مع الانتشار الواسع لاستخدام مواد NdFeB المُلبَّدة في الصناعة الحديثة والتكنولوجيا الإلكترونية، وخاصةً في مركبات الطاقة الجديدة والروبوتات الصناعية والذكاء الاصطناعي، يتطلب الأمر تطوير منتجات NdFeB نحو الخفة والنحافة والتصغير والطاقة العالية. كما تتزايد متطلبات ناتج الطاقة المغناطيسية، وقوة الإكراه، والاستقرار الحراري للمغناطيسات. ومع ذلك، في ظل عملية التحضير التقليدية، لطالما كانت قوة الإكراه العالية وقوة الطاقة المغناطيسية العالية لمنتجات NdFeB المُلبَّدة نقطة ضعف في عملية الموازنة.
يمكن تحسين قسرية المغناطيس عن طريق إضافة عناصر أرضية نادرة ثقيلة مثل Dy أو Tb إلى السبيكة، ولكن ستنخفض نسبة البقايا بشكل كبير بسبب دخول كمية كبيرة من الديسبروسيوم والتيربيوم إلى حبيبات الطور الرئيسي. بالإضافة إلى ذلك، تستهلك هذه العملية كمية كبيرة من موارد العناصر الأرضية النادرة الثقيلة باهظة الثمن، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تكلفة تصنيع المغناطيس. عادةً ما تستخدم الصناعة (BH)max (MGOe) +Hcj (kOe) لتمثيل الخصائص المغناطيسية الشاملة للمغناطيس. أصبحت كيفية تحسين قسرية المغناطيس مع الحفاظ على نسبة بقائه عالية، وبالتالي إعداد مغناطيس بخصائص مغناطيسية شاملة عالية، محورًا رئيسيًا في البحث والتطوير في الصناعة.
تقنية انتشار حدود الحبيبات هي وسيلة تقنية طُوّرت في السنوات الأخيرة لتحسين الخواص المغناطيسية لمغناطيسات NdFeB المُلبّدة بفعالية. تُشكّل طبقة من غشاء العناصر الأرضية النادرة الثقيلة على سطح الفولاذ المغناطيسي، ويُسمح للعناصر الأرضية النادرة الثقيلة بالدخول إلى داخل المغناطيس على طول حدود الحبيبات من خلال المعالجة الحرارية الفراغية. في الوقت نفسه، تحل ذرات العناصر الأرضية النادرة الثقيلة محل ذرات Nd حول حبيبات الطور الرئيسي لتكوين غلاف عالي الإكراه. يمكن لهذه البنية الدقيقة الفريدة تحسين الإكراه المغناطيسي بشكل كبير بناءً على قيمة انخفاض البقايا المنخفضة للغاية. بشكل عام، بالنسبة لمغناطيسات NdFeB المُلبّدة التي يقل سمكها عن 8 مم، يُستخدم انتشار Dy HcJ لزيادة 4kOe إلى 7kOe؛ ويُستخدم انتشار Tb HcJ لزيادة 8kOe إلى 11kOe، ويتم تقليل نوعي انتشار Br في غضون 0.3 kGs.
بالمقارنة مع المغناطيسات التقليدية غير المنتشرة، فإن المزايا الرئيسية لعملية انتشار حدود الحبوب هي:
1. بالنسبة للمغناطيسات من نفس العلامة التجارية، فإن استخدام انتشار حدود الحبوب يمكن أن يقلل بشكل كبير من استخدام Dy و Tb، وتكون التكلفة أقل؛
2. يمكن استخدام طريقة انتشار حدود الحبوب لإعداد مغناطيسات ذات أداء مغناطيسي شامل عالي مثل 50EH و 52UH والتي لا تستطيع العمليات التقليدية تحقيقها.
نعلم أن لكل شيء جوانب متعددة، وعملية انتشار حدود الحبيبات ليست استثناءً. إلا أن هناك بعض العيوب. على سبيل المثال، بسبب وجود تدرجات تركيز، يكون عمق الانتشار محدودًا، وعادةً ما يكون سمك الفولاذ المغناطيسي المنتشر المُنتج على نطاق واسع في حدود 10 مم، مما يحد من نطاق تطبيق هذه العملية.
الأشكال الرئيسية لعملية انتشار حدود الحبوب
بعد سنوات من التطوير، تطورت تقنية انتشار حدود الحبيبات عبر عمليات متنوعة، مثل الرش، والتبخير، والطلاء، والترسيب الكهربائي. وتشمل مصادر الانتشار عناصر وسبائك أرضية نادرة ثقيلة، وهيدريدات، وفلوريدات، وأكاسيد، وغيرها.
