Comment sont fabriqués les aimants en néodyme ?

L'aimant en néodyme fritté est préparé en faisant fondre les matières premières sous vide ou sous atmosphère inerte dans un four de fusion à induction, puis en les traitant dans une machine à couler les bandes et en les refroidissant pour former une bande d'alliage Nd-Fe-B. Les bandes d'alliage sont pulvérisées pour former une poudre fine de plusieurs microns de diamètre. La poudre fine est ensuite compactée dans un champ magnétique d'orientation et frittée en corps denses. Les corps sont ensuite usinés selon des formes spécifiques, traités en surface et magnétisés.

Pesée

Le pesage de matières premières qualifiées est directement lié à la précision de la composition de l'aimant. La pureté de la matière première et la stabilité de la composition chimique sont la base de la qualité du produit. L'aimant en néodyme fritté sélectionne normalement un alliage de terres rares comme le mischmetal praséodyme-néodyme Pr-Nd, le mischmetal lanthane-cérium La-Ce et l'alliage dysprosium fer Dy-Fe comme matériau pour des raisons de coût. Des éléments à point de fusion élevé, comme le bore, le molybdène ou le niobium, sont ajoutés de manière ferroalliée. La couche de rouille, l'inclusion, l'oxyde et la saleté sur la surface de la matière première doivent être éliminés par une machine de microbillage. De plus, la matière première doit être de taille appropriée pour assurer l'efficacité du processus de fusion ultérieur. Le néodyme possède une faible pression de vapeur et des propriétés chimiques actives, donc le métal des terres rares présente un certain degré de perte par volatilisation et de perte par oxydation pendant le processus de fusion, par conséquent, le processus de pesage de l'aimant en néodyme fritté doit envisager d'ajouter un métal des terres rares supplémentaire pour assurer la précision de la composition de l'aimant.

Fusion et coulée en bande

La fusion et la coulée en bande sont cruciales pour la composition, l'état cristallin et la distribution de phase, impactant ainsi le processus ultérieur et les performances magnétiques. La matière première est chauffée à l'état fondu via une fusion par induction à moyenne et basse fréquence sous vide ou sous atmosphère inerte. La coulée peut être traitée lorsque l'alliage fondu a réalisé l'homogénéisation, l'échappement et la scorification. Une bonne microstructure de lingot coulé doit posséder un cristal en colonne bien développé et de taille fine, puis une phase riche en Nd doit se répartir le long de la limite du grain. De plus, la microstructure du lingot coulé doit être exempte de phase -Fe. Le diagramme de phase Re-Fe indique que l'alliage ternaire de terres rares est inévitable pour produire une phase -Fe lors d'un refroidissement lent. Les propriétés magnétiques douces à température ambiante de la phase -Fe endommageront sérieusement les performances magnétiques de l'aimant et doivent donc être inhibées par un refroidissement rapide. Afin de satisfaire l'effet de refroidissement rapide souhaité pour inhiber la production de phase -Fe, Showa Denko KK a développé la technologie de coulée en bande et est rapidement devenue une technologie courante dans l'industrie. La distribution uniforme de la phase riche en Nd et l'effet inhibiteur sur la phase -Fe peuvent réduire efficacement la teneur totale en terres rares, ce qui est favorable à la fabrication d'aimants hautes performances et à la réduction des coûts.

Décrépitation de l'hydrogène

Le comportement d'hydrogénation des métaux des terres rares, des alliages ou des composés intermétalliques et les propriétés physicochimiques de l'hydrure ont toujours été la question importante de l'application des terres rares. Le lingot d'alliage Nd-Fe-B présente également une très forte tendance à l'hydrogénation. Les atomes d'hydrogène pénètrent dans le site interstitiel entre la phase principale du composé intermétallique et la phase de joint de grain riche en Nd et forment un composé interstitiel. Ensuite, la distance interatomique augmente et le volume du réseau se dilate. La contrainte interne qui en résulte produira une fissuration des joints de grains (fracture intergranulaire), une fracture cristalline (fracture transcristalline) ou une fracture ductile. Ces décrépitements s'accompagnent de craquelures et sont donc connus sous le nom de décrépitement à l'hydrogène. Le processus de décrépitation à l'hydrogène de l'aimant en néodyme fritté est également appelé processus HD. La fissuration des joints de grains et la fracture cristalline générées lors du processus de décrépitation à l'hydrogène rendent la poudre de Nd-Fe-B très fragile et très avantageuse pour le processus de broyage par jet ultérieur. En plus d'améliorer l'efficacité du processus de broyage par jet, le processus de décrépitation à l'hydrogène est également favorable pour ajuster la taille moyenne de la poudre fine.

