آهنربا نئودیمیوم سینترد + کاربرد و خواص مغناطیسی

۱۴۰۱/۰۴/۲۸

آهنربا نئودیمیوم قوی ترین نوع آهنربای دائمی است که آلیاژی آنیزوتروپیک مرکب از عناصر نئودیمیوم،آهن و بور بوده و دارای بالاترین BHmax درمیان انواع آهنرباها است.

آهنربا نئودیمیوم (همچنین به آن آهنربای NdFeB ، NIB یا Neo نیز گفته می شود) پرکاربردترین نوع آهنربا است. نئودیمیوم یک آهنربای دائمی است که از آلیاژی از نئودیمیوم ، آهن و بور ساخته می شود و ساختار بلوری تتراگونال Nd2Fe14B را تشکیل می دهد. آهنربا نئودیمیوم در سال 1984 همزمان و جداگانه توسط جنرال موتورز و شرکت فلزات ویژه ی سومیتومو توسعه یافته است، آن ها انواع مختلف آهنربا را در بسیاری از کاربردها در محصولات مدرن که به آهنرباهای دائمی قوی نیاز دارند ، مانند موتورهای الکتریکی، ابزارهای بی سیم ، درایوهای دیسک سخت و اتصال دهنده های مغناطیسی جایگزین کرده اند. آهنربا نئودیمیوم قوی ترین نوع آهنربای دائمی موجود در بازار است. به دلیل فرایندهای مختلف تولید، آن ها به دو زیر گروه تقسیم می شوند، آهنربای NdFeB تفجوش شده (sintered) و آهنربای NdFeB پیوند خورده (bonded).

تاریخچه:

شرکت های جنرال موتورز و فلزات ویژه سومیتومو به طور مستقل و تقریباً همزمان ترکیب Nd2Fe14B را در سال 1984 کشف کردند. این تحقیق در ابتدا با هزینه بالای مواد اولیه ی آهنربا ساماریوم (SmCo) که قبلاً تولید شده بودند انجام شد. جنرال موتورز بر توسعه آهنربای نئودیمیوم از طریق فرایند نانوکریستالی ذوب ریسی (melt-spinning) متمرکز شد، در حالی که سومیتومو آهنربای Nd2Fe14B سینتر شده با تراکم کامل (full-density sintered) را توسعه داد.

جنرال موتورز اختراعات خود مانند پودر ایزوتروپیک نئو ، آهنربای پیوند خورده ی نئو و محصولات تولید شده ی مرتبط با این فرآیندها را با تأسیس مگنکوئنچ در سال 1986 تجاری کرد ( مگنکوئنچ از آن زمان بخشی از شرکت Neo Materials Technology بود که بعداً در Molycorp ادغام شد). این شرکت پودر ذوب شده ی Nd2Fe14B را به تولیدکنندگان آهنربا عرضه کرد.

شرکت Sumitomo بخشی از شرکت هیتاچی شد و شرکت های دیگری را نیز تاسیس کرد. همچنین مجوز تولید آهنربا Nd2Fe14B سینتر شده را صادر کرد. هیتاچی بیش از 600 اختراع ثبت شده در خصوص پوشش آهنربای نئودیمیوم را در اختیار داشته است.

تولیدکنندگان چینی به دلیل کنترل اکثر معادن عناصر کمیاب ، به یک نیروی غالب در تولید آهنربا نئودیمیوم تبدیل شده اند. وزارت انرژی ایالات متحده ی آمریکا بر لزوم یافتن جایگزینی مناسب به جای فلزات خاکی کمیاب در فناوری آهنربای دائمی تاکید و بودجه چنین تحقیقاتی را تأمین کرده است. همچنین آژانس انرژی پروژه های تحقیقاتی پیشرفته نیز از برنامه های مرتبط با جایگزینی عناصر کمیاب خاکی در تکنولوژی های حساس حمایت مالی کرده است. در سال 2011 ، ARPA-E 32 میلیون دلار برای تأمین بودجه پروژه های مرتبط با یافتن جایگزین عناصر کمیاب خاکی اعطا کرد. به دلیل نقش نئودیمیوم در آهنرباهای دائمی به کار رفته در توربین های بادی ، پیش بینی می شود در آینده و با توجه به اهمیت بالای مبحث انرژی های تجديدپذیر، نئودیمیوم یک عنصر مهم در رقابت ژئوپلیتیک در دنیا شود.

