نيوديميوم-حديد-بورون يُعدّ (Nd-Fe-B) أكثر المواد المغناطيسية الدائمة تمثيلاً للعناصر الأرضية النادرة. يتكون تركيبه الرئيسي من النيوديميوم (Nd)، والحديد (Fe)، والبورون (B)، حيث تُشكّل العناصر الأرضية النادرة حوالي 25-35%، والحديد 65-75%، والبورون حوالي 1%. يُعدّ NdFeB حاليًا المادة المغناطيسية الدائمة ذات أعلى ناتج طاقة مغناطيسية في العالم، ويُعرف باسم "ملك المغناطيسات الدائمة الحديثة". هذا يعني أيضًا أن مواد NdFeB يمكنها تحقيق نفس التدفق المغناطيسي بأصغر حجم.
مجالات التطبيق: محركات المغناطيس الدائم، والأجهزة الطبية، وطاقة الرياح، والمركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، وما إلى ذلك.
وفقا لعمليات التصنيع، يمكن تقسيم مغناطيسات NdFeB إلى أنواع ملبدة وملتصقة ومضغوطة ساخنة، ومن بينها NdFeB الملبد هو الأكثر استخدامًا.
نظرة عامة على عملية التصنيع
يتم إنتاج المغناطيسات الدائمة المصنوعة من NdFeB المسحوقة بشكل أساسي من خلال مسحوق المعادن.
يتضمن تدفق العملية الرئيسي ما يلي:
خلط المواد الخام → الصهر وصب الشرائط → تحلل الهيدروجين → الطحن النفاث → التشكيل التوجيهي → التلبيد والمعالجة الحرارية → التشغيل الميكانيكي → معالجة السطح → المغنطة
وصف مفصل للعملية
المعالجة المسبقة للمواد الخام والخلط
قبل التجميع، يجب أن تكون المواد الخام خالية من الحطام والأكاسيد والغبار لتقليل الشوائب.
وفقًا لخصائص المغناطيس المطلوبة، يتم حساب نسب Nd وFe وB والمواد المضافة النزرة (مثل Dy وTb وCo وAl وما إلى ذلك) بدقة.
الصهر / صب الشريط
يتم إجراء عملية الصهر في فرن الحث الفراغي عند حوالي 1460 درجة مئوية، مما يسمح للمواد الخام بالذوبان في سبيكة تحت حماية الغاز الخامل.
يتم بعد ذلك صب السبائك المنصهرة على أسطوانة تبريد نحاسية تدور بسرعة، مما يؤدي إلى تشكيل شرائح رقيقة وموحدة السمك وسريعة التبريد (شرائط مصبوبة على شكل شرائح).
يمنع هذا التصلب السريع تكوين α-Fe ويضمن تكوين سبيكة موحد واتجاه بلوري عالي.
نقاط التحكم الرئيسية
- ضمان الذوبان الكامل للمواد ذات درجة الانصهار العالية مثل Fe و Nd.
- تكوين سبيكة دقيق (تجنب خسائر التطاير والأكسدة).
- توحيد السبائك العالية.
- تجنب الشوائب والتلوث بالغاز.
تناقص الهيدروجين (HD)
باستخدام خصائص امتصاص الهيدروجين للمركبات الأرضية النادرة، يتم وضع الشرائط المصبوبة في بيئة الهيدروجين.
يتسرب الهيدروجين على طول المراحل الغنية بالنيوديميوم، مما يسبب التوسع والتشقق، مما يؤدي إلى كسر السبائك إلى مسحوق خشن.
يتم إجراء ذلك في فرن تحلل الهيدروجين في 700–800 درجة مئوية، مع رقابة صارمة لتجنب الأكسدة وضمان السلامة.
نقاط التحكم
- منع تسرب الهيدروجين
- مستوى الفراغ قبل امتصاص الهيدروجين
- زمن امتصاص الهيدروجين
- درجة حرارة ومدة إزالة الهيدروجين
- درجة حرارة التبريد والتفريغ
جيت ميل
يُطحن المسحوق الخشن الناتج عن الهايدروجين عالي الكثافة بواسطة مطحنة نفاثة. يُسرّع غاز عالي الضغط (مثل النيتروجين) الجسيمات إلى سرعات تفوق سرعة الصوت؛ وتُقلّص تصادمات الجسيمات حجمها إلى 3-4 ميكرومتر. تُجرى العملية في جوّ خامل للحفاظ على محتوى الأكسجين أقل من 50 جزءًا في المليون.
مزايا الطحن النفاث
- طحن ذاتي التصادم → لا تلوث
- توليد حرارة منخفضة وإجهاد داخلي منخفض
- حماية الغاز الخامل → تمنع الأكسدة
- ممتاز حجم الجسيمات توزيع
التلبيد والمعالجة الحرارية
يتم إجراء التلبيد في فرن التفريغ عند 1000–1100 درجة مئوية، مما يُكثِّف المسحوق المضغوط ويُشكِّل الطور الرئيسي Nd₂Fe₁₄B. يلزم تحديد منحنيات تسخين دقيقة وأوقات تثبيت دقيقة لتعزيز تماسك الحبيبات والقضاء على المسامية مع تجنب نمو الحبيبات.
