Con la amplia aplicación de materiales de NdFeB sinterizado en la industria moderna y la tecnología electrónica, especialmente en vehículos de nueva energía, robots industriales e inteligencia móvil, los productos de NdFeB deben evolucionar hacia la ligereza, delgadez, miniaturización y alta energía. Además, los requisitos de producto de energía magnética, coercitividad y estabilidad térmica de los imanes son cada vez más exigentes. Sin embargo, en el proceso de preparación tradicional, la alta coercitividad y la alta energía magnética del NdFeB sinterizado siempre han sido un punto débil.
La coercitividad del imán se puede mejorar dopando tierras raras pesadas, como Dy o Tb, en la aleación. Sin embargo, la remanencia se reduce significativamente debido a la gran cantidad de disprosio y terbio que entra en los granos de la fase principal. Además, este proceso consume una gran cantidad de tierras raras pesadas, lo que resulta en un aumento significativo en el costo de fabricación del imán. La industria suele utilizar (BH)max (MGOe) + Hcj (kOe) para representar las propiedades magnéticas completas del imán. Cómo mejorar aún más la coercitividad del imán manteniendo una alta remanencia, preparando así un imán con altas propiedades magnéticas completas, se ha convertido en un tema de interés en la investigación y el desarrollo de la industria.
La tecnología de difusión en el límite de grano es un método técnico desarrollado en los últimos años que puede mejorar eficazmente las propiedades magnéticas de los imanes de NdFeB sinterizados. Se forma una capa de tierras raras pesadas sobre la superficie del acero magnético, y se permite que estas tierras raras pesadas entren en el interior del imán a lo largo del límite de grano mediante un tratamiento térmico al vacío. Al mismo tiempo, los átomos de tierras raras pesadas reemplazan a los átomos de Nd alrededor de los granos de la fase principal para formar una capa de alta coercitividad. Esta microestructura única puede mejorar considerablemente la coercitividad del imán gracias a un valor de caída de remanencia extremadamente bajo. En general, para imanes de NdFeB sinterizados con un espesor inferior a 8 mm, se utiliza la difusión Dy HcJ para aumentar de 4 kOe a 7 kOe; la difusión Tb HcJ para aumentar de 8 kOe a 11 kOe, y los dos tipos de difusión Br se reducen en 0,3 kGs.
En comparación con los imanes tradicionales no difundidos, las principales ventajas del proceso de difusión del límite de grano son:
1. Para los imanes de la misma marca, el uso de difusión del límite de grano puede reducir en gran medida el uso de Dy y Tb, y el costo es menor;
2. El método de difusión del límite de grano se puede utilizar para preparar imanes de alto rendimiento magnético integral, como 50EH y 52UH, que los procesos tradicionales no pueden lograr.
Sabemos que todo tiene múltiples facetas, y el proceso de difusión por límite de grano no es la excepción. También presenta algunas deficiencias. Por ejemplo, debido a la existencia de gradientes de concentración, la profundidad de difusión es limitada, y el espesor del acero magnético difundido producido a gran escala suele ser inferior a 10 mm, lo que limita el ámbito de aplicación del proceso.
Las principales formas de proceso de difusión del límite de grano
Tras años de desarrollo, la difusión de límite de grano ha desarrollado diversos procesos, como la pulverización catódica, la evaporación, el recubrimiento y la electrodeposición. Las fuentes de difusión incluyen tierras raras pesadas y aleaciones, hidruros, fluoruros, óxidos, etc.
1. Chisporroteo
Diagrama esquemático del proceso de pulverización catódica por magnetrón
1-1 Pulverización catódica con magnetrón
Se trata de un método que genera una descarga luminiscente mediante voltaje, ionizando gas argón y bombardeando el objetivo con iones de argón para pulverizar partículas pesadas de tierras raras, como disprosio y terbio, que se depositan sobre la superficie del acero magnético para formar una película. Los productos aplicables a la pulverización catódica con magnetrón incluyen piezas cuadradas, teselas, piezas redondas, anillos, etc., y la fuente de difusión son principalmente objetivos metálicos puros de disprosio o terbio.
La pulverización catódica por magnetrón ofrece las ventajas de una buena uniformidad de recubrimiento, una película densa y un efecto de mejora de la fuerza coercitiva estable. Sus desventajas son: 1. El equipo es costoso, y el precio de un solo equipo continuo oscila entre 3,5 y 5 millones de dólares; 2. La tasa de utilización del material objetivo es baja, por lo que el coste relativo es elevado.
1-2 Pulverización catódica multiarco
Es un recubrimiento que produce pulverización catódica local a alta temperatura mediante descarga inducida por campo. Se caracteriza por una alta eficiencia de recubrimiento, una alta tasa de utilización del material objetivo y una buena fuerza de adhesión. Sin embargo, sus desventajas son: 1. Granos de recubrimiento y superficie rugosa de la película; 2. Uniformidad general del recubrimiento; 3. Estabilidad del recubrimiento deficiente; 4. Aumento local de la temperatura.