نئودیمیوم سینترد (Sintered NdFeB)

ترکیب شیمیایی:

نئودیمیوم یک فلز فرومغناطیس است، به این معنی که مانند آهن می توان آن را مغناطیسی کرد تا به یک آهنربا تبدیل شود ، اما دمای کوری آن (دمایی که خاصیت مغناطیسی آن از بین می رود) منفی 254 درجه سانتی گراد است، بنابراین در شکل خالص، مغناطیسی آن فقط در دمای بسیار پایین ظاهر می شود. با این حال، ترکیبات نئودیمیوم با برخی فلزات مانند آهن می تواند دمای کوری را تا دمایی بسیار بالاتر از دمای اتاق، بالا برد. در نتیجه از این آلیاژها برای ساخت آهنربا نئودیمیوم استفاده می شود.

قدرت آهنربای نئودیمیوم نتیجه چندین عامل است. مهم ترین عامل این است که ساختار کریستال Nd2Fe14B چهار ضلعی دارای ناهمسانگردی مگنتوکریستالی تک محوره فوق العاده زیاد است. این بدان معناست که مغناطیسی کردن یک کریستال از این مواد در امتداد یک محور انجام می شود اما در جهت های دیگر مغناطیسی کردن بسیار دشوار خواهد بود. مانند دیگر آهنرباها، آلیاژ آهنربا نئودیمیوم نیز از دانه های میکروکریستالی تشکیل شده است که در حین ساخت در یک میدان مغناطیسی قدرتمند قرار می گیرند تا محورهای مغناطیسی آن ها در یک جهت قرار گیرند.

اتم نئودیمیوم می تواند یک گشتاور دوقطبی مغناطیسی بزرگ داشته باشد زیرا در ساختار الکترون خود 4 الکترون جفت نشده در مقابل (به طور متوسط) 3 الکترون در آهن دارد. در یک آهنربا ، الکترون های جفت نشده به گونه ای تراز شده اند که چرخش آن ها در یک راستا باشد و میدان مغناطیسی را تولید می کنند. این امر به ترکیب Nd2Fe14B یک مغناطش اشباع بالا و یک مغناطش باقیماندهی به طور معمول 1.3 تسلا می دهد. بنابراین ، این فاز مغناطیسی توانایی ذخیره مقادیر زیادی انرژی مغناطیسی را دارد. این مقدار انرژی مغناطیسی حدود 18 برابر بیشتر از آهنرباهای فریت معمولی با حجم یکسان و 12 برابر بیشتر از آهنرباهای فریت معمولی با جرم یکسان است. انرژی مغناطیسی در آلیاژهای NdFeB بیشتر از آهنرباهای کبالت ساماریوم (SmCo) است که اولین نوع آهنربای خاکی کمیاب بودند که تجاری شدند.

ساختار بلوری Nd2Fe14B را می توان به عنوان لایه های متناوبی از اتم آهن و یک ترکیب نئودیمیوم-بور توصیف کرد. اتم های دیامغناطیسی بور مستقیماً به خاصیت مغناطیسی کمک نمی کنند بلکه با پیوند قوی کووالانسی جاذبه مولکولی را بهبود می بخشند. فراوانی نسبی نئودیمیوم و آهن در مقایسه با ساماریوم و کبالت باعث می شود آهنرباهای نئودیمیوم از آهنرباهای ساماریوم-کبالت ارزان تر باشد.

درجه بندی:

آهنربا نئودیمیوم با توجه به حداکثر انرژی تولیدی ، که مربوط به خروجی شار مغناطیسی در واحد حجم است، درجه بندی می شوند. مقادیر بالاتر، بر قدرت بیشتر آهنربا دلالت دارد. برای آهنربا NdFeB سینتر شده، یک درجه بندی بین المللی وجود دارد. این درجه بندی از 28 تا 52 است. حرف اول N قبل از آن مخفف نئودیمیوم و به معنای آهنربای NdFeB سینتر شده است. عدد بعد از N نشانگر مقاومت ذاتی آهنربا در برابر دشارژ شدن و حداکثر دمای عملیاتی آن است که از (80 تا 230 درجه سانتیگراد) متغیر است.

خواص مغناطیسی:

برخی از خواص تعریف شده برای مقایسه آهنرباهای دائمی عبارتند از:

Remanence (Br) : که قدرت میدان مغناطیسی را اندازه گیری می کند.
Coercivity (Hci): مقاومت ماده در برابر دشارژ شدن را نشان می دهد.
(Maximum) Energy product (BHmax): به معنای چگالی انرژی مغناطیسی ماده است که برابر است با حداکثر مقدار حاصل ضرب چگالی شار مغناطیسی (B) در شدت میدان مغناطیسی (H).
دمای کوری (TC): دمایی که ماده خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد.

<آهنرباهای نئودیمیوم Br و Hci بالاتری نسبت به دیگر آهنرباها دارند ، اما دمای کوری آن ها نسبت به دیگر آهنرباها پایین تر است. البته آلیاژهای خاص آهنربای نئودیمیوم که شامل تربیوم و دیسپروزیوم است دمای کوری بالاتری دارد و می تواند در دماهای بالاتر مورد استفاده قرار گیرد.

جدول زیر عملکرد مغناطیسی آهنرباهای نئودیمیوم را با دیگر آهنرباهای دائمی مقایسه می کند.

*T_C*		*BH_max* (kJ/m³)	*H_ci* (kA/m)	*B_r* (T)	Magnet
(^oF)	(^oC)	*BH_max* (kJ/m³)	*H_ci* (kA/m)	*B_r* (T)	Magnet
590-752	310-400	200-440	750-2000	1.0-1.4	Nd₂Fe₁₄B, sintered
590-752	310-400	60-100	600-1200	0.6-0.7	Nd₂Fe₁₄B, bonded
1328	720	120-200	600-2000	0.8-1.1	SmCo₅, sintered
1472	800	150-240	450-1300	0.9-1.15	Sm(Co, Fe, Cu, Zr)₇, sintered
1292-1580	700-860	10-88	275	0.6-1.4	Alnico, sintered
842	450	10-40	100-300	0.2-0.78	Sr-ferrite, sintered

مشکلات ناشی از خوردگی:

Nd2Fe14B سینتر شده، در برابر خوردگی آسیب پذیر است (به ویژه در امتداد مرز دانه هایش). این نوع خوردگی می تواند باعث خرابی آهنربا شود ، از جمله خرد شدن آهنربا و تبدیل آن به پودر ذرات مغناطیسی کوچک و یا پوسته پوسته شدن لایه سطحی آن. این آسیب پذیری با افزودن یک پوشش محافظ برای جلوگیری از قرار گرفتن در معرض جو، رفع شده است. آبکاری نیکل یا روکش دو لایه مس و نیکل متداول ترین روش پوشش دهی است، اگرچه آبکاری با فلزات دیگر یا پوشش های محافظ پلیمر و لاک نیز استفاده می شود.

اثر دما:

نئودیمیوم ضریب منفی دارد ، به این معنی که مقاومت آن در برابر دشارژ شدن و چگالی انرژی مغناطیسی آن (BHmax) با افزایش دما کاهش می یابد. آهنربا نئودیمیوم-آهن-بور در دمای اتاق از Hci بالایی برخوردارند ، اما با افزایش دما از 100 درجه سانتیگراد ، تا دمای کوری (در حدود 320 درجه سانتیگراد) Hci به شدت کاهش می یابد. این امر باعث کاهش کارایی آهنربا در شرایط کاری با دمای بالا مانند توربین های بادی، موتورهای ترکیبی و غیره می شود. اضافه کردن دیسپروزیم (Dy) یا تربیوم (Tb) به آهنربا برای جلوگیری از افت عملکرد ناشی از تغییرات دما، باعث افزایش قیمت آن می شود.

خطرات:

نیروی بزرگی که توسط آهنربا نئودیمیوم اعمال می شود ، خطراتی را ایجاد می کند. آهنرباهای نئودیمیوم بزرگتر از چند سانتی متر مکعب آنقدر قوی هستند که قرار گرفتن اعضای بدن بین دو آهنربا یا آهنربا و سطح فلزات آهنی باعث آسیب دیدگی، جراحت و حتی شکستگی استخوان ها می شوند. همچنین نزدیک کردن بیش از حد این آهنرباها به هم نیروی کافی جهت جذب پر قدرت آن ها را ایجاد می کند. برخورد این آهنرباها به هم باعث شکسته شدن آن ها می شود. ذرات ریز شکسته شده می تواند باعث آسیب دیدگی مخصوصا آسیب به چشم ها شود. حتی مواردی وجود داشته است که کودکان خردسالی که چندین آهنربا را بلعیده اند ، دستگاه گوارش آن ها بر اثر برخورد این آهنرباها به هم آسیب دیده و در برخی موارد منجر به مرگ شده است. همچنین کار با ماشین آلاتی که آهنربا دارند می تواند برای سلامتی مضر باشد. میدان های مغناطیسی قوی می تواند برای دستگاه های مکانیکی و الکترونیکی خطرناک باشند ، به عنوان مثال می تواند باعث خرابی ابزارهای مغناطیسی مانند دیسک های فلاپی، ساعت ها، مانیتورهای CRT و کارت های اعتباری شود