1. التلعثم
رسم تخطيطي لعملية الرشح المغناطيسي
1-1 الرش المغناطيسي
إنها طريقة لتوليد تفريغ توهجي من خلال الجهد، وتأين غاز الأرجون، وقصف الهدف بأيونات الأرجون لرش جزيئات أرضية نادرة ثقيلة مثل الديسبروسيوم والتيربيوم، والتي تترسب على سطح الفولاذ المغناطيسي لتكوين طبقة رقيقة. تشمل المنتجات المستخدمة في رش المغنطرون القطع المربعة، والبلاطات، والقطع الدائرية، والحلقات، وغيرها. أما مصدر الانتشار فهو في الغالب أهداف معدنية نقية من الديسبروسيوم أو التيربيوم.
تتميز تقنية الرش المغناطيسي بتجانس الطلاء الجيد، وكثافة طبقة الغشاء، وثبات تأثير تعزيز القوة القسرية. أما عيوبها، فهي: 1. ارتفاع تكلفة المعدات، حيث يتراوح سعر الجهاز الواحد المستمر بين 3.5 و5 ملايين دولار أمريكي؛ 2. انخفاض معدل استخدام المواد المستهدفة، ما يجعل تكلفتها النسبية مرتفعة.
1-2 الرش متعدد القوس
هو طلاء يُنتج رشًا موضعيًا عالي الحرارة عن طريق التفريغ المُستحث ميدانيًا. يتميز بكفاءة طلاء عالية ومعدل استخدام عالي للمادة المستهدفة، وقوة ربط جيدة. إلا أن عيوبه هي: ١. جزيئات طلاء كبيرة وسطح غشاء خشن؛ ٢. تجانس عام للطلاء؛ ٣. ثبات طلاء غير كافٍ؛ ٤. ارتفاع درجة الحرارة الموضعية.
2. التبخر
التبخير هو طريقة ترسيب طبقة رقيقة بتسخين وتبخير مادة الطلاء تحت الفراغ. ينقسم التبخير إلى تبخير ثابت وتبخير دوار، يشبهان الطلاء المعلق والطلاء الأسطواني في عملية الطلاء الكهربائي، وهما مناسبان للمغناطيسات الكبيرة والصغيرة على التوالي.
مخطط التبخر الثابت
2-1 التبخر الساكن
تكمن ميزة هذه الطريقة في ارتفاع درجة حرارة التبخر، حيث تتم عمليات تسامي مصدر التبخر، والترسيب على سطح الفولاذ المغناطيسي، والانتشار في الجسم المغناطيسي في آنٍ واحد، مما يُحسّن تأثير انتشار العناصر الأرضية النادرة الثقيلة. ونظرًا لأن جودة غشاء العناصر الأرضية النادرة الثقيلة بعد التبخر ترتبط بدرجة حرارة التبخر، ودرجة الفراغ، ومسافة الطلاء (المسافة بين هدف العناصر الأرضية النادرة الثقيلة والصفائح المغناطيسية)، يجب وضع صفائح الفولاذ المغناطيسية في أداة خاصة لضمان مسافة الطلاء، مما يؤدي إلى تعقيد العملية، وانخفاض كفاءة الإنتاج، وضعف تماسك الغشاء. لذلك، يُقل استخدام التبخر الساكن في صناعة المواد المغناطيسية المحلية.
مخطط عملية التبخير الدوراني
مصدر الصورة: جاو جينغيوان، بحث حول عملية الانتشار الدوراني لمواد المغناطيس الدائم Nd-Fe-B، 2020، جامعة بكين للتكنولوجيا [د]
2-2 التبخير الدوراني
إنها طريقة لخلط الفولاذ المغناطيسي الصغير والمتناهي الصغر باستمرار مع معادن أرضية نادرة ثقيلة عن طريق الدوران، وترسيب معدن Dy/Tb المتطاير بعد درجة حرارة عالية على سطح المنتج. هذه العملية مناسبة للمنتجات الصغيرة، وخاصةً المنتجات الكهروصوتية التي يقل وزنها عن غرام واحد؛ حيث تتميز بتكلفة منخفضة لمادة الانتشار، وزيادة طفيفة في الوزن، وتحسن ملحوظ في تماسك HcJ؛ كما تتميز بكثافة عالية في التماسك. لكن عيبها هو أن عملية فصل المنتج عن معدنَي الديسبروسيوم والتيربيوم تتطلب جهدًا كبيرًا نسبيًا؛ ونادرًا ما تُستخدم هذه العملية في الصناعة، وعادةً ما تتطلب تخصيص المعدات، مما يفرض بعض العوائق التقنية.
3. الطلاء
مخطط عملية الرش التلقائي
3-1 الرش التلقائي
ضع الصفائح المغناطيسية في طبقة واحدة على صينية قطعة العمل. استخدم مسدس رش هوائي لرشها بشكل متبادل لتكوين غشاء رقيق. إذا كان مصدر الانتشار هو الفلورايد أو الأكسيد، فيمكن رشه في الغلاف الجوي. أما إذا كان مسحوق الهيدريد أو سبائك المعادن الأرضية النادرة الثقيلة، فيجب استخدام حماية من الغازات الخاملة.