Fraisage par jet

Le broyage par jet s'est avéré être la solution la plus pratique et la plus efficace dans le traitement des poudres. Le broyage par jet utilise un jet à grande vitesse de gaz inerte pour accélérer la poudre grossière à une vitesse supersonique et impacter la poudre les unes sur les autres. L'objectif principal du traitement des poudres est de rechercher une taille moyenne de particules et une distribution granulométrique appropriées. La différence des caractéristiques ci-dessus présente différentes caractéristiques à l'échelle macroscopique qui ont un impact direct sur le remplissage, l'orientation, le compactage, le démoulage et la microstructure de la poudre générés dans le processus de frittage, puis influencent de manière sensible les performances magnétiques, les propriétés mécaniques, la thermoélectricité et la stabilité chimique de l'aimant en néodyme fritté. La microstructure idéale est un grain de phase principale fin et uniforme entouré d'une phase supplémentaire lisse et fine. De plus, la direction de magnétisation facile du grain de phase principale doit être disposée le long de la direction d'orientation de la manière la plus cohérente possible. Les vides, les gros grains ou la phase magnétique douce entraîneront une réduction significative de la coercivité intrinsèque. La rémanence et la quadrature de la courbe de démagnétisation diminueront simultanément tandis que la direction de magnétisation facile du grain s'écartera de la direction d'orientation. Les alliages doivent alors être pulvérisés en particules monocristallines d'un diamètre compris entre 3 et 5 microns.

Compactage

Le compactage par orientation de champ magnétique consiste à utiliser l'interaction entre la poudre magnétique et le champ magnétique externe pour aligner la poudre le long de la direction de magnétisation facile et la rendre cohérente avec la direction de magnétisation finale. Le compactage par orientation de champ magnétique est la voie la plus courante pour fabriquer un aimant anisotrope. L'alliage Nd-Fe-B a été broyé en particules monocristallines lors du précédent processus de broyage par jet. Les particules monocristallines sont anisotropes uniaxiales et chacune d'elles n'a qu'une seule direction de magnétisation facile. La poudre magnétique se transformera en domaine unique à partir de plusieurs domaines sous l'action du champ magnétique externe après avoir été remplie en vrac dans le moule, puis ajustera son axe C de direction de magnétisation facile pour être cohérente avec la direction du champ magnétique externe via la rotation ou le déplacement. L'axe C de la poudre d'alliage a essentiellement conservé son état d'agencement pendant le processus de compactage. Les pièces compactées doivent subir un traitement de démagnétisation avant le démoulage. L'indice le plus important du processus de compactage est le degré d'orientation. Le degré d'orientation des aimants en néodyme frittés est déterminé par divers facteurs, notamment l'intensité du champ magnétique d'orientation, la taille des particules, la densité apparente, la méthode de compactage, la pression de compactage, etc.

Frittage

La densité de la pièce compactée peut atteindre plus de 95 % de la densité théorique après le processus de frittage traité sous vide poussé ou sous atmosphère inerte pure. Par conséquent, les vides dans l'aimant en néodyme fritté sont fermés, ce qui garantit l'uniformité de la densité du flux magnétique et la stabilité chimique. Étant donné que les propriétés magnétiques permanentes des aimants en néodyme frittés sont étroitement liées à leur propre microstructure, le traitement thermique après le processus de frittage est également essentiel pour l'ajustement des performances magnétiques, en particulier la coercivité intrinsèque. La phase limite de grain riche en Nd sert de phase liquide capable de favoriser la réaction de frittage et de restaurer les défauts de surface sur le grain de la phase principale. La température de frittage de l'aimant en néodyme est généralement comprise entre 1050 et 1180 degrés Celsius. Une température excessive entraînera une croissance des grains et diminuera la coercivité intrinsèque. Afin d'obtenir une coercivité intrinsèque idéale, la squareness de la courbe de démagnétisation et une perte irréversible à haute température, l'aimant en néodyme fritté doit généralement subir un traitement thermique de trempe en deux étapes à 900 et 500 degrés Celsius.

