Néodyme–fer–bore Le NdFeB est le matériau magnétique permanent à base de terres rares le plus représentatif. Sa composition principale comprend du néodyme (Nd), du fer (Fe) et du bore (B), les terres rares représentant environ 25 à 351 TP3T, le fer 65 à 751 TP3T et le bore environ 11 TP3T. Le NdFeB est actuellement le matériau magnétique permanent présentant le produit énergétique magnétique le plus élevé au monde et est considéré comme le « roi des aimants permanents modernes ». Cela signifie également que les matériaux NdFeB permettent d'obtenir un flux magnétique équivalent dans un volume minimal.
Domaines d'application : Moteurs à aimants permanents, dispositifs médicaux, énergie éolienne, véhicules à énergies nouvelles, etc.
Selon les procédés de fabrication, les aimants NdFeB peuvent être divisés en types frittés, collés et pressés à chaud, parmi lesquels le NdFeB fritté est le plus largement utilisé.
Aperçu du processus de fabrication
Les aimants permanents NdFeB frittés sont essentiellement produits par métallurgie des poudres.
Le flux de processus clé comprend :
Mélange des matières premières → Fusion et coulée en bande → Décrépitation à l'hydrogène → Fraisage au jet → Mise en forme par orientation → Frittage et traitement thermique → Usinage mécanique → Traitement de surface → Magnétisation
Description détaillée du processus
Prétraitement et mélange des matières premières
Avant le dosage, les matières premières doivent être exemptes de débris, d'oxydes et de poussière afin de minimiser les impuretés.
En fonction des propriétés magnétiques requises, les proportions de Nd, Fe, B et d'additifs à l'état de traces (tels que Dy, Tb, Co, Al, etc.) sont calculées avec précision.
Fusion / Coulée en bande
La fusion est effectuée dans un four à induction sous vide à environ 1460°C, permettant ainsi la fusion des matières premières en un alliage sous protection de gaz inerte.
L'alliage fondu est ensuite coulé sur un rouleau refroidisseur en cuivre à rotation rapide, formant des bandes minces, d'épaisseur uniforme et trempées rapidement (rubans coulés en bande).
Cette solidification rapide empêche la formation d'α-Fe et assure une composition d'alliage uniforme et une orientation cristallographique élevée.
Points de contrôle clés
- Assurez la fusion complète des matériaux à point de fusion élevé tels que le Fe et le Nd.
- Composition précise de l'alliage (évitant les pertes par volatilisation et oxydation).
- Uniformité élevée de l'alliage.
- Éviter les inclusions et la contamination gazeuse.
Décrépitation à l'hydrogène (DH)
En utilisant les caractéristiques d'absorption d'hydrogène des composés de terres rares, des rubans coulés en bande sont placés dans un environnement d'hydrogène.
L'hydrogène s'infiltre le long des phases riches en Nd, provoquant une expansion et une fissuration, brisant l'alliage en poudre grossière.
Cette opération est réalisée dans un four de décrépitation à l'hydrogène à 700–800°C, avec un contrôle strict pour éviter l'oxydation et garantir la sécurité.
Points de contrôle
- prévention des fuites d'hydrogène
- Niveau de vide avant absorption d'hydrogène
- Temps d'absorption de l'hydrogène
- Température et durée de la déshydrogénation
- température de refroidissement et de refoulement
Broyeur à jet
La poudre grossière issue du procédé HD est ensuite broyée par un broyeur à jet. Un gaz à haute pression (par exemple, de l'azote) accélère les particules à une vitesse supersonique ; les collisions entre particules réduisent leur taille à 3–4 µm. Le procédé est réalisé sous atmosphère inerte afin de maintenir la teneur en oxygène en dessous de 50 ppm.
Avantages de Fraisage à jet
- Fraisage par autocollision → aucune contamination
- faible génération de chaleur et faible contrainte interne
- Protection par gaz inerte → empêche l'oxydation
- Excellent la taille des particules distribution
Frittage et traitement thermique
Le frittage est effectué dans un four sous vide à 1000–1100°CLe procédé consiste à densifier la poudre compactée et à former la phase principale Nd₂Fe₁₄B. Des courbes de chauffage et des temps de maintien précis sont nécessaires pour favoriser la cohésion des grains et éliminer la porosité tout en évitant leur croissance.
