Il più forte magnete al neodimio
La determinazione del magnete al neodimio più "forte" dipende dalla metrica specifica che si utilizza per definire la forza. I magneti al neodimio più forti sono in genere caratterizzati dal loro prodotto energetico massimo, che è una misura della loro forza magnetica. Il prodotto energetico massimo è solitamente indicato in unità di MegaGauss Oersteds (MGOe) o Tesla.
Al momento del mio ultimo aggiornamento, nel gennaio 2022, erano comunemente disponibili i magneti al neodimio più forti con prodotti ad energia massima compresa tra 40 MGOe e 52 MGOe. Tuttavia, vale la pena notare che la ricerca e lo sviluppo della tecnologia dei magneti continuano a progredire, quindi potrebbero essere disponibili magneti al neodimio ancora più forti.
Quando si cerca il magnete al neodimio più "forte", in genere si desidera trovarne uno con il prodotto di energia massima più elevato e adatto all'applicazione. È inoltre importante considerare fattori quali le dimensioni, la forma e la stabilità alla temperatura, in quanto possono influire sulle prestazioni del magnete in diverse applicazioni.
Il magnete permanente al neodimio più forte deve avere una certa forma; si prenda come esempio il magnete a blocco della figura seguente. Se si misura la curva di magnetizzazione a circuito aperto lungo le direzioni x, y e z del magnete, si scopre che la magnetizzazione lungo la direzione x richiede solo un campo magnetico inferiore. (H1), può essere magnetizzato fino alla saturazione tecnica, mentre misurando lungo le direzioni y e z, rispettivamente, è necessario un campo magnetico più elevato per magnetizzarlo fino alla saturazione tecnica.
Questo fenomeno è chiamato anisotropia di forma del magnete permanente al neodimio più forte. La direzione che richiede un campo magnetico minore per magnetizzarlo fino alla saturazione tecnica è detta direzione di facile magnetizzazione; la direzione che richiede il campo magnetico maggiore per magnetizzarlo fino alla saturazione tecnica è detta direzione di difficile magnetizzazione.
Perché i magneti permanenti al neodimio più forti di una certa forma (non sferica) mostrano un'anisotropia di forma? Ciò è legato al campo di smagnetizzazione del magnete permanente.
Sappiamo che i magneti permanenti a blocco o cilindrici avranno sempre poli N e poli S. La presenza di poli magnetici genera un campo magnetico intorno e all'interno del magnete al neodimio più forte.
Il campo magnetico generato dai poli magnetici di un magnete permanente va sempre dal polo N al polo S, sia intorno che all'interno del magnete. Il campo di smagnetizzazione all'interno del magnete permanente al neodimio più forte è rappresentato da Hd, e la sua direzione va dal polo N al polo S. La direzione del momento magnetico Mm del magnete permanente o la direzione dell'intensità della magnetizzazione è dal polo S al polo N. L'Hd all'interno del magnete permanente è in direzione opposta all'intensità di magnetizzazione M e svolge il ruolo di smagnetizzazione, quindi è chiamato campo di smagnetizzazione.
Come si genera il campo di smagnetizzazione di un magnete permanente al neodimio più forte? Possiamo pensare a un magnete permanente composto da due magneti, A e B. Il magnete A si trova nel campo magnetico generato dal magnete B e anche il magnete B si trova nel campo magnetico generato dal magnete A. Questi campi magnetici vanno dal polo N al polo S, quindi sono opposti alla direzione di magnetizzazione del magnete al neodimio più forte, per cui si chiama campo di smagnetizzazione.
L'intensità del campo di smagnetizzazione del magnete permanente al neodimio più forte è legata alla forma e alle dimensioni del magnete permanente. Ad esempio, l'intensità del campo di smagnetizzazione di un magnete permanente anulare varia in base alle dimensioni dello spazio nel magnete permanente anulare (cioè la lunghezza del magnete permanente).
Quando il magnete permanente anulare al neodimio più forte è magnetizzato lungo la direzione dell'asse dell'anello, non viene generato alcun campo di smagnetizzazione; quando metà del magnete permanente anulare viene tagliato, il campo di smagnetizzazione dell'anello semicircolare è Hd; più il magnete permanente anulare viene tagliato, più è corto. Anche il valore assoluto del suo campo smagnetizzante Hd aumenta gradualmente. L'ordine in cui il valore assoluto del campo di smagnetizzazione aumenta gradualmente è Hd(e)>Hd(d)>Hd(c)>Hd(b)>Hd(a)→0.
