Spiekany magnes trwały neodymowo-żelazowo-borowy

Metoda wytwarzania magnesów neodymowych NdFeB (magnesów neodymowo-żelazowo-borowych) jest następująca.
Pierwiastek neodymowy jest początkowo oddzielany od rafinowanych tlenków metali ziem rzadkich w piecu elektrolitycznym. Pierwiastki „ziem rzadkich” to lantanoidy (zwane także lantanowcami), a termin ten wywodzi się od rzadkich minerałów tlenkowych stosowanych do izolowania pierwiastków. Chociaż używany jest termin „Ziemia Rzadkie”, nie oznacza to, że pierwiastków chemicznych jest mało. Pierwiastki ziem rzadkich są obfite, np. pierwiastek neodymowy jest bardziej powszechny niż złoto. Dokonuje się pomiaru zawartości neodymu, żelaza i boru i umieszcza w próżniowym piecu indukcyjnym w celu utworzenia stopu. W razie potrzeby dla określonych gatunków dodawane są inne pierwiastki, np. kobalt, miedź, gadolin i dysproz (np. w celu zwiększenia odporności na korozję). Mieszanina topi się w wyniku ogrzewania i topienia o wysokiej częstotliwości.

W uproszczeniu stop „Neo” przypomina mieszankę ciasta, z recepturą każdej fabryki dla każdego gatunku. Powstały stopiony stop jest następnie schładzany w celu utworzenia wlewków stopu. Wlewki stopu są następnie rozbijane metodą dekrepitacji wodoru (HD) lub desorpcji i rekombinacji z dysproporcjonowaniem uwodorniającym (HDDR) i mielone strumieniowo w atmosferze azotu i argonu na proszek o wielkości mikrona (o wielkości około 3 mikronów lub mniej). Ten proszek neodymowy jest następnie podawany do leja zasypowego, aby umożliwić prasowanie magnesów.

Metody prasowania proszku
Istnieją trzy główne metody prasowania proszku – prasowanie osiowe i poprzeczne. Tłoczenie matrycowe wymaga użycia narzędzi, aby uzyskać wnękę nieco większą niż niezbędny kształt (ponieważ spiekanie powoduje skurcz magnesu). Proszek neodymowy wchodzi do wnęki matrycy ze zbiornika, a następnie jest zagęszczany w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Pole zewnętrzne przykładane jest równolegle do siły zagęszczania (to osiowe prasowanie nie jest tak standardowe) lub prostopadle do kierunku zagęszczania (tzw. prasowanie poprzeczne). Prasowanie poprzeczne zapewnia wyższe właściwości magnetyczne magnesów neodymowych NdFeB.

Trzecią metodą prasowania jest prasowanie izostatyczne. Proszek NdFeB umieszcza się w gumowej formie i w dużym pojemniku wypełnionym płynem, zwiększając ciśnienie płynu. Ponownie występuje zewnętrzne pole magnesujące, ale proszek NdFeB jest zagęszczany ze wszystkich stron. Prasowanie izostatyczne zapewnia najlepszą możliwą wydajność magnetyczną neodymu, żelaza i boru. Stosowane metody różnią się w zależności od wymaganej klasy „Neo” i są ustalane przez producenta.

Pole magnesujące
Cewka elektromagnetyczna umieszczona po obu stronach proszku zagęszczającego wytwarza zewnętrzne pole magnesujące. Domeny magnetyczne proszku NdFeB wyrównują się z przyłożonym polem magnesującym – im bardziej jednorodne przyłożone pole, tym bardziej jednorodne właściwości magnetyczne magnesu neodymowego. Gdy matryca prasuje proszek neodymowy, kierunek namagnesowania zostaje zablokowany – magnesowi neodymowemu nadano preferowany kierunek namagnesowania. Nazywa się to anizotropowym (gdyby nie przyłożono pola zewnętrznego, możliwe byłoby namagnesowanie magnesu w dowolnym kierunku, co nazywa się izotropowym, ale wydajność magnetyczna byłaby znacznie niższa niż w przypadku magnesu anizotropowego i zwykle ogranicza się do magnesów połączonych ).

Magnesy ziem rzadkich wykazują jednoosiową anizotropię magnetokrystaliczną, tj. mają unikalną strukturę krystaliczną osiową odpowiadającą łatwej osi namagnesowania. W przypadku Nd2Fe14B łatwą osią namagnesowania jest oś c złożonej struktury tetragonalnej. W obecności zewnętrznego pola magnesującego ustawia się wzdłuż osi c, dzięki czemu może zostać w pełni namagnesowany do stanu nasycenia przy bardzo dużej koercji.

Proces spiekania
Zanim wciśnięty magnes NdFeB zostanie zwolniony, otrzymuje impuls rozmagnesowujący, aby pozostawić go nienamagnesowanym. Zagęszczony magnes nazywany jest magnesem „zielonym” – łatwo go rozbić na siłę, a jego właściwości magnetyczne nie są dobre. „Zielony” magnes neodymowy jest spiekany w celu nadania mu ostatecznych właściwości magnetycznych.