Trois éléments clés du frittage
- niveau de vide
- Température de frittage
- Temps de maintien
Considérations importantes
- Uniformité de la température de la chambre du four
- Stabilité de la température
- délai de mesure de la température
Traitement thermique
Après le frittage, un processus de revenu en deux étapes est généralement utilisé :
- Étape 1 : ~900 °C ± 50 °C
- Étape 2 : 480–560 °C
Le revenu optimise la structure des joints de grains, libère les contraintes internes et améliore considérablement la coercivité et la stabilité thermique.
Usinage mécanique
Les blocs frittés sont usinés (découpe, meulage, perçage, etc.) aux dimensions spécifiées.
Le NdFeB est dur et cassant, des machines spéciales (découpe au fil, rectifieuses de surface) sont donc nécessaires.
Le refroidissement doit être contrôlé pour éviter les fissures ou les ébréchures.
Les méthodes de traitement courantes comprennent :
- Affûtage
- Découpe
- Électroérosion à fil
- Perçage et fraisage
- Chanfreinage
- Procédés de galvanoplastie
Magnétisation et emballage
L'aimantation est réalisée en appliquant un champ magnétique intense (souvent supérieur à l'aimantation de saturation) à l'aide d'un aimanteur, ce qui confère à l'aimant sa configuration de pôles requise.
L'emballage doit empêcher les interférences magnétiques, les vibrations ou les bris.
Les aimants puissants doivent être spécialement isolés ; le transport maritime ou terrestre est généralement privilégié.
Innovations et tendances technologiques
Diffusion aux limites des grains (GBD)
La diffusion aux joints de grains est une technique clé pour la production d'aimants NdFeB haute performance.
Par revêtement la surface de l'aimant avec des composés lourds contenant des terres rares (Dy/Tb) et un traitement thermique sous vide, les atomes de terres rares lourdes diffusent le long des joints de grains et forment une couche de coquille autour des grains de Nd₂Fe₁₄B.
Avantages:
- La coercivité augmente de 8–11 kOe
- La stabilité thermique s'améliore considérablement
- La rémanence ne diminue que légèrement
- L'utilisation intensive de terres rares a été réduite par 30–70% (0,05–4 poids%)
- Coût des matériaux réduit
Méthodes GBD typiques :
- Revêtement de surface
- Pulvérisation magnétronique
- diffusion par dépôt en phase vapeur
Technologie de déformation à chaud
Fabrication avancée d'aimants NdFeB anisotropes, notamment :
Pressage à chaud (550–750 °C, 50–300 MPa)
Pressage à chaud sous vide d'une poudre rapidement refroidie en une préforme.
Déformation à chaud (600–750 °C, 20–100 MPa)
Permet d'atteindre une déformation de 50 à 80%, ce qui donne lieu à des microstructures hautement orientées et à des performances magnétiques supérieures.
Tendances de développement
L'industrie s'oriente vers des technologies permettant d'économiser les ressources et de réduire les coûts, en se concentrant sur la réduction de la dépendance aux terres rares lourdes (Dy, Tb), rares et coûteuses.
Les approches comprennent :
- Diffusion aux joints de grains pour une utilisation réduite de Dy/Tb
- Substitution partielle avec Ce/La abondant
- Utilisation d'éléments comme le molybdène pour optimiser les joints de grains
Par exemple, la « technologie de la boîte en molybdène » crée une couche de diffusion nano riche en Mo, améliorant la coercivité et la résistance à la chaleur à un coût bien inférieur à celui des méthodes à base de Tb.
Ces innovations permettent aux matériaux NdFeB d'atteindre des performances élevées, de réduire les coûts et de produire de manière écologique, allégeant ainsi la pression sur les ressources stratégiques en terres rares lourdes.
Perspectives de l'application
Aimant permanent NdFeBs présentent de vastes perspectives de marché.
La demande continue de croître, passant des secteurs traditionnels de l'électronique et des moteurs industriels à des domaines émergents stratégiques tels que :
- véhicules à énergies nouvelles
- robotique humanoïde
- Aviation à basse altitude
Face aux exigences croissantes en matière de performance et de fiabilité, les aimants NdFeB haute performance, haute constance et haute valeur ajoutée domineront la croissance du marché et stimuleront l'innovation dans les matériaux et les technologies de traitement.
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— Publié par Emily Chen