Si può dedurre che quando la forza coercitiva Hcj del magnete permanente non è sufficientemente grande, se il magnete permanente è reso sottile e magnetizzato lungo la direzione sottile, potrebbe non essere in grado di essere caricato perché il campo smagnetizzante è troppo grande.
La dimensione del campo di smagnetizzazione di un magnete permanente è legata alla forma e alle dimensioni del magnete. Gli esperimenti e i calcoli teorici possono dimostrare che il campo di smagnetizzazione di un magnete permanente Hd=-NM, dove M è l'intensità di magnetizzazione del magnete permanente al neodimio più forte, N è il fattore di smagnetizzazione e il segno negativo nella formula indica che la direzione di Hd è opposta a M.
Per un magnete permanente al neodimio più forte a forma di asta infinitamente lunga, il fattore di smagnetizzazione N1 nella direzione della lunghezza e il fattore di smagnetizzazione Nd nella direzione del diametro possono essere espressi con la seguente formula, dove k è il fattore di dimensione, k=l/d, d è il diametro dell'asta, l è la lunghezza.
La pressatura a caldo e la deformazione termica dei magneti al neodimio NdFeB più forti sono state studiate e sviluppate con successo quasi contemporaneamente ai magneti NdFeB sinterizzati. Nel 1985, il Centro di Ricerca General Motors (GM) degli Stati Uniti ha riferito che, utilizzando la tecnologia di pressatura a caldo per comprimere la polvere magnetica NdFeB a rapido indurimento in un ambiente di argon a 700°C, è possibile ottenere un magnete isotropo a densità solida, che è stato poi chiamato magnete MQ-Ⅱ.
Se il magnete al neodimio isotropo a densità solida più forte viene sottoposto a un processo di deformazione termica, cioè il magnete MQ-Ⅱ viene portato a meno di 50% dell'altezza originale a una temperatura superiore a 700°C, l'asse di magnetizzazione facile può essere aumentato a più di 75% nella direzione di orientamento. Sono stati realizzati magneti anisotropi a deformazione termica a densità solida e grado di orientamento. Questi tre magneti al neodimio più forti sono chiamati MQ.
La figura seguente mostra la curva di smagnetizzazione della polvere Nd0,13(Fe0,95B0,05)0,87 ad alta velocità di tempra (over-quenching), magnete MQ-Ⅱ, magnete MQ-Ⅲ, in cui la direzione di pressatura (∥) e quella perpendicolare alla direzione di pressatura (⊥) La differenza tra le curve misurate può riflettere il grado di orientamento del magnete. Ovviamente, la differenza misurata nelle due direzioni dell'MQ-II non è grande, ma c'è ancora un certo orientamento, mentre l'MQ-III mostra un forte orientamento. Caratteristicamente, la curva di smagnetizzazione nella direzione di pressatura (∥) è molto vicina alla forma quadrata del magnete NdFeB sinterizzato, mentre la grande rimanenza mantenuta perpendicolare alla direzione di pressatura (⊥) indica un orientamento insufficiente.
Poiché le temperature di pressatura a caldo e di deformazione termica non sono elevate e il tempo di azione non è lungo, la struttura a grana fine (nano o sub-micron) della polvere magnetica NdFeB sottoposta a tempra rapida viene sostanzialmente mantenuta, per cui i magneti MQ-Ⅱ e MQ-Ⅲ hanno ancora un HcJ elevato, in particolare l'HcJ di MQ-Ⅱ è inferiore di soli 1~2kOe rispetto alla polvere originale. Per molto tempo GM Company ha prodotto magneti MQ-Ⅱ e MQ-Ⅲ. Fino all'inizio del XXI secolo, ha trasferito la produzione di polvere magnetica NdFeB a Tianjin e le linee di produzione dei magneti MQ-Ⅱ e MQ-Ⅲ sono state spostate a Tianjin. Il Messico ha cessato la produzione poco dopo.
