลงพร้อมกันในขณะที่ทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่ายของเกรนเบี่ยงเบนจากทิศทางการจัดเรียง ดังนั้น โลหะผสมควรถูกบดเป็นอนุภาคผลึกเดี่ยวที่มีขนาดตั้งแต่ 3 ถึง 5 ไมโครเมตรในเส้นผ่านศูนย์กลาง

การอัดแน่น

การอัดแน่นในสนามแม่เหล็กเพื่อจัดเรียงหมายถึงการใช้ปฏิกิริยาระหว่างผงแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กภายนอกเพื่อจัดเรียงผงตามทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่ายและทำให้สอดคล้องกับทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กขั้นสุดท้าย การอัดแน่นในสนามแม่เหล็กเพื่อจัดเรียงเป็นเส้นทางที่พบได้บ่อยที่สุดในการผลิตแม่เหล็กแบบไม่เท่ากันทุกทิศทาง (anisotropic magnet) โลหะผสม Nd-Fe-B ได้ถูกบดเป็นอนุภาคผลึกเดี่ยวในกระบวนการเจ็ตมิลลิ่งก่อนหน้านี้ อนุภาคผลึกเดี่ยวมีความไม่เท่ากันทุกทิศทางแบบแกนเดียวและแต่ละอนุภาคมีทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่ายเพียงทิศทางเดียว ผงแม่เหล็กจะเปลี่ยนจากหลายโดเมนเป็นโดเมนเดียวภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก หลังจากถูกเติมลงในแม่พิมพ์อย่างหลวมๆ จากนั้นปรับแกน c ซึ่งเป็นทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่ายให้สอดคล้องกับทิศทางสนามแม่เหล็กภายนอกผ่านการหมุนหรือการเคลื่อนที่ แกน c ของผงโลหะผสมโดยพื้นฐานแล้วจะรักษาสถานะการจัดเรียงไว้ระหว่างกระบวนการอัดแน่น ชิ้นส่วนที่อัดแน่นควรผ่านการบำบัดลดสภาพแม่เหล็กก่อนการถอดแบบ ดัชนีที่สำคัญที่สุดของกระบวนการอัดแน่นคือระดับการจัดเรียง (orientation degree) ระดับการจัดเรียงของแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกถูกกำหนดโดยปัจจัยต่างๆ รวมถึงความแรงของสนามแม่เหล็กเพื่อจัดเรียง, ขนาดอนุภาค, ความหนาแน่นปรากฏ, วิธีการอัดแน่น, แรงดันในการอัดแน่น, เป็นต้น

การเผาให้เชื่อมเป็นเนื้อเดียวกัน

ความหนาแน่นของชิ้นส่วนที่อัดแน่นสามารถทำได้มากกว่า 95% ของความหนาแน่นตามทฤษฎีหลังจากผ่านกระบวนการเผาผนึกภายใต้สุญญากาศสูงหรือบรรยากาศเฉื่อยบริสุทธิ์ ดังนั้นช่องว่างในแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกจึงปิดลงซึ่งทำให้มั่นใจในความสม่ำเสมอของความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กและความเสถียรทางเคมี เนื่องจากคุณสมบัติทางแม่เหล็กถาวรของแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างจุลภาคของมันเอง การอบชุบด้วยความร้อนหลังกระบวนการเผาผนึกจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับประสิทธิภาพทางแม่เหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าสภาพบังคับในตัวอย่าง เฟสขอบเกรนที่อุดมด้วย Nd ทำหน้าที่เป็นเฟสของเหลวซึ่งสามารถส่งเสริมปฏิกิริยาการเผาผนึกและฟื้นฟูข้อบกพร่องบนพื้นผิวของเกรนเฟสหลัก อุณหภูมิการเผาผนึกของแม่เหล็กนีโอดิเมียมโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 1050 ถึง 1180 องศาเซลเซียส อุณหภูมิที่สูงเกินไปจะนำไปสู่การเติบโตของเกรนและลดค่าสภาพบังคับในตัวอย่าง เพื่อให้ได้ค่าสภาพบังคับในตัวอย่างในอุดมคติ, ความสม่ำเสมอของเส้นโค้งลดสภาพแม่เหล็ก และการสูญเสียที่แก้ไขไม่ได้ที่อุณหภูมิสูง แม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกมักจะต้องผ่านการอบชุบด้วยความร้อนแบบแบ่งสองขั้นตอนที่ 900 และ 500 องศาเซลเซียส

การกลึง

นอกเหนือจากรูปร่างปกติที่มีขนาดปานกลางแล้ว แม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกยังยากที่จะได้รูปร่างและความแม่นยำของมิติที่ต้องการได้ในครั้งเดียวเนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิคในกระบวนการอัดแน่นในสนามแม่เหล็กเพื่อจัดเรียง ดังนั้นการกลึงจึงเป็นกระบวนการที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึก ในฐานะที่เป็นวัสดุเซรามิกโลหะทั่วไป แม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกมีความแข็งและเปราะอย่างมาก ดังนั้นจึงมีการตัด, การเจาะ และการเจียรเท่านั้นที่สามารถ นำมาประยุกต์ใช้กับกระบวนการกลึงได้ในบรรดาเทคโนโลยีการกลึงแบบดั้งเดิม การตัดด้วยใบมีดมักจะใช้ใบมีดเคลือบเพชรหรือเคลือบ CBN การตัดด้วยลวดและการตัดด้วยเลเซอร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการกลึงแม่เหล็กที่มีรูปร่างพิเศษ แต่ถูกกล่าวหาว่ามีประสิทธิภาพในการผลิตต่ำและมีต้นทุนการผลิตสูงในขณะเดียวกัน กระบวนการเจาะของแม่เหล็กนีโอดิเมียมชนิดเผาผนึกส่วนใหญ่ใช้เพชรและเลเซอร์ จำเป็นต้องเลือกกระบวนการคว้านแกนเมื่อรูด้านในของแม่เหล็กวงแหวนมีขนาดใหญ่กว่า 4 มม. ในฐานะที่เป็นผลพลอยได้จากกระบวนการคว้านแกน แกนที่ถูกคว้านสามารถนำไปใช้ในการผลิตแม่เหล็กขนาดเล็กอื่นๆ ที่เหมาะสมได้ และช่วยเพิ่มอัตราการใช้วัสดุอย่างมีนัยสำคัญ ล้อเจียรสำหรับการเจียรตามแบบจำลองจะผลิตขึ้นบนพื้นฐานของพื้นผิวที่จะเจียร