Neodymium-sắt-boron (Nd-Fe-B) là vật liệu từ tính vĩnh cửu đất hiếm tiêu biểu nhất. Thành phần chính của nó bao gồm neodymium (Nd), sắt (Fe) và boron (B), trong đó các nguyên tố đất hiếm chiếm khoảng 25–35%, sắt 65–75% và boron khoảng 1%. NdFeB hiện là vật liệu từ tính vĩnh cửu có tích năng lượng từ cao nhất thế giới và được mệnh danh là "Vua của các loại nam châm vĩnh cửu hiện đại". Điều này cũng có nghĩa là vật liệu NdFeB có thể đạt được cùng một từ thông với thể tích nhỏ nhất.
Các lĩnh vực ứng dụng: Động cơ nam châm vĩnh cửu, thiết bị y tế, năng lượng gió, xe năng lượng mới, v.v.
Theo quy trình sản xuất, nam châm NdFeB có thể được chia thành loại thiêu kết, liên kết và ép nóng, trong đó nam châm NdFeB thiêu kết được sử dụng rộng rãi nhất.
Tổng quan về quy trình sản xuất
Nam châm vĩnh cửu NdFeB thiêu kết về cơ bản được sản xuất thông qua phương pháp luyện kim bột.
Quy trình chính bao gồm:
Trộn nguyên liệu thô → Nấu chảy & đúc dải → Phân hủy hydro → phay phản lực → Định hướng tạo hình → Thiêu kết & xử lý nhiệt → Gia công cơ khí → Xử lý bề mặt → Từ hóa
Mô tả quy trình chi tiết
Xử lý sơ bộ và trộn nguyên liệu thô
Trước khi trộn, nguyên liệu phải được làm sạch các mảnh vụn, oxit và bụi để giảm thiểu tạp chất.
Theo các tính chất nam châm cần thiết, tỷ lệ Nd, Fe, B và các chất phụ gia vết (như Dy, Tb, Co, Al, v.v.) được tính toán chính xác.
Đúc nóng chảy / Đúc dải
Quá trình nấu chảy được thực hiện trong lò cảm ứng chân không ở nhiệt độ xấp xỉ 1460°C, cho phép nguyên liệu thô tan chảy thành hợp kim dưới sự bảo vệ của khí trơ.
Hợp kim nóng chảy sau đó được đúc trên trục làm lạnh bằng đồng quay nhanh, tạo thành các dải mỏng, dày đồng đều được làm nguội nhanh (dải đúc dải).
Quá trình đông đặc nhanh này ngăn chặn sự hình thành α-Fe và đảm bảo thành phần hợp kim đồng nhất và định hướng tinh thể cao.
Các điểm kiểm soát chính
- Đảm bảo nóng chảy hoàn toàn các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như Fe và Nd.
- Thành phần hợp kim chính xác (tránh bay hơi và mất mát do oxy hóa).
- Độ đồng đều của hợp kim cao.
- Tránh tạp chất và ô nhiễm khí.
Sự phân hủy hydro (HD)
Sử dụng đặc tính hấp thụ hydro của hợp chất đất hiếm, các dải băng đúc được đặt trong môi trường hydro.
Hydro xâm nhập dọc theo các pha giàu Nd, gây ra sự giãn nở và nứt, phá vỡ hợp kim thành bột thô.
Điều này được thực hiện trong lò phân hủy hydro ở 700–800°C, được kiểm soát chặt chẽ để tránh oxy hóa và đảm bảo an toàn.
Điểm kiểm soát
- Phòng ngừa rò rỉ hydro
- Mức chân không trước khi hấp thụ hydro
- Thời gian hấp thụ hydro
- Nhiệt độ và thời gian tách hydro
- Nhiệt độ làm mát và xả
Máy nghiền phản lực
Bột thô từ HD được nghiền tiếp bằng máy nghiền phản lực. Khí áp suất cao (ví dụ: nitơ) tăng tốc các hạt lên tốc độ siêu thanh; va chạm giữa các hạt làm giảm kích thước xuống còn 3–4 μm. Quá trình này được thực hiện trong môi trường khí trơ để duy trì hàm lượng oxy dưới 50 ppm.
Ưu điểm của phay phản lực
- Phay tự va chạm → không nhiễm bẩn
- Sinh nhiệt thấp và ứng suất bên trong thấp
- Bảo vệ bằng khí trơ → ngăn ngừa quá trình oxy hóa
- Xuất sắc kích thước hạt phân bổ
Thiêu kết và xử lý nhiệt
Quá trình thiêu kết được thực hiện trong lò chân không ở 1000–1100°C, làm đặc bột đã nén và hình thành pha chính Nd₂Fe₁₄B. Cần có đường cong gia nhiệt và thời gian giữ nhiệt chính xác để thúc đẩy liên kết hạt và loại bỏ độ xốp đồng thời ngăn ngừa sự phát triển của hạt.
