Из чего состоит магнитный порошок? Объяснение феррита, NdFeB и магнитомягких сплавов

Магнитный порошок — это не отдельный материал. Это фрезерованная форма магнитного сплава, и то, из чего он сделан, полностью зависит от того, к какому семейству магнитов он принадлежит. Ферритовый порошок представляет собой в основном оксид железа с карбонатом бария или стронция. Порошок NdFeB состоит из неодима, железа и бора, обычно с несколькими процентами диспрозия, кобальта, меди, алюминия или галлия. Порошок самария-кобальта представляет собой редкоземельный сплав кобальта. Магнитомягкие порошки представляют собой сплавы на основе железа, такие как железо-кремний, железо-кремний-алюминий или железо-никель, в которых каждая частица изолирована от своих соседей.

Размер частиц варьируется от примерно 1 мкм для феррита до примерно 200 мкм для некоторых магнитомягких марок. Состав плюс распределение частиц по размерам решают почти все, как ведет себя порошок: как он заполняет матрицу, как выравнивается в магнитном поле, насколько коэрцитивность выдерживает спекание и сколько кислорода он поглотит, прежде чем достигнет пресса.

Четыре семейства магнитных порошков

Почти каждый промышленный магнитный порошок относится к одному из четырех семейств, и у каждого семейства есть рецепт, который остается удивительно стабильным на протяжении десятилетий.

Далее следуют два практических момента. Во-первых, разница между твердым и мягким порошком металлургическая, а не косметическая: твердые порошки сохраняют намагниченность после снятия поля, тогда как мягкие порошки предназначены для легкого реверса и сжигания как можно меньше энергии. Во-вторых, диапазоны размеров почти не перекрываются, поэтому ситовой анализ часто является самым быстрым способом определить, что на самом деле представляет собой неизвестный образец.

Ферритовый порошок состоит в основном из оксида железа

Примерно 80–90% массы ферритового порошка составляет оксид железа, а карбонат бария или стронция составляет большую часть оставшейся части.

Два сырья смешиваются, затем прокаливаются при температуре около 1200–1300 ° C, так что карбонат реагирует с оксидом с образованием гексагонального гексаферрита М-типа. Обожженный клинкер измельчается и измельчается примерно до 1 мкм, поскольку феррит имеет большую магнитокристаллическую анизотропию и для достижения полной коэрцитивной силы ему необходимы мелкие частицы. В результате получается порошок с остаточной намагниченностью около 0,4 Т и максимальной рабочей температурой около 250 °C, что является скромным показателем, но имеет два преимущества, которые имеют значение при покупке: очень низкая стоимость сырья и отличная коррозионная стойкость без какого-либо покрытия.

Эта комбинация удерживает ферритовый порошок в связанных магнитах, сенсорных кольцах и недорогих дугах двигателей даже там, где существуют более прочные материалы.

Порошок NdFeB: неодим, железо, бор и небольшие добавки.

Магнитной фазой в порошке NdFeB является Nd2Fe14B, которая в чистом виде содержит около 26,7% неодима, 72,3% железа и 1,0% бора по массе.

Коммерческие сплавы намеренно богаты неодимом, обычно 29–32%, так что между твердыми зернами образуется тонкая зернограничная фаза из редкоземельных металлов. Диспрозий и тербий частично заменяют неодим и повышают коэрцитивную силу за счет остаточной намагниченности и цены. Кобальт заменяет железо и повышает температуру Кюри и коррозионную стойкость. Медь, алюминий и галлий модифицируют зернограничную фазу и улучшают уплотнение во время спекания, а цирконий и ниобий помогают контролировать рост зерен.

Примеси имеют такое же значение, как и преднамеренные добавки. В спеченном порошке содержание кислорода обычно ниже примерно 2500 ppm, и каждые дополнительные 1000 ppm требуют коэрцитивной силы, поскольку кислород связывает редкоземельные элементы в немагнитные оксиды. Углерод из связующих и смазочных материалов действует аналогичным образом.

Блочные спеченные постоянные магниты NdFeB Персонализируемые прямоугольные спеченные магниты NdFeB с возможностью выбора марки, покрытия и направления намагничивания для компактных и стабильных магнитных цепей и сборок. Посмотреть продукт →

Спеченные марки подвергаются струйному фрезерованию до толщины 2–5 мкм в атмосфере азота. Порошок размером менее 1 мкм окисляется быстрее, чем может выдержать большинство растений; выше примерно 6 мкм коэрцитивность падает. Связанный NdFeB работает по другому пути: быстро закаленный порошок или порошок HDDR удерживает субмикронные зерна внутри каждой частицы размером 50–150 мкм, поэтому материал можно смешать с 8–12% смолы и отформовать или экструдировать.

Мягкий магнитный порошок представляет собой железный сплав с изолирующей оболочкой.

Магнитомягкие порошки представляют собой сплавы на основе железа, выбранные из-за низкой коэрцитивной силы, и каждая частица имеет тонкий изолирующий слой, поэтому уплотненная часть не проводит вихревые токи.

Чистое железо дает самое высокое насыщение, близкое к 2,1 Тл. Добавление 3% кремния снижает потери и магнитострикцию. Железо-кремний-алюминий (сендуст) меняет некоторое насыщение на очень низкие потери, никель железа-50 обеспечивает высокую проницаемость для компонентов сигнального уровня, а никель-молибденовый пермаллой обеспечивает стабильную индуктивность, необходимую для сердечников фильтров. Изолирующая оболочка обычно представляет собой фосфатное конверсионное покрытие или силан/силиконовый слой толщиной в десятки нанометров, наносимый перед уплотнением при давлении 600–1500 МПа и отжигом для снятия напряжений.

Плотность уплотнения составляет около 7,2–7,5 г/см³ против 7,6 г/см³ для кованой стали, поэтому магнитомягкие композиты подходят для трехмерных магнитных путей, которые ламинированная сталь вообще не может построить.

Что еще входит в порошок

Готовый магнитный порошок редко представляет собой чистый сплав. Большинство марок содержат от нескольких десятых процента до нескольких процентов добавок, которые делают материал пригодным для переработки.

• Смазочные материалы, такие как стеарат цинка или этилен-бис-стеарамид в концентрации 0,2–0,5%, уменьшают трение матрицы и силу выталкивания.
• Связующие вещества, такие как эпоксидная смола, фенольная смола, полиамид или ППС в концентрации 2–12%, удерживают вместе склеенные магниты и магнитомягкие композиты.
• Пассивация поверхности и связующие агенты, обычно силаны, улучшают адгезию покрытия и уменьшают окисление во время хранения.
• Тяжелые редкоземельные элементы можно применять после спекания путем зернограничной диффузии, а не плавить в сплаве, что повышает коэрцитивную силу при гораздо меньшем количестве диспрозия.

Как делается порошок

Каждый магнитный порошок следует одной и той же широкой последовательности: одна ветвь — для литейных сплавов, а другая — для прореагировавших оксидов.

1. Легирование: плавление неодима, железа и бора в полосовые чешуйки или взаимодействие оксида железа с карбонатом бария или стронция во вращающейся печи.
2. Грубое дробление: щековое дробление или молотковая дробилка до размеров нескольких миллиметров.
3. Растрескивание водорода: NdFeB поглощает водород и растрескивается по границам зерен, что намного дешевле, чем непосредственное фрезерование полосы.
4. Струйное измельчение: струи азота измельчают порошок до 2–5 мкм, сохраняя при этом поглощение кислорода под контролем.
5. Классификация и смешивание: просеивание для отделения грубых и мелких хвостов, затем добавление смазки, антиоксиданта или связующего вещества и гомогенизация.
6. Упаковка: азотная или аргоновая оболочка с влагонепроницаемым слоем, так как бочка с мелким порошком NdFeB разлагается во влажном воздухе в течение нескольких недель.

Как композиция меняет производительность

Несколько десятых процента правильного элемента могут изменить коэрцитивную силу или температурный рейтинг дальше, чем на полный шаг размера частиц.

Состав порошка также определяет геометрию детали.

Путь с порошком решает, какие формы являются экономичными, поскольку деталь, которую нельзя сжимать и извлекать, невозможно изготовить по разумной цене.

Спеченный порошок уплотняется в матрице под выравнивающим полем, поэтому геометрия ограничивается тем, что может выбрасывать матрица: блоки, диски, кольца, дуги и трапеции, с нарезкой или шлифовкой для получения окончательных допусков. Полный Ассортимент спеченных форм NdFeB следует этому правилу, и точность размеров в направлении прессования всегда хуже, чем в радиальном направлении, из-за усадки во время спекания. Связанные и магнитомягкие композиты, напротив, можно литьем под давлением или горячим уплотнением с получением тонких стенок и многоуровневых деталей.

Если чертеж не входит в стандартные семейства, его форму необходимо с самого начала проектировать с учетом направления прессования, усадки и ориентации волокон.

Спеченные магниты NdFeB нестандартной формы Спеченные магниты NdFeB, изготовленные по индивидуальному заказу в виде дисков, колец, блоков, дуг и сложной геометрии, с настраиваемым классом, намагниченностью и покрытием для прецизионных устройств. Посмотреть продукт →

Что покупатели должны проверить перед заказом

Самого по себе сертификата анализа недостаточно; пять чисел предсказывают, как на самом деле порох будет течь по вашей леске.

• Распределение частиц по размерам: D50 указывает на сорт, а высокий D90 указывает на крупные частицы, которые создают слабые места и плохое выравнивание.
• Содержание кислорода и углерода: две примеси, которые незаметно поглощают принудительную силу и вызывают дрейф от партии к партии.
• Магнитные данные на испытательном прессе: остаточная магнитная индукция, внутренняя коэрцитивная сила и энергетическое произведение, измеренные после того же цикла уплотнения, который вы будете использовать.
• Кажущаяся плотность, плотность выпуска и расход Холла: они контролируют однородность заполнения матрицы и, следовательно, распределение веса по всему производственному циклу.
• Однородность покрытия или связующего: неравномерная изоляция проявляется позже в виде чрезмерных потерь в сердечнике или низкой прочности в сыром состоянии.

Опубликовано параметры продукта определите марку, но ваш выход зависит от паспорта порошка, поэтому просите десять последовательных партий истории, а не один сертификат.

Где оказывается магнитный порошок

Применение в двигателях поглощает большую часть порошка NdFeB, производимого во всем мире, и этот спрос определяет легкодоступные марки.

Тяговые двигатели в электромобилях, двигатели вентиляторов и насосов, ветряные турбины, громкоговорители, магнитные муфты и узлы датчиков — все они изначально представляют собой порошок. Автомобильная и ветровая промышленность стремятся к более высокой коэрцитивной силе и лучшей температурной стабильности, бытовая электроника — к тонким стенкам и жестким допускам, а аэрокосмическая промышленность — к самарий-кобальту, где рабочие температуры превышают то, что может выдержать NdFeB.

Спеченные магниты NdFeB для синхронных двигателей Категория «Двигатели-магниты», охватывающая индивидуальные спеченные марки и формы NdFeB для синхронных двигателей с высоким крутящим моментом в электромобилях, промышленности, ветроэнергетике и бытовой технике. Посмотреть продукт →

Часто задаваемые вопросы

Является ли магнитный порошок природным материалом?

Нет. Все коммерческие магнитные порошки производятся либо путем плавления и измельчения сплава, либо путем реакции оксидов при высокой температуре. Природный магнетит обладает магнитными свойствами, но его не используют в качестве технического порошка, поскольку его коэрцитивная сила и консистенция слишком низки.

Опасен ли порошок NdFeB?

Мелкая фракция пирофорна на воздухе, поэтому ее следует хранить в атмосфере азота или аргона и хранить вдали от открытого огня и статических разрядов. Готовые, полностью плотные магниты инертны при нормальном использовании; риск связан с обработкой стружки и пыли, поэтому мокрая резка и пылеудаление являются стандартной практикой.

Можно ли сделать магнитный порошок из переработанных магнитов?

Да. Магниты с истекшим сроком службы и производственный лом можно обезвреживать водородом и повторно измельчать в пригодный к употреблению порошок, но поглощение кислорода и остаточное загрязнение покрытия обычно ограничивают перерабатываемое содержание в сортах с высокой коэрцитивной силой. Вторичный материал чаще встречается в связанных и ферритовых изделиях, чем в спеченном высококачественном NdFeB.

Чем отличается магнитный порошок от готового магнита?

Порошок имеет ту же кристаллическую структуру, что и готовый магнит, но практически не имеет чистой намагниченности, поскольку частицы направлены в случайных направлениях. Выравнивание в магнитном поле и уплотнение путем спекания или склеивания превращают порошок в магнит с полезной остаточной намагниченностью.

Композиция — это отправная точка, а не вся история. Два порошка с одинаковым химическим составом могут по-разному вести себя на одной и той же прессе из-за гранулометрического состава, уровня кислорода и качества покрытия. При выборе магнитного порошка сначала опишите область применения: рабочую температуру, требуемую коэрцитивную силу, геометрию детали и годовой объем. Эти четыре входных данных позволяют сузить семейство, класс и пакет присадок быстрее, чем любой поиск по каталогу.