المزايا: 1. هناك العديد من مصادر الانتشار القابلة للتطبيق، بما في ذلك الهيدريد والفلوريد والأكسيد والسبائك؛ 2. يمكنه نشر منتجات بأشكال وأحجام مختلفة، بما في ذلك البلاط والمربع والمستدير والحلقة؛ 3. تتمتع المعدات بدرجة عالية من الأتمتة، ويمكن استخدام صينية قطعة العمل عالميًا، كما أن تبديل الطلب مرن ومريح؛ 4. استثمار المعدات منخفض ومعدل استخدام المعادن النادرة الثقيلة مرتفع.
العيوب الرئيسية: هناك خطر براءة اختراع عندما يكون مصدر الانتشار هو الفلورايد، وهناك مخاطر تتعلق بالسلامة عندما يكون هيدريد وسبائك، كما أن اتساق أداء الأكسيد ضعيف.
مخطط عملية طباعة الشاشة
3-2 الطباعة على الشاشة
تُستخدم هذه الطريقة لتحضير مسحوق معادن أرضية نادرة ثقيلة وتحويله إلى حبر. عند الطباعة، يُسكب الحبر على أحد طرفي لوحة طباعة الشاشة، ثم تُضغط عليه بمكشطة، ثم تُحرك بسرعة ثابتة نحو الطرف الآخر. تُضغط المكشطة على الحبر من الشبكة إلى الصفيحة المغناطيسية لتكوين طبقة رقيقة أثناء الحركة.
بفضل تغليف الكاشف العضوي في الحبر، يُمنع هيدريد المعادن الثقيلة أو سبيكة المعادن الأرضية النادرة من ملامسة الهواء، مما يُجنّب الأكسدة. لذلك، يُمكن استخدام هيدريد المعادن الثقيلة النادرة كمصدر انتشار للطلاء في البيئة الجوية، مُجنّبًا بذلك خطر الفلورايد. في الوقت نفسه، تتميز عملية طباعة الشاشة بكفاءة إنتاج عالية، ومعدل استخدام عالٍ للمعادن الأرضية النادرة الثقيلة، وثبات جيد في زيادة الوزن، مما يجعلها مناسبة جدًا لنشر حدود حبيبات الفولاذ المغناطيسي المربع. في العامين الماضيين، شهدت عملية طباعة الشاشة رواجًا سريعًا في الصناعة، وأصبحت من العمليات الرئيسية.
العيوب هي: ١. الشاشة والمكشطة غير مناسبتين للمنتجات ذات شكل البلاط ذات الأسطح غير المستوية؛ ٢. عادةً ما تتطلب المنتجات ذات الأحجام ونسب زيادة الوزن المختلفة أحبارًا وألواح طباعة الشاشة وتجهيزات مناسبة، وهي مناسبة للطلبات الثابتة واسعة النطاق. بالنسبة للطلبات ذات الدفعات الصغيرة، سيؤدي الاستبدال المتكرر للشاشات والتجهيزات إلى انخفاض الكفاءة وزيادة التكاليف وانخفاض المرونة.
4. الترسيب الكهربائي
الترسيب الكهربائي يخلط مصدر انتشار العناصر الأرضية النادرة الثقيلة مع الكحول في معلق، ثم تترسب جزيئات مصدر انتشار العناصر الأرضية النادرة الثقيلة على سطح الصفيحة الفولاذية المغناطيسية بفعل المجال الكهربائي المستمر، مكونةً طبقة من العناصر الأرضية النادرة الثقيلة. تتميز هذه الطريقة بكفاءة إنتاج عالية، وسهولة في التصنيع، وانخفاض في تكلفة الإنتاج. أما عيوبها فتتمثل في ضعف التصاق الطلاء وتجانسه، وضعف ثبات الأداء أثناء الإنتاج الضخم، وغيرها. لذلك، تُعتبر هذه العملية أقل استخدامًا.
مع الزيادة التدريجية في ضغط السوق، تغيرت المنافسة على التكلفة منذ فترة طويلة من مقارنة عمليات الانتشار وغير الانتشار إلى مقارنة عمليات انتشار مختلفة، وحتى في ظل نفس طريقة الانتشار، تتم مقارنة استخدام العناصر الأرضية النادرة الثقيلة وتكاليف التصنيع. تتميز عمليات الانتشار المختلفة بخصائصها الخاصة. في الإنتاج الفعلي، من الضروري اختيار عملية انتشار مناسبة وفقًا لخصائص المنتج ومتطلبات الأداء وتكاليف الإنتاج. أعتقد أنه سيتم تطوير المزيد من عمليات الانتشار الجديدة واستخدامها في المستقبل. في الوقت نفسه، فإن تطوير ركائز سهلة الانتشار، والاستخدام النهائي لمصادر انتشار العناصر الأرضية النادرة الثقيلة، واختراق عمق الانتشار، وتطوير مصادر انتشار العناصر الأرضية غير النادرة سيجذب أيضًا انتباه وجهود الباحثين العلميين وموظفي الإنتاج.