Usinage

En plus de sa forme régulière et de sa taille modérée, l'aimant en néodyme fritté est difficile à obtenir directement la forme et la précision dimensionnelle requises en une seule fois en raison des limitations techniques du processus de compactage de l'orientation du champ magnétique, de sorte que l'usinage est un processus inévitable pour l'aimant en néodyme fritté. En tant que matériau cermet typique, l'aimant en néodyme fritté est considérablement dur et cassant, il n'y a donc que la découpe, le perçage et le meulage qui peuvent être appliqués à son processus d'usinage parmi la technologie d'usinage conventionnelle. La découpe de lame utilise généralement une lame revêtue de diamant ou de CBN. La découpe au fil et la découpe au laser sont bien adaptées à l'usinage d'aimants de forme spéciale, mais sont accusées d'une faible efficacité de production et d'un coût de traitement élevé en même temps. Le processus de perçage de l'aimant en néodyme fritté est principalement adopté au diamant et au laser. Il est nécessaire de sélectionner le processus de trépanage lorsque le trou intérieur de l'aimant annulaire est supérieur à 4 mm. En tant que sous-produit du processus de trépanage, le noyau trépané peut être utilisé pour fabriquer d'autres aimants plus petits appropriés et ainsi améliorer considérablement le taux d'utilisation du matériau. La meule pour la rectification par copie est fabriquée sur la base de la surface de rectification.

Traitement de surface

Le traitement de protection de surface est une procédure nécessaire pour l'aimant en néodyme, en particulier l'aimant en néodyme fritté. L'aimant en néodyme fritté possède une microstructure multiphasée et se compose de Nd₂Fe₁₄Phase principale B, phase riche en Nd et phase riche en B. La phase riche en Nd présente une très forte tendance à l'oxydation et constituera la batterie principale avec la phase principale dans un environnement humide. Une petite quantité d'éléments de substitution est capable d'améliorer la stabilité chimique des aimants, mais au détriment des performances magnétiques. Par conséquent, la protection de l'aimant en néodyme fritté vise principalement sa surface. Le traitement de surface de l'aimant en néodyme fritté peut être classé en processus humide et processus sec. Le processus humide fait référence aux aimants qui subissent un traitement de protection de surface dans de l'eau pure ou une solution. Le processus humide comprend le phosphate, la galvanoplastie, le placage électrolytique, l'électrophorèse, le revêtement par pulvérisation et le revêtement par immersion. Le processus sec fait référence aux aimants qui subissent un traitement de protection de surface par un processus physique ou chimique sans contact avec une solution. Le processus sec contient généralement le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD).

Magnétisation

La majorité des aimants permanents sont magnétisés avant d'être utilisés pour leurs applications prévues. Le processus de magnétisation consiste à appliquer un champ magnétique le long de la direction d'orientation de l'aimant permanent et à obtenir une saturation technique avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique externe. Chaque type de matériau magnétique permanent nécessite une intensité de champ magnétique distincte pour atteindre la saturation technique dans la direction de magnétisation. La rémanence et la coercivité intrinsèque seront inférieures à leurs valeurs dues, à moins que l'intensité du champ magnétique externe ne soit inférieure au champ magnétique de saturation technique. L'aimant permanent peut être divisé en type isotrope et type anisotrope selon qu'il a une direction de magnétisation facile ou non. En tant qu'aimant anisotrope à coercivité intrinsèque élevée, l'aimant en néodyme fritté doit être magnétisé par magnétisation par impulsion. Le condensateur sera chargé après rectification, puis l'énergie électrique du condensateur se déchargera instantanément vers le dispositif de magnétisation. Le dispositif de magnétisation peut générer le champ magnétique pulsé pendant le fort courant instantané qui le traverse. Par conséquent, l'aimant permanent dans la bobine sera magnétisé. Différents modèles de magnétisation peuvent être obtenus sur un aimant en néodyme fritté à condition qu'ils ne soient pas en conflit avec sa direction d'orientation.