Ba yếu tố chính của quá trình thiêu kết
- Mức chân không
- Nhiệt độ thiêu kết
- Thời gian giữ
Những cân nhắc quan trọng
- Độ đồng đều nhiệt độ của buồng lò
- Độ ổn định nhiệt độ
- Độ trễ đo nhiệt độ
Xử lý nhiệt
Sau khi thiêu kết, người ta thường sử dụng quá trình tôi luyện hai giai đoạn:
- Giai đoạn 1: ~900°C ± 50°C
- Giai đoạn 2: 480–560°C
Quá trình tôi luyện tối ưu hóa cấu trúc ranh giới hạt, giải phóng ứng suất bên trong và cải thiện đáng kể lực kháng từ và độ ổn định nhiệt.
Gia công cơ khí
Các khối thiêu kết được gia công (cắt, mài, khoan, v.v.) theo kích thước đã chỉ định.
NdFeB cứng và giòn nên cần có máy móc chuyên dụng (máy cắt dây, máy mài bề mặt).
Phải kiểm soát quá trình làm mát để tránh nứt hoặc vỡ.
Các phương pháp xử lý phổ biến bao gồm:
- mài
- Cắt lát
- Dây EDM
- Khoan và khoét lỗ
- Vát mép
- Quy trình mạ điện
Từ hóa và đóng gói
Quá trình từ hóa được thực hiện bằng cách áp dụng một từ trường mạnh (thường vượt quá từ hóa bão hòa) bằng cách sử dụng một bộ từ hóa, tạo cho nam châm mẫu cực cần thiết.
Bao bì phải ngăn ngừa nhiễu từ, rung động hoặc vỡ.
Nam châm mạnh phải được cách ly đặc biệt; thường thì nên vận chuyển bằng đường biển hoặc đường bộ.
Đổi mới và xu hướng công nghệ
Khuếch tán ranh giới hạt (GBD)
Khuếch tán ranh giới hạt là kỹ thuật quan trọng để sản xuất nam châm NdFeB hiệu suất cao.
Qua lớp phủ bề mặt nam châm với các hợp chất chứa đất hiếm nặng (Dy/Tb) và xử lý nhiệt trong điều kiện chân không, các nguyên tử đất hiếm nặng khuếch tán dọc theo ranh giới hạt và tạo thành lớp vỏ xung quanh các hạt Nd₂Fe₁₄B.
Những lợi ích:
- Lực cưỡng bức tăng lên bởi 8–11 kOe
- Độ ổn định nhiệt độ được cải thiện đáng kể
- Độ dư chỉ giảm nhẹ
- Việc sử dụng đất hiếm nhiều đã giảm 30–70% (0,05–4 wt%)
- Chi phí vật liệu thấp hơn
Các phương pháp GBD điển hình:
- Lớp phủ bề mặt
- Phun xạ magnetron
- Sự khuếch tán lắng đọng hơi
Công nghệ biến dạng nóng
Sản xuất tiên tiến cho nam châm NdFeB dị hướng, bao gồm:
Ép nóng (550–750°C, 50–300 MPa)
Ép nóng chân không bột đã được làm nguội nhanh thành phôi.
Biến dạng nóng (600–750°C, 20–100 MPa)
Đạt được độ biến dạng 50–80%, tạo ra các cấu trúc vi mô có tính định hướng cao và hiệu suất từ tính vượt trội.
Xu hướng phát triển
Ngành công nghiệp đang hướng tới các công nghệ tiết kiệm tài nguyên và giảm chi phí, tập trung vào việc giảm sự phụ thuộc vào các loại đất hiếm nặng khan hiếm và đắt tiền (Dy, Tb).
Các cách tiếp cận bao gồm:
- Sự khuếch tán ranh giới hạt để sử dụng ít Dy/Tb hơn
- Thay thế một phần bằng Ce/La dồi dào
- Sử dụng các yếu tố như Mo để tối ưu hóa ranh giới hạt
Ví dụ, “công nghệ hộp molypden” tạo ra lớp khuếch tán nano giàu Mo, cải thiện lực kháng từ và khả năng chịu nhiệt với chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp dựa trên Tb.
Những cải tiến này thúc đẩy vật liệu NdFeB hướng tới sản xuất hiệu suất cao, chi phí thấp và xanh, giảm bớt áp lực lên các nguồn tài nguyên đất hiếm nặng mang tính chiến lược.
Triển vọng ứng dụng
Nam châm vĩnh cửu NdFeBcó triển vọng thị trường rộng lớn.
Nhu cầu tiếp tục tăng từ các thiết bị điện tử truyền thống và động cơ công nghiệp sang các lĩnh vực mới nổi mang tính chiến lược như:
- Xe năng lượng mới
- Người máy hình người
- Hàng không tầm thấp
Với yêu cầu ngày càng cao về hiệu suất và độ tin cậy, nam châm NdFeB hiệu suất cao, độ đồng nhất cao và giá trị gia tăng cao sẽ thống trị sự tăng trưởng của thị trường và thúc đẩy sự đổi mới hơn nữa trong công nghệ vật liệu và chế biến.
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi hữu ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với bộ phận chăm sóc khách hàng trực tuyến của Zelda nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác.
— Đăng bởi Emily Chen