روش تولید:

دو روش اصلی برای ساخت آهنربا نئودیمیوم وجود دارد:

متالورژی پودر کلاسیک یا فرآیند تفجوشی (سینتر): آهنرباهای Nd سینتر شده، در کوره ذوب می شود، در قالب ریخته می شود و خنک می شود تا شمش ایجاد شود. شمش ها پودر شده و آسیاب می شوند. سپس پودر به صورت بلوک های متراکم پخته می شود. سپس بلوک ها تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند ، برش داده می شوند و در نهایت پوشش دهی و مغناطیس می شوند.
انجماد سریع یا bonded: آهنرباهای Nd باندد با چرخاندن یک نوار نازک از آلیاژ NdFeB ذوب ریسی شده تهیه می شوند. نوارها حاوی دانه های مقیاس نانو Nd2Fe14B با جهت های تصادفی هستند. سپس این نوارها پودر می شوند، با یک پلیمر مخلوط می شوند و به صورت فشرده سازی یا تزریق قالب به آهنربا باندد تبدیل میشوند.

در سال 2015 ، شرکت نیتو دنکو ژاپن از توسعه یک روش جدید سینتر مواد آهنربای نئودیمیوم خبر داد. این روش با بهره گیری از "فناوری پیوندی آلی / معدنی" مخلوطی شبیه رس را ایجاد می کند که می تواند به شکل های مختلفی برای سینتر شدن تبدیل شود. از همه مهمتر، گفته می شود که می توان جهت گیری غیریکنواخت میدان مغناطیسی در مواد سینتر شده را کنترل کرد تا به صورت محلی میدان را متمرکز کند.

از سال 2012 ، هر ساله 50،000 تن آهن ربا نئودیمیوم به طور رسمی در چین تولید می شود. چین بیش از 95 درصد عناصر خاکی کمیاب، حدود 76 درصد کل آهنرباهای خاکی کمیاب و همچنین بیشتر نئودیمیوم جهان را تولید می کند.

کاربردها:

آهنربا نئودیمیوم در بسیاری از موارد در فناوری مدرن که به آهنرباهای دائمی قوی نیاز است، جایگزین آهنربا آلنیکو و آهنربا فریت شده اند، زیرا قدرت بیشتر آن ها امکان استفاده از آهنرباهای کوچکتر و سبکتر را فراهم کرده است. برخی از نمونه ها عبارتند از:

محرک های هد دیسک های رایانه
سوئیچ های سیگار الکترونیکی
قفل درب
بلندگوها و هدفون ها
بلندگوهای تلفن همراه
یاتاقان و کوپلینگ مغناطیسی
طیف سنج
موتورهای الکتریکی: (استفاده از آهنربا نئودیمیوم در موتورهای الکتریکی می تواند مصرف انرژی آن ها را به نصف کاهش دهد.)
ابزارهای بی سیم
سرو موتور
موتورهای همزمان
موتورهای اسپیندل و پله ای
فرمان برقی
موتورهای محرکه برای وسایل نقلیه هیبریدی و الکتریکی. (در موتورهای الکتریکی هر تویوتا پریوس یک کیلوگرم (2.2 پوند) نئودیمیوم به کار رفته است.)
ژنراتورهای الکتریکی برای توربین های بادی (فقط آنهایی که با تحریک آهنربای دائمی کار می کنند)

نئودیمیوم باندد (Bonded NdFeB)

کاربردهای جدید:

قدرت بیشتر آهنربا نئودیمیوم باعث ایجاد کاربردهای جدید در زمینه هایی شده که قبلاً از آهنربا استفاده نمی شده است، مانند بست های جواهرات مغناطیسی، اسباب بازی های مغناطیسی کودکان (و سایر اسباب بازی های آهنربا نئودیمیوم و به عنوان بخشی از مکانیزم بسته شدن تجهیزات مدرن چترهای ورزشی.

قدرت و همگنی میدان مغناطیسی در آهنربا نئودیمیوم باعث شده است تا از این آهنرباها در اسکنرهای تصویربرداری (MRI)، برای تصویربرداری از بدن در بخش های رادیولوژی و به عنوان جایگزینی برای آهنرباهای ابررسانا استفاده شود. از آهنربا نئودیمیوم به عنوان یک سیستم ضد رفلاکس در جراحی استفاده می شود. در این روش درمان نواری از آهنربا در اطراف اسفنکتر تحتانی مری کاشته می شود تا بیماری رفلاکس معده (GERD) را درمان کند.