Proces spiekania jest dokładnie monitorowany (należy zachować rygorystyczny profil temperaturowy i czasowy) i przebiega w atmosferze obojętnej (beztlenowej) (np. argonu). Jeśli obecny jest tlen, powstałe tlenki niszczą właściwości magnetyczne NdFeB. Proces spiekania powoduje również kurczenie się magnesu w miarę stapiania się proszku. Skurcz nadaje magnesowi kształt zbliżony do wymaganego, jednak skurcz jest zwykle nierówny (np. pierścień może się skurczyć, przekształcając się w owal).

Pod koniec procesu spiekania stosuje się końcowe szybkie hartowanie w celu szybkiego schłodzenia magnesu. Minimalizuje to niepożądane wytwarzanie „faz” (w uproszczeniu, wariantów stopu o słabych właściwościach magnetycznych), które występują poniżej temperatury spiekania. Szybkie hartowanie maksymalizuje wydajność magnetyczną NdFeB. Ponieważ proces spiekania powoduje nierównomierny skurcz, kształt magnesu neodymowego nie będzie miał wymaganych wymiarów.

Tolerancje i wymiary
Kolejnym etapem jest obróbka magnesów do wymaganych tolerancji. Ponieważ konieczna jest obróbka, magnesy neodymowe po prasowaniu stają się nieco większe, np. większa średnica zewnętrzna, mniejsza średnica wewnętrzna i wyższe w przypadku magnesu pierścieniowego. Standardowe tolerancje wymiarowe magnesów wynoszą +/-0,1 mm, chociaż +/-0,05 mm można uzyskać za dodatkową opłatą. Możliwość stosowania jeszcze węższych tolerancji zależy od kształtu i wielkości magnesu i może nie być możliwa.

Uwaga: magnes neodymowy jest sztywny. Wycięcie otworów w NdFeB za pomocą standardowego wiertła lub końcówki z węglika spowoduje stępienie wiertła. Należy stosować narzędzia diamentowe (szlifierki diamentowe CNC, wiertła diamentowe itp.) i wycinarki drutowe (EDM). Proszek wiórów NdFeB powstający podczas obróbki wymaga chłodzenia cieczą. W przeciwnym razie może dojść do samozapłonu. W przypadku magnesów blokowych neodymowych oszczędności można uzyskać, stosując znacznie większe bloki magnetyczne wykonane przez prasowanie izostatyczne i cięcie ich na mniejsze bloki neodymowe o pożądanym rozmiarze. Odbywa się to w celu zapewnienia szybkości i masowej produkcji (tam, gdzie jest dostępna wystarczająca liczba maszyn do cięcia i szlifowania) i jest znane jako „plaster i kostka”. Po osiągnięciu ostatecznych wymiarów magnesu poprzez obróbkę, magnes neodymowy zostaje pokryty powłoką ochronną. Zwykle jest to powłoka Ni-Cu-Ni.

Powłoka
Magnes należy oczyścić, aby usunąć wszelkie wióry/proszek powstałe podczas obróbki. Następnie jest dokładnie suszony przed powlekaniem. Konieczne jest dokładne suszenie. W przeciwnym razie woda zatrzyma się w platerowanym magnesie neodymowym, a magnes zacznie korodować od środka. Powłoka jest bardzo cienka, np. 15-35 mikronów dla Ni-Cu-Ni (1 mikron to 1/1000 mm).

Aktualna gama dostępnych powłok jest następująca:- Niklowo-miedziano-niklowa (Ni-Cu-Ni) [standardowa], epoksydowa, cynkowa (Zn), złota (Au), srebra (Ag), cyny (Sn), tytanu (Ti), azotek tytanu (TiN), parylen C, Everlube, chrom, PTFE („teflon”; biały, czarny, szary, srebrzysty), Ni-Cu-Ni plus żywica epoksydowa, Ni-Cu-Ni plus guma, Zn plus Guma, Ni-Cu-Ni plus Parylen C, Ni-Cu-Ni plus PTFE, cyna (Sn) plus Parylen C, chromian cynku, pasywacja fosforanowa i niepowlekane (tj. gołe – niezalecane, ale czasami wymagane przez klienta).

Możliwe są inne powłoki. Nie zaleca się używania magnesu bez warstwy ochronnej.

Mówi się, że magnesy neodymowe NdFeB o wyższej wartości Hci są bardziej odporne na korozję, ale nie gwarantuje to bezpiecznego użytkowania, gdy nie są platerowane. Jeśli to konieczne, po złożeniu magnesów przyklej płytkę (dzieje się tak, ponieważ klej przylgnie do powłoki, a nie do magnesu NdFeB, więc jeśli powłoka ulegnie uszkodzeniu, magnes stanie się wolny). Możliwe jest usunięcie poszycia w celu zapewnienia lepszej przyczepności kleju. Mimo to odporność na korozję magnesu neodymowego może zostać poważnie obniżona podczas takiego procesu, chyba że podczas montażu zachowa się szczególną ostrożność (warto rozważyć zastosowanie tulei ochronnych, aby zapewnić, że magnesy pozostaną na swoim miejscu, np. tuleja z włókna węglowego do wirników).