Mit der weit verbreiteten Anwendung gesinterter NdFeB-Werkstoffe in der modernen Industrie und Elektronik, insbesondere in Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik, Industrierobotern und mobiler Intelligenz, müssen NdFeB-Produkte leichter, dünner, miniaturisierter und energiereicher werden. Die Anforderungen an das magnetische Energieprodukt, die Koerzitivfeldstärke und die thermische Stabilität von Magneten steigen stetig. Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren waren die hohe Koerzitivfeldstärke und das hohe magnetische Energieprodukt von gesintertem NdFeB jedoch stets ein kritischer Punkt.
Die Koerzitivfeldstärke des Magneten kann durch Dotierung der Legierung mit schweren Seltenen Erden wie Dy oder Tb verbessert werden. Allerdings verringert sich die Remanenz aufgrund der hohen Dysprosium- und Terbiummengen in den Hauptphasenkörnern deutlich. Zudem verbraucht dieser Prozess große Mengen teurer schwerer Seltener Erden, was die Herstellungskosten des Magneten deutlich erhöht. Die Industrie verwendet üblicherweise (BH)max (MGOe) + Hcj (kOe), um die umfassenden magnetischen Eigenschaften des Magneten darzustellen. Die Frage, wie die Koerzitivfeldstärke des Magneten bei gleichzeitig hoher Remanenz weiter verbessert werden kann, um einen Magneten mit hohen umfassenden magnetischen Eigenschaften herzustellen, ist zu einem wichtigen Thema in der Forschung und Entwicklung der Branche geworden.
Die Korngrenzendiffusionstechnologie ist ein in den letzten Jahren entwickeltes technisches Verfahren, mit dem die magnetischen Eigenschaften gesinterter NdFeB-Magnete effektiv verbessert werden können. Auf der Oberfläche des Magnetstahls bildet sich eine Schicht aus schweren Seltenen Erden, die durch eine Vakuumwärmebehandlung entlang der Korngrenzen in das Innere des Magneten gelangen. Gleichzeitig ersetzen die Atome der schweren Seltenen Erden die Nd-Atome um die Hauptphasenkörner und bilden eine Hülle mit hoher Koerzitivfeldstärke. Diese einzigartige Mikrostruktur kann die Koerzitivfeldstärke des Magneten durch einen extrem niedrigen Remanenzabfall deutlich verbessern. Bei gesinterten NdFeB-Magneten mit einer Dicke von weniger als 8 mm wird üblicherweise Dy-Diffusion HcJ verwendet, um den Wert um 4 kOe bis 7 kOe zu erhöhen, Tb-Diffusion HcJ verwendet, um den Wert um 8 kOe bis 11 kOe zu erhöhen, und die beiden Diffusionsarten Br werden innerhalb von 0,3 kGs reduziert.
Im Vergleich zu herkömmlichen nicht diffundierten Magneten sind die Hauptvorteile des Korngrenzendiffusionsprozesses:
1. Bei Magneten derselben Marke kann durch die Verwendung der Korngrenzendiffusion der Einsatz von Dy und Tb erheblich reduziert werden, und die Kosten sind niedriger.
2. Mit der Korngrenzendiffusionsmethode können Magnete mit hoher magnetischer Leistung wie 50EH und 52UH hergestellt werden, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreicht werden können.
Wir wissen, dass alles viele Facetten hat, und der Korngrenzendiffusionsprozess bildet da keine Ausnahme. Es gibt jedoch auch einige Nachteile. Beispielsweise ist aufgrund von Konzentrationsgradienten die Diffusionstiefe begrenzt, und die Dicke des in großem Maßstab hergestellten diffundierten Magnetstahls liegt üblicherweise innerhalb von 10 mm, was den Anwendungsbereich des Verfahrens einschränkt.
Die wichtigsten Prozessformen der Korngrenzendiffusion
Nach Jahren der Entwicklung hat die Korngrenzendiffusion verschiedene Verfahren wie Sputtern, Aufdampfen, Beschichten und galvanische Abscheidung hervorgebracht. Zu den Diffusionsquellen zählen schwere Seltenerdelemente und Legierungen, Hydride, Fluoride, Oxide usw.
1. Sputtern
Schematische Darstellung des Magnetron-Sputterprozesses
1-1 Magnetronsputtern
Bei diesem Verfahren wird eine Glimmentladung durch Spannung erzeugt, Argongas ionisiert und das Target mit Argonionen beschossen. Dadurch werden schwere Seltenerdpartikel wie Dysprosium und Terbium zerstäubt, die sich auf der Oberfläche des magnetischen Stahls ablagern und eine Filmschicht bilden. Zu den für das Magnetronsputtern geeigneten Produkten gehören quadratische Stücke, Kacheln, runde Stücke, Ringe usw. Als Diffusionsquelle dienen meist reine Metalltargets aus Dysprosium oder Terbium.
Magnetronsputtern bietet die Vorteile einer guten Beschichtungsgleichmäßigkeit, einer dichten Filmschicht und einer stabilen Koerzitivkraftverstärkung. Seine Nachteile sind: 1. Die Ausrüstung ist teuer, und der Preis einer einzelnen kontinuierlichen Ausrüstung liegt zwischen 3,5 und 5 Millionen; 2. Die Zielmaterialnutzungsrate ist gering, daher sind die relativen Kosten hoch.
1-2 Mehrfachlichtbogen-Sputtern
Es handelt sich um eine Beschichtung, die durch feldinduzierte Entladung lokales Hochtemperatursputtern erzeugt. Sie zeichnet sich durch eine hohe Beschichtungseffizienz, eine hohe Targetmaterialausnutzung und eine gute Bindungskraft aus. Die Nachteile sind jedoch: 1. Große Beschichtungspartikel und eine raue Filmoberfläche; 2. Allgemeine Beschichtungsgleichmäßigkeit; 3. Unbefriedigende Beschichtungsstabilität; 4. Lokaler Temperaturanstieg.
2. Verdunstung
Beim Aufdampfen wird ein Film durch Erhitzen und Verdampfen des Beschichtungsmaterials unter Vakuum abgeschieden. Man unterscheidet zwischen statischer und Rotationsverdampfung, die dem Hänge- und Walzengalvanisieren in der Galvanik ähneln und sich für große bzw. kleine Magnete eignen.
Statisches Verdampfungsdiagramm
2-1 Statische Verdampfung
Der Vorteil liegt in der hohen Verdampfungstemperatur. Sublimation der Verdampfungsquelle, Ablagerung auf der Oberfläche des Magnetstahls und Diffusion im Magnetkörper erfolgen gleichzeitig, wodurch der Diffusionseffekt schwerer Seltenerdmetalle verbessert wird. Da die Qualität des Films schwerer Seltenerdmetalle nach der Verdampfung von der Verdampfungstemperatur, dem Vakuumgrad und dem Beschichtungsabstand (dem Abstand zwischen dem Target schwerer Seltenerdmetalle und dem Magnetblech) abhängt, muss das Magnetblech in ein spezielles Werkzeug eingelegt werden, um den Beschichtungsabstand sicherzustellen. Dies führt zu einem komplizierteren Prozess, geringerer Produktionseffizienz und schlechter Filmkonsistenz. Daher wird die statische Verdampfung in der heimischen Magnetwerkstoffindustrie weniger eingesetzt.
Prozessdiagramm der Rotationsverdampfung
Bildquelle: Gao Jingyuan, Forschung zum Rotationsdiffusionsprozess von Nd-Fe-B-Permanentmagnetmaterialien, 2020, Technische Universität Peking [D]
2-2 Rotationsverdampfung
Dabei werden kleine und mikromagnetische Stähle kontinuierlich durch Rotation mit schweren Seltenerdmetallen vermischt und das bei hohen Temperaturen verdampfte Metall Dy/Tb auf der Produktoberfläche abgeschieden. Dieses Verfahren eignet sich für kleine Produkte, insbesondere elektroakustische Produkte mit einem Stückgewicht von weniger als 1 g. Die Kosten für das Diffusionsmaterial sind gering, die Gewichtszunahme gering und der HcJ-Wert deutlich verbessert. Die HcJ-Konsistenz ist hoch. Nachteilig ist der relativ arbeitsintensive Trennungsprozess des Produkts von den Dysprosium- und Terbiummetallen. Dieses Verfahren wird in der Industrie selten eingesetzt und erfordert in der Regel eine Anpassung der Ausrüstung, was gewisse technische Hürden mit sich bringt.
3. Beschichtung
Diagramm des automatischen Sprühprozesses
3-1 Automatisches Sprühen
Legen Sie die Magnetfolien in einer Lage auf die Werkstückablage. Sprühen Sie sie mit einer pneumatischen Spritzpistole hin und her, um einen Film zu bilden. Wenn die Diffusionsquelle Fluorid oder Oxid ist, kann sie in die Atmosphäre gesprüht werden. Handelt es sich um Hydrid oder schweres Seltenerdlegierungspulver, ist ein Schutz vor Inertgasen erforderlich.