ثلاثة عناصر رئيسية للتلبيد
- مستوى الفراغ
- درجة حرارة التلبيد
- وقت الانتظار
اعتبارات هامة
- توحيد درجة حرارة غرفة الفرن
- استقرار درجة الحرارة
- تأخر قياس درجة الحرارة
المعالجة الحرارية
بعد التلبيد، يتم عادةً استخدام عملية التلطيف المكونة من مرحلتين:
- المرحلة 1: ~900 درجة مئوية ± 50 درجة مئوية
- المرحلة الثانية: 480–560 درجة مئوية
تعمل عملية التلطيف على تحسين بنية حدود الحبوب، وتخفيف الضغط الداخلي، وتحسين القوة القسرية والاستقرار الحراري بشكل كبير.
التشغيل الميكانيكي
يتم تصنيع الكتل الملبدة (القطع، الطحن، الحفر، الخ) وفقًا لأبعاد محددة.
يعتبر NdFeB صلبًا وهشًا، لذا يتطلب استخدام آلات خاصة (قطع الأسلاك، وطحن الأسطح).
يجب التحكم في التبريد لمنع التشقق أو التقطيع.
تتضمن طرق المعالجة الشائعة ما يلي:
- طحن
- التقطيع
- سلك EDM
- الحفر والغمر
- تشطيب الحواف
- عمليات الطلاء الكهربائي
المغناطيسية والتغليف
يتم إجراء المغناطيسية عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي قوي (غالبًا ما يتجاوز مغناطيسية التشبع) باستخدام ممغنط، مما يعطي المغناطيس نمط القطب المطلوب.
يجب أن تمنع العبوة التداخل المغناطيسي أو الاهتزاز أو الكسر.
يجب عزل المغناطيسات القوية بشكل خاص؛ وعادةً ما يُفضل النقل البحري أو البري.
الابتكارات والاتجاهات التكنولوجية
انتشار حدود الحبوب (GBD)
يعد انتشار حدود الحبوب تقنية أساسية لإنتاج مغناطيسات NdFeB عالية الأداء.
بواسطة طلاء من خلال معالجة سطح المغناطيس بمركبات ثقيلة تحتوي على عناصر أرضية نادرة (Dy/Tb) والمعالجة الحرارية تحت الفراغ، تنتشر ذرات العناصر الأرضية النادرة الثقيلة على طول حدود الحبوب وتشكل طبقة صدفية حول حبيبات Nd₂Fe₁₄B.
فوائد:
- تزداد الإكراه بمقدار 8–11 كيلو أومكافئ
- تحسن استقرار درجة الحرارة بشكل ملحوظ
- البقايا تقل قليلا فقط
- تم تقليل الاستخدام المكثف للمعادن النادرة بنسبة 30–70% (0.05–4 وزن %)
- انخفاض تكلفة المواد
طرق GBD النموذجية:
- طلاء السطح
- رش المغنطرون
- انتشار الترسيب البخاري
تقنية التشوه الساخن
التصنيع المتقدم لمغناطيسات NdFeB المتباينة الخواص، بما في ذلك:
الضغط الساخن (550-750 درجة مئوية، 50-300 ميجا باسكال)
الضغط الساخن تحت الفراغ للمسحوق المخمّد بسرعة في قالب مسبق.
التشوه الساخن (600-750 درجة مئوية، 20-100 ميجا باسكال)
يحقق تشوه 50–80%، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل دقيقة عالية التوجه وأداء مغناطيسي متفوق.
اتجاهات التنمية
تتجه الصناعة نحو تقنيات توفير الموارد وخفض التكاليف، مع التركيز على تقليل الاعتماد على المعادن النادرة الثقيلة (Dy، Tb) النادرة والمكلفة.
وتشمل الأساليب ما يلي:
- انتشار حدود الحبوب لتقليل استخدام Dy/Tb
- الاستبدال الجزئي مع وفرة Ce/La
- استخدام عناصر مثل الموليبدينوم لتحسين حدود الحبوب
على سبيل المثال، تعمل "تكنولوجيا صندوق الموليبدينوم" على إنشاء طبقة انتشار نانوية غنية بالموليبدينوم، مما يحسن من القوة القسرية ومقاومة الحرارة بتكلفة أقل بكثير من الطرق القائمة على السل.
وتدفع هذه الابتكارات مواد NdFeB نحو الأداء العالي والتكلفة المنخفضة والتصنيع الأخضر، مما يخفف الضغط على الموارد الأرضية النادرة الثقيلة الاستراتيجية.
توقعات التطبيق
مغناطيس دائم NdFeBلدينا آفاق سوقية واسعة.
ويستمر الطلب في النمو من الإلكترونيات التقليدية والمحركات الصناعية نحو مجالات ناشئة إستراتيجية مثل:
- مركبات الطاقة الجديدة
- الروبوتات البشرية
- الطيران على ارتفاعات منخفضة
مع تزايد متطلبات الأداء والموثوقية، سوف تهيمن مغناطيسات NdFeB عالية الأداء وعالية الاتساق وعالية القيمة المضافة على نمو السوق وتدفع المزيد من الابتكار في المواد وتكنولوجيا المعالجة.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين