Изготовление и применение постоянных магнитов на основе сплава Nd-Fe-B

Реферат на тему

Изготовление и применение постоянных магнитов

на основе сплава Nd-Fe-B

  2012

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………..3

Получение спеченных магнитов Nd-Fe-B………………………………………5

Применение постоянных магнитов……………………………………………...9

Заключение………………………………………………………………………12

Список литературы………………………………………………………………14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В середине 80-х годов было основано промышленное производство постоянных магнитов на основе сплава Nd-Fe-B. Магниты на основе Nd-Fe-B более мощные, чем Sm-Co(другого распространённого магнитного сплава), и производство постоянных магнитов Nd-Fe-B экономически более эффективно.

В 1970-х и 1980-х годах на основе редкоземельных элементов (самарий  и неодим) были получены материалы, обладавшие улучшенными магнитными свойствами, так называемые редкоземельные магниты. Применение редкоземельных магнитов позволило сделать устройства, использующие постоянные магниты более миниатюрными и мощными. Рассмотрим более подробно свойства редкоземельных магнитов, а также их достоинства и недостатки по сравнению с другими типами магнитных материалов.

Редкоземельные магниты, приготовленные на основе сплава Sm-Co, обладают хорошими магнитными характеристиками (высокие значения намагниченности  насыщения, коэрцитивной силы), термической  стабильностью, а также устойчивостью  по отношению к процессам коррозии. Основной недостаток этого типа магнитов - высокая цена на Sm и Co, из-за которой  широкое применение Sm-Co магнитов в  настоящее время затруднено. Тем  не менее, магнитные материалы на основе Sm-Co применяются в жестких  дисках компьютеров и электрических моторах постоянного тока.

Наиболее перспективными в настоящее время представляются спеченные магниты Nd-Fe-B. Отметим их основные преимущества. Во-первых, достигнутое значение энергетического произведения BHMAX у магнитов Nd-Fe-B - наибольшее из всех известных материалов (до 50 МГсЭ и выше), однако это ещё не предел - из теоретических вычислений следует, что для этого материала максимально возможное значение (BH)_max = 64 МГсЭ. Во-вторых, они характеризуются высокой температурой Кюри TC, составляющей около 160-170 ⁰C для марок с рабочей температурой 80^oС. Однако, в настоящее время выпускаются марки Nd-Fe-B с рабочей температурой даже до 200^oC, что открывает широкую перспективу их применения в электромоторах, использующих постоянные магниты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получение спеченных  магнитов Nd-Fe-B 

 

Технология производства.

Технологический цикл изготовления постоянных магнитов составляет от 10 до 20 дней в зависимости от типа магнита.

 
Технология изготовления редкоземельных магнитов (Sm-Co и Nd-Fe-B) состоит из следующих операционных переделов. Основным методом получения порошка Nd-Fe-B является восстановительная диффузная химическая реакция. Реакция должна осуществляться в вакууме во избежание окисления сильноактивных металлов., то есть первый этап – выплавка сплава. Затем полученные слитки дробят(дробление и тонкое измельчение (до 5 мкм)-этап 2). Это одна из самых трудных стадий при изготовлении спеченных магнитов Nd-Fe-B -- процесс изготовления порошка с частицами размером 5-10 мкм из вещества, полученного в результате химической реакции. Во время этой операции в материал могут попасть кислород и водород, которые очень хорошо поглощаются и приводят к заметному снижению магнитных и механических характеристик магнитов. Для предотвращения попадания в материал нежелательных веществ синтез и первичную обработку проводят в вакууме. Измельченный порошок Nd-Fe-B прессуют в постоянном магнитном поле так чтобы ориентировать магнитные моменты зёрен в образце в одном направлении(прессование в магнитном поле – этап 3). Четвёртый этап представляет собой спекание полученных образцов (1000-1200⁰С) до окончательного уплотнения и термообработка в инертной среде. Этап пятый: механическая обработка. Для получения материала с повышенной анизотропией(неоднородностью свойств среды) его необходимо подвергнуть дополнительной обработке. А именно, полученный по описанному выше способу образец (рис. 1 а) помещают в специальный пресс (рис. 1 б) и прессуют под нагревом (рис. 1 в), при этом высота образца уменьшается примерно на 50%. Механизм упорядочения при таком прессовании (и последующем быстром охлаждении) имеет кристаллографический характер, поэтому наличия внешнего поля не требуется. После такой обработки материал будет иметь большее значение намагниченности насыщения, что приведет к росту магнитной энергии (BH)_max.

 

а)	б)	в)
Рис. 1. Изготовление высокоанизотропных спеченных магнитов Nd-Fe-B

Далее необходимо провести проверку качества полученного продукта: этап шестой: контроль требуемых параметров. И, наконец, защита самого образца от внешних воздействий. Этап 7: нанесение защитного покрытия (оксидирование, фосфотирование, никелирование, многослойные покрытия, хромирование, меднение, цинкование). На этом изготовление магнитов по рассматриваемой технологии заканчивается.

 Далее я в этапах  приведу технологию изготовления  литых постоянных магнитов.

• изготовление литейных форм
• получение отливок
• термическую обработку
• механическую обработку поверхностей магнитов.

Для получения литых магнитов используются алюминий, никель, медь, кобальт, титан, ниобий, кремний, железо.

Для получения редкоземельных магнитов используются самарий, неодим, диспрозий, тербий, титан, кобальт, железо, бор.

Дальнейшее усовершенствование технологий изготовления постоянных магнитов возможно, предположительно, за счет применения нанокристаллических «гибридных» магнитотвердых материалов. Однако это направление еще только начинает развиваться и у меня нет возможности осветить её в данном реферате.

Литьём же могут быть получены так называемые магнитопласты(или  магнитоэласты). Это тоже магниты, но получаемые несколько иным образом. Способов изготовления магнитопластов существует несколько и я не стану  описывать их все в данном реферате, однако было бы уместно описать общую  технологию их изготовления. В целом, все способы имеют несколько  общих контрольных точек. Вначале  берут лом постоянных спечённых  ферритовых магнитов, измельчает и  размагничивает. Затем порошок  тщательно  смешивают с эпоксидной смолой и  пластификатором. Далее полученную массу нагревают до примерно 300⁰С, перемешивают мешалкой и выдавливают в форму, где и остужают при температуре 20-80⁰С либо помещают в специальную форму и подвергают прессованию( в некоторых случаях прессование не используется).

 

Основные преимущества магнитопластов:

• возможность замены спеченных анизотропных ферритов
• возможность изготовления постоянных магнитов сложной формы
• снижение веса изделий в 1.5-2 раза в сравнении со спеченными магнитами на однотипной основе
• повышение эффективности при изготовлении многополюсных магнитных систем путем упрощения конструкции.

Ниже приведена таблица  некоторых свойств магнитов Nd-Fe-B и их примерная стоимость.

Наименование  магнита Nd-Fe-B	Плотность г/см3	Максимальная  рабочая температура, 0С	Магнитная энергия  МГсЭ	Удельная стоимость, руб/МГсЭ
Спеченный	7,4-7,5	200	От 28 до 52	50.0-100.0
Магнитопласт	5.0-6.0	150	От 5 до 12	100.0-150.0

 

 

 Основные характеристики наиболее известных магнитных материалов

 

Материал	(BH)max, МГс*Э	Br, Гс	Hc, Э	Цена, $ за 1 кг на Российском рынке	Цена, $ на единицу   (BH)max
Гибкие магнит ные материалы	1.6	1725	1325	5-10	3.1- 6.2
Керамика	3	4000	2400	1-2.5	0.3-0.85
Альнико	9	13500	1400	44.1	4.3
Sm-Co	20	10500	9200	250 -500	12.5
Спеченные Nd-Fe-B	50	14200	12500	70-150	1.4-3.7

Применение постоянных магнитов

 

Тема применения постоянных магнитов настолько обширна, что  ее подробное освещение выходит за рамки данного реферата. Приведу лишь несколько примеров использования магнитных материалов в быту и промышленности:

• телефонное оборудование, СВЧ-лампы и фильтры;
• автомобильные детали, такие как системы зажигания, сенсоры, стартеры, дверные замки, системы открывания/закрывания окон, система управления дворниками на ветровых стеклах и т.д.;
• периферийные устройства для компьютеров, а также офисное оборудование включая факсимильные аппараты, принтеры и копировальное оборудование;
• ускорители частиц высоких энергий и лазеры со свободными электронами, используемые в физических исследованиях и в промышленности;
• магнитные резонансные томографы для медицинских и промышленных целей (MRI - magnetic resonance imaging);

 Считаю  совершенно необходимым довести  до сведения читателя следующую  информацию: абсолютные противопоказания к обследованию на магнитно-резонансном томографе(важная информация):

• установленный кардиостимулятор (изменения магнитного поля могут имитировать сердечный ритм).
• ферромагнитные или электронные имплантаты среднего уха.
• большие металлические имплантаты, ферромагнитные осколки.
• ферромагнитные аппараты Илизарова
• кровоостанавливающие клипсы сосудов головного мозга (риск развития внутримозгового или субарахноидального кровотечения)

На диаграмме ниже представлены доли в процентном выражении от общего мирового объема производства постоянных спеченных магнитов Nd-Fe-B, приходящиеся на различные сегменты рынка(данные компании AMT&C Group).

 

Распределение производства спеченных магнитов Nd-Fe-B по сегментам  рынка

Как видно из диаграммы, наиболее важным применением спеченных постоянных магнитов является их использование  в электрических моторах постоянного  тока.

Одним из ведущих по объему направлений использования постоянных магнитов является использование ПМ в магнитных резонансных томографах для диагностических медицинских и промышленных целей. Для успешного функционирования томографа необходимо очень однородное по пространству и постоянное по времени магнитное поле в исследуемой области.

Поясним вкратце принцип действия резонансного томографа. При приложении магнитного поля магнитные моменты протонов водорода ориентируются по направлению поля. Если исследуемую область облучать переменным электромагнитным полем, то при совпадении частоты поля с собственной частотой магнитных частиц электромагнитное излучение будет поглощаться. При помощи специальных детекторов определяется распределение мощности поглощения по исследуемой области и исходя из этой информации вычисляется распределение концентрации протонов водорода. В первых магнитных томографах достичь требуемой однородности поля в области необходимого размера использовались сильные поля - до 1.5 Т, для получения которых требовались сверхпроводящие магниты. В настоящее время использование постоянных магнитов Nd-Fe-B позволило создать томографы на постоянных магнитах с полем 3.0 Т. Это существенно расширяет сферу применения томографов, поскольку томографы на постоянных магнитах не требуют жидкого гелия в процессе эксплуатации.