Vorteile: 1. Es gibt viele anwendbare Diffusionsquellen, darunter Hydrid, Fluorid, Oxid und Legierung. 2. Es können Produkte verschiedener Formen und Größen diffundiert werden, darunter Fliesen, Quadrate, Rundungen und Ringe. 3. Die Ausrüstung verfügt über einen hohen Automatisierungsgrad, die Werkstückablage ist universell einsetzbar und die Auftragsumschaltung ist flexibel und bequem. 4. Die Ausrüstungsinvestition ist gering und die Auslastungsrate schwerer Seltener Erden ist hoch.
Hauptnachteile: Es besteht ein Patentrisiko, wenn die Diffusionsquelle Fluorid ist, es gibt Sicherheitsrisiken, wenn es sich um Hydrid und Legierung handelt, und die Leistungskonsistenz von Oxid ist schlecht.
Diagramm des Siebdruckprozesses
3-2 Siebdruck
Dabei wird schweres Seltenerdpulver zu Tinte verarbeitet. Beim Drucken wird die Tinte an einem Ende der Siebdruckplatte eingebracht, mit einem Schaber Druck auf den Tintenteil der Siebdruckplatte ausgeübt und mit konstanter Geschwindigkeit zum anderen Ende der Siebdruckplatte bewegt. Die Tinte wird durch den Schaber vom Siebgewebe auf die Magnetfolie gedrückt, wodurch sich während der Bewegung ein Film bildet.
Durch die Einkapselung des organischen Reagenzes in der Tinte wird der Kontakt des Hydrids oder der schweren Seltenerdlegierung mit der Luft verhindert, wodurch Oxidation vermieden wird. Daher kann schweres Seltenerdhydrid als Diffusionsquelle für Beschichtungen in der Atmosphäre eingesetzt werden, wodurch das Patentrisiko durch Fluorid effektiv vermieden wird. Gleichzeitig zeichnet sich das Siebdruckverfahren durch eine hohe Produktionseffizienz, eine hohe Ausnutzung schwerer Seltenerdmetalle und eine gute Konsistenz der Gewichtszunahme aus, was sich sehr gut für die Korngrenzendiffusion von quadratischem Magnetstahl eignet. In den letzten zwei Jahren hat sich das Siebdruckverfahren in der Branche rasant verbreitet und ist zu einem der gängigsten Verfahren geworden.
Die Nachteile sind: 1. Sieb und Schaber sind nicht für fliesenförmige Produkte mit unebenen Oberflächen geeignet. 2. Produkte unterschiedlicher Größe und Gewichtszunahme erfordern in der Regel entsprechende Tinten, Siebdruckplatten und Vorrichtungen, die für stabile Großaufträge geeignet sind. Bei Kleinserienaufträgen führt der häufige Austausch von Sieben und Vorrichtungen zu geringerer Effizienz, höheren Kosten und geringerer Flexibilität.
4. Elektrophoretische Abscheidung
Bei der elektrophoretischen Abscheidung wird die Diffusionsquelle schwerer Seltenerdmetalle mit Alkohol zu einer Suspension vermischt. Die Partikel der Diffusionsquelle schwerer Seltenerdmetalle lagern sich durch die Einwirkung eines Gleichstromfeldes auf der Oberfläche des Magnetstahlblechs ab und bilden einen Film schwerer Seltenerdmetalle. Die Vorteile liegen in der hohen Produktionseffizienz, dem einfachen Verfahren und den niedrigen Produktionskosten. Die Nachteile sind die geringe Haftung und Gleichmäßigkeit der Beschichtung sowie die mangelnde Leistungskonsistenz bei der Massenproduktion. Daher wird dieses Verfahren seltener eingesetzt.
Mit dem zunehmenden Marktdruck hat sich der Kostenwettbewerb längst vom Vergleich von Diffusions- und Nichtdiffusionsverfahren zum Vergleich verschiedener Diffusionsverfahren verlagert. Selbst bei derselben Diffusionsmethode werden der Verbrauch schwerer Seltenerdmetalle und die Herstellungskosten verglichen. Verschiedene Diffusionsverfahren haben ihre eigenen Eigenschaften. In der Produktion muss ein geeignetes Diffusionsverfahren entsprechend den Produkteigenschaften, den Leistungsanforderungen und den Produktionskosten ausgewählt werden. Ich bin überzeugt, dass in Zukunft weitere neue Diffusionsverfahren entwickelt und eingesetzt werden. Gleichzeitig werden die Entwicklung leicht diffusionsfähiger Substrate, die optimale Nutzung von Diffusionsquellen schwerer Seltenerdmetalle, die Erforschung der Diffusionstiefe und die Entwicklung von Diffusionsquellen ohne Seltene Erden die Aufmerksamkeit und Anstrengungen von Forschungs- und Produktionsmitarbeitern auf sich ziehen.