L'analisi della composizione chimica dei materiali magnetici al neodimio più forti NdFeB comprende generalmente:
1-Analisi della composizione chimica delle materie prime, compresa la composizione chimica delle materie prime dei metalli delle terre rare, nonché la composizione chimica del Fe puro industriale, delle leghe B-Fe e di altri metalli, come Ga, Al, Nb, Zr, ecc;
2-La composizione chimica del magnete. Se il magnete è sconosciuto o presenta un problema, è necessario analizzarlo. Se la qualità del prodotto è normale, non è necessario analizzarlo. La composizione chimica del magnete comprende elementi metallici delle terre rare, come Nd, Pr, Ce, Dy, Ho, Gd, Tb, ecc. e altri elementi metallici, come Cu, Al, Nb, Zr, Ga, Co, Ti, ecc;
3-Analisi del contenuto di altri elementi non metallici, come idrogeno, ossigeno, carbonio e altri elementi.
In questo articolo presentiamo principalmente l'analisi della composizione delle materie prime e dei magneti. Nel prossimo numero parleremo dell'analisi di idrogeno, ossigeno e carbonio nei magneti.
L'analisi della composizione dell'NdFeB è uguale a quella dei materiali in acciaio e dei materiali metallici non ferrosi, compresi i metodi di analisi tradizionali e i moderni metodi di analisi fisica.
Il metodo di analisi tradizionale consiste nell'utilizzare il colore, le variazioni di massa e di volume dei reagenti prodotti dalla reazione chimica tra un certo elemento del materiale e una certa sostanza per condurre l'analisi chimica. Questo metodo richiede tempo e lavoro e l'esperienza personale ha un impatto significativo sui risultati dell'analisi. È raramente utilizzato nel controllo di qualità dei materiali NdFeB.
I moderni metodi di analisi fisica utilizzano principalmente la lunghezza d'onda e l'intensità delle linee spettrali emesse quando gli elettroni degli atomi di un determinato elemento saltano in gusci diversi per analizzare gli elementi e il contenuto del materiale. I moderni metodi di analisi fisica utilizzano principalmente strumenti di analisi che possono analizzare più elementi contemporaneamente. La velocità di analisi è elevata, ma anche il costo. Esistono tre categorie principali di metodi di analisi fisica moderni: la spettrometria al plasma, la spettrometria di assorbimento atomico e la spettrometria di fluorescenza atomica. L'analisi con spettroscopia al plasma è più comunemente utilizzata per l'analisi della composizione dei materiali in acciaio, dei metalli e dei composti delle terre rare e dei materiali dei magneti permanenti delle terre rare.
La composizione chimica dei magneti NdFeB (Neodimio Ferro Boro) è fondamentale per le loro eccezionali proprietà magnetiche. Ecco un'analisi della composizione chimica tipica dei magneti NdFeB:
Neodimio (Nd): Il neodimio è l'elemento delle terre rare che dà il nome ai magneti NdFeB. In genere costituisce circa 30-35% della lega in peso. Il neodimio contribuisce all'elevata magnetizzazione del materiale.
Ferro (Fe): Il ferro è uno dei componenti principali dei magneti NdFeB, in genere circa 60-65% della lega. Il ferro garantisce l'integrità strutturale del magnete e contribuisce a mantenerne le proprietà magnetiche.
Boro (B): Il boro è un altro elemento essenziale nei magneti NdFeB, che in genere costituisce circa 1-1,5% della lega. Il boro svolge un ruolo cruciale nella formazione della struttura cristallina del materiale, essenziale per le sue proprietà magnetiche.
Altri elementi: Oltre agli elementi primari, alla lega possono essere aggiunte piccole quantità di altri elementi per migliorarne le proprietà. Questi possono includere elementi come il disprosio (Dy), il terbio (Tb), il cobalto (Co) e l'alluminio (Al). Questi elementi sono spesso aggiunti per migliorare la coercitività del magnete (la sua capacità di resistere alla smagnetizzazione) e la stabilità termica.
L'esatta composizione dei magneti NdFeB può variare a seconda del grado o della formulazione specifica del magnete, nonché di eventuali personalizzazioni effettuate per applicazioni particolari. I produttori controllano attentamente la composizione e la lavorazione della lega per ottenere le proprietà magnetiche desiderate, tra cui la massima energia prodotta e la coercitività, garantendo al contempo l'integrità meccanica e la stabilità.
In generale, la combinazione di neodimio, ferro, boro e altri elementi in proporzioni precise dà vita a magneti NdFeB con un'eccezionale forza magnetica, che li rende indispensabili in varie applicazioni industriali, commerciali e di consumo.
