Cách làm nam châm NdFeB

Nam châm Neodymium được tạo ra như thế nào?

Nam châm Neodymium thiêu kết được điều chế bằng cách nấu chảy nguyên liệu thô trong chân không hoặc khí trơ trong lò nấu chảy cảm ứng, sau đó xử lý trong máy đúc dải và làm nguội để tạo thành dải hợp kim Nd-Fe-B. Các dải hợp kim được nghiền thành bột mịn có đường kính vài micron. Bột mịn sau đó được nén trong một trường từ định hướng và thiêu kết thành các khối đặc. Các khối sau đó được gia công thành các hình dạng cụ thể, xử lý bề mặt và từ hóa.

Cân đong

Việc cân nguyên liệu thô đủ tiêu chuẩn liên quan trực tiếp đến độ chính xác của thành phần nam châm. Độ tinh khiết hoặc nguyên liệu thô và sự ổn định của thành phần hóa học là nền tảng của chất lượng sản phẩm. Nam châm Neodymium thiêu kết thường chọn hợp kim đất hiếm như Praseodymium-Neodymium Pr-Nd mischmetal, Lanthanum-Cerium La-Ce mischmetal và hợp kim Dysprosium Iron Dy-Fe làm vật liệu vì lý do chi phí. Các nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy cao như Boron, Molybdenum hoặc Niobi được thêm vào dưới dạng hợp kim sắt. Lớp gỉ, tạp chất, oxit và bụi bẩn trên bề mặt nguyên liệu thô cần được loại bỏ bằng máy bắn vi hạt. Ngoài ra, nguyên liệu thô phải có kích thước phù hợp để đáp ứng hiệu quả trong quá trình nấu chảy tiếp theo. Neodymium có áp suất hơi thấp và các đặc tính hóa học hoạt động, do đó kim loại đất hiếm tồn tại ở một mức độ bay hơi và oxy hóa nhất định trong quá trình nấu chảy, do đó, quá trình cân nam châm Neodymium thiêu kết phải xem xét thêm kim loại đất hiếm bổ sung để đảm bảo độ chính xác của thành phần nam châm.

Nấu chảy và đúc dải

Nấu chảy và đúc dải là rất quan trọng đối với thành phần, trạng thái tinh thể và sự phân bố của pha, do đó ảnh hưởng đến quá trình tiếp theo và hiệu suất từ tính. Nguyên liệu thô được nung nóng đến trạng thái nóng chảy thông qua nấu chảy cảm ứng tần số trung bình và thấp trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Quá trình đúc có thể được xử lý khi hợp kim nóng chảy đạt được sự đồng nhất, thoát khí và tạo xỉ. Một cấu trúc vi mô thỏi đúc tốt phải có tinh thể hình trụ phát triển tốt và kích thước mịn, sau đó pha giàu Nd phải phân bố dọc theo ranh giới hạt. Ngoài ra, cấu trúc vi mô thỏi đúc phải không có pha α-Fe. Giản đồ pha Re-Fe chỉ ra rằng hợp kim ternary đất hiếm là không thể tránh khỏi để tạo ra pha α-Fe trong quá trình làm nguội chậm. Các đặc tính từ mềm ở nhiệt độ phòng của pha α-Fe sẽ làm hỏng nghiêm trọng hiệu suất từ tính của nam châm, do đó phải được ức chế bằng cách làm nguội nhanh. Để đáp ứng hiệu quả làm nguội nhanh mong muốn nhằm ức chế quá trình sản xuất pha α-Fe, Showa Denko K. K., đã phát triển Công nghệ đúc dải và nhanh chóng trở thành công nghệ thường xuyên trong ngành. Sự phân bố đồng đều của pha giàu Nd và hiệu ứng ức chế trên pha α-Fe có thể làm giảm hiệu quả tổng hàm lượng đất hiếm, điều này thuận lợi cho việc sản xuất nam châm hiệu suất cao và giảm chi phí.

Sự giòn do hydro

Hành vi hydro hóa của kim loại đất hiếm, hợp kim hoặc hợp chất liên kim loại và các đặc tính hóa lý của hydride luôn là vấn đề quan trọng trong ứng dụng đất hiếm. Thỏi hợp kim Nd-Fe-B cũng thể hiện xu hướng hydro hóa rất mạnh. Các nguyên tử hydro đi vào vị trí xen kẽ giữa pha chính của hợp chất liên kim loại và pha ranh giới hạt giàu Nd và tạo thành hợp chất xen kẽ. Sau đó khoảng cách giữa các nguyên tử tăng lên và thể tích mạng tinh thể giãn ra. Ứng suất bên trong gây ra sẽ tạo ra nứt ranh giới hạt (nứt giữa các hạt), nứt tinh thể (nứt xuyên tinh thể) hoặc nứt dẻo. Những sự giòn này đi kèm với tiếng nứt và do đó được gọi là sự giòn do hydro. Quá trình giòn do hydro của nam châm Neodymium thiêu kết còn được gọi là quá trình HD. Nứt ranh giới hạt và nứt tinh thể được tạo ra trong quá trình giòn do hydro đã làm cho bột thô NdFeB rất dễ vỡ và có lợi thế cao cho quá trình nghiền phản lực tiếp theo. Ngoài việc nâng cao hiệu quả của quá trình nghiền phản lực, quá trình giòn do hydro cũng thuận lợi để điều chỉnh kích thước bột trung bình của bột mịn.

Nghiền phản lực

Nghiền phản lực đã được chứng minh là giải pháp thực tế và hiệu quả nhất trong quá trình xử lý bột. Nghiền phản lực sử dụng một luồng khí trơ tốc độ cao để tăng tốc bột thô đến vận tốc siêu thanh và làm cho các hạt bột va đập vào nhau. Mục đích cơ bản của quá trình xử lý bột là tìm kiếm kích thước hạt trung bình và phân bố kích thước hạt thích hợp. Sự khác biệt của các đặc điểm trên thể hiện các đặc tính khác nhau ở quy mô vĩ mô, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc lấp đầy bột, định hướng, nén, tách khuôn và cấu trúc vi mô được tạo ra trong quá trình thiêu kết, do đó ảnh hưởng nhạy cảm đến hiệu suất từ tính, tính chất cơ học, nhiệt điện và độ ổn định hóa học của nam châm Neodymium thiêu kết. Cấu trúc vi mô lý tưởng là hạt pha chính mịn và đồng nhất được bao quanh bởi pha phụ mỏng và mịn. Bên cạnh đó, hướng từ hóa dễ dàng của hạt pha chính phải được sắp xếp dọc theo hướng định hướng càng nhất quán càng tốt. Các lỗ rỗng, hạt lớn hoặc pha từ mềm sẽ dẫn đến giảm đáng kể lực kháng từ. Lực từ dư và độ vuông góc của đường cong khử từ sẽ đồng thời giảm trong khi hướng từ hóa dễ dàng của hạt lệch khỏi hướng định hướng. Do đó, hợp kim nên được nghiền thành hạt tinh thể đơn có đường kính từ 3 đến 5 micron.

Nén

Nén định hướng trường từ đề cập đến việc sử dụng tương tác giữa bột từ và trường từ bên ngoài để căn chỉnh bột dọc theo hướng từ hóa dễ dàng và làm cho nó nhất quán với hướng từ hóa cuối cùng. Nén định hướng trường từ là con đường phổ biến nhất để sản xuất nam châm dị hướng. Hợp kim Nd-Fe-B đã được nghiền thành hạt tinh thể đơn trong quá trình nghiền phản lực trước đó. Hạt tinh thể đơn có dị hướng đơn trục và mỗi hạt chỉ có một hướng từ hóa dễ dàng. Bột từ sẽ biến đổi thành miền đơn từ miền đa miền dưới tác dụng của trường từ bên ngoài sau khi được lấp đầy lỏng lẻo vào khuôn, sau đó điều chỉnh hướng từ hóa dễ dàng trục c của nó để nhất quán với hướng trường từ bên ngoài thông qua việc xoay hoặc di chuyển. Trục c của bột hợp kim về cơ bản vẫn giữ trạng thái sắp xếp của nó trong quá trình nén. Các bộ phận nén phải tiến hành xử lý khử từ trước khi tách khuôn. Chỉ số quan trọng nhất của quá trình nén là mức độ định hướng. Mức độ định hướng của nam châm Neodymium thiêu kết được xác định bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cường độ trường từ định hướng, kích thước hạt, mật độ biểu kiến, phương pháp nén, áp suất nén, v.v.

Thiêu kết

Mật độ của phần được nén có thể đạt được hơn 95% mật độ lý thuyết sau khi xử lý quá trình thiêu kết trong chân không cao hoặc khí trơ tinh khiết. Do đó, các lỗ rỗng trong nam châm Neodymium thiêu kết được đóng lại, đảm bảo sự đồng đều của mật độ từ thông và độ ổn định hóa học. Vì các đặc tính từ vĩnh cửu của nam châm Neodymium thiêu kết có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc vi mô của nó, nên việc xử lý nhiệt sau quá trình thiêu kết cũng rất quan trọng đối với việc điều chỉnh hiệu suất từ tính, đặc biệt là lực kháng từ. Pha ranh giới hạt giàu Nd đóng vai trò là pha lỏng có thể thúc đẩy phản ứng thiêu kết và phục hồi các khuyết tật bề mặt trên hạt pha chính. Nhiệt độ thiêu kết của nam châm Neodymium thường dao động từ 1050 đến 1180 độ C. Nhiệt độ quá cao sẽ dẫn đến sự phát triển hạt và giảm lực kháng từ. Để có được lực kháng từ lý tưởng, độ vuông góc của đường cong khử từ và tổn thất không thể đảo ngược ở nhiệt độ cao, nam châm Neodymium thiêu kết thường cần phải xử lý nhiệt ủ hai giai đoạn ở 900 và 500 độ C.

Gia công

Ngoài hình dạng thông thường với kích thước vừa phải, nam châm Neodymium thiêu kết rất khó đạt được hình dạng và độ chính xác kích thước yêu cầu trực tiếp ngay lập tức do những hạn chế kỹ thuật trong quá trình nén định hướng trường từ, do đó, gia công là một quá trình không thể tránh khỏi đối với nam châm Neodymium thiêu kết. Là một vật liệu cermet điển hình, nam châm Neodymium thiêu kết khá cứng và giòn, do đó chỉ có cắt, khoan và mài mới có thể áp dụng cho quá trình gia công của nó trong số các công nghệ gia công thông thường. Cắt bằng lưỡi dao thường sử dụng lưỡi dao phủ kim cương hoặc phủ CBN. Cắt dây và cắt laser rất phù hợp để gia công nam châm có hình dạng đặc biệt, nhưng bị cho là có hiệu quả sản xuất thấp và chi phí xử lý cao cùng lúc. Quá trình khoan nam châm Neodymium thiêu kết chủ yếu được sử dụng bằng kim cương và laser. Cần phải chọn quá trình khoan khoét khi lỗ bên trong của nam châm hình nhẫn lớn hơn 4mm. Là sản phẩm phụ trong quá trình khoan khoét, lõi khoan khoét có thể được sử dụng để sản xuất nam châm nhỏ hơn phù hợp khác và do đó nâng cao đáng kể tỷ lệ sử dụng vật liệu. Bánh mài để mài sao chép được sản xuất trên cơ sở bề mặt mài.