2. Evaporación
La evaporación es un método para depositar una película mediante el calentamiento y la vaporización del material de recubrimiento al vacío. Se divide en evaporación estática y evaporación rotatoria, similares al recubrimiento colgante y al recubrimiento con rodillos en el proceso de galvanoplastia, y adecuadas para imanes grandes y pequeños, respectivamente.
Diagrama de evaporación estática
2-1 Evaporación estática
La ventaja reside en la alta temperatura de evaporación, que permite la sublimación de la fuente de evaporación, la deposición en la superficie del acero magnético y la difusión en el cuerpo magnético, lo que mejora el efecto de difusión de las tierras raras pesadas. Dado que la calidad de la película de tierras raras pesadas tras la evaporación depende de la temperatura de evaporación, el grado de vacío y la distancia de recubrimiento (distancia entre el objetivo de tierras raras pesadas y la lámina magnética), la lámina de acero magnético debe colocarse en una herramienta específica para garantizar dicha distancia, lo que resulta en un proceso más complejo, una menor eficiencia de producción y una película de baja consistencia. Por lo tanto, la evaporación estática se utiliza menos en la industria nacional de materiales magnéticos.
Diagrama del proceso de evaporación rotatoria
Fuente de la imagen: Gao Jingyuan, Investigación sobre el proceso de difusión rotatoria de materiales magnéticos permanentes de Nd-Fe-B, 2020, Universidad Tecnológica de Pekín [D]
2-2 Evaporación rotatoria
Se trata de un método que consiste en mezclar continuamente aceros magnéticos pequeños y micromagnéticos con objetivos pesados de tierras raras mediante rotación, depositando el metal Dy/Tb volatilizado a alta temperatura sobre la superficie del producto. Este proceso es adecuado para productos pequeños, especialmente productos electroacústicos con un peso unitario inferior a 1 g; el coste del material de difusión es bajo, la ganancia de peso es pequeña y la HcJ mejora significativamente; la consistencia de la HcJ es alta. La desventaja es que el proceso de separación del producto y los metales disprosio y terbio requiere mucha mano de obra; además, este proceso se utiliza poco en la industria y suele requerir equipos personalizados, lo que presenta ciertas barreras técnicas.
3. Recubrimiento
Diagrama del proceso de pulverización automática
3-1 Pulverización automática
Coloque las láminas magnéticas en una sola capa sobre la bandeja de la pieza de trabajo. Utilice una pistola pulverizadora neumática para pulverizarlas alternativamente y formar una película. Si la fuente de difusión es fluoruro u óxido, se puede pulverizar en la atmósfera. Si se trata de hidruro o polvo de aleación de tierras raras pesadas, se requiere protección con gas inerte.
Ventajas: 1. Múltiples fuentes de difusión aplicables, como hidruro, fluoruro, óxido y aleación; 2. Permite la difusión de productos de diversas formas y tamaños, como baldosas, cuadrados, redondos y anulares; 3. El equipo cuenta con un alto grado de automatización, la bandeja de piezas de trabajo es de uso universal y el cambio de orden es flexible y cómodo; 4. La inversión en equipos es baja y la tasa de utilización de tierras raras pesadas es alta.
Principales desventajas: Existe un riesgo de patente cuando la fuente de difusión es fluoruro, existen riesgos de seguridad cuando es hidruro y aleación, y la consistencia del rendimiento del óxido es deficiente.
Diagrama del proceso de serigrafía
3-2 Serigrafía
Sirve para preparar tinta a partir de polvo de tierras raras pesadas. Al imprimir, vierta la tinta en un extremo de la placa serigráfica, aplique presión con una rasqueta sobre la zona de tinta y muévala a velocidad constante hacia el otro extremo. La rasqueta exprime la tinta de la malla hacia la lámina magnética, formando una película durante el movimiento.
Gracias a la encapsulación del reactivo orgánico en la tinta, se impide el contacto del hidruro o la aleación de tierras raras pesadas con el aire, lo que evita la oxidación. Por lo tanto, el hidruro de tierras raras pesadas puede utilizarse como fuente de difusión para recubrimientos en atmósferas atmosféricas, evitando eficazmente el riesgo de patente del fluoruro. Al mismo tiempo, el proceso de serigrafía se caracteriza por su alta eficiencia de producción, alta tasa de utilización de tierras raras pesadas y una buena consistencia en la ganancia de peso, lo que resulta muy adecuado para la difusión en el límite de grano del acero magnético cuadrado. En los últimos dos años, el proceso de serigrafía ha experimentado un rápido impulso en la industria y se ha convertido en uno de los procesos más populares.
Las desventajas son: 1. La pantalla y el raspador no son adecuados para productos con forma de baldosa con superficies irregulares; 2. Los productos de diferentes tamaños y ratios de peso suelen requerir tintas, planchas de serigrafía y accesorios adecuados, adecuados para pedidos estables a gran escala. Para pedidos de lotes pequeños, el reemplazo frecuente de pantallas y accesorios resultará en una menor eficiencia, un aumento de costos y poca flexibilidad.
4. Deposición electroforética
La deposición electroforética mezcla la fuente de difusión de tierras raras pesadas con alcohol en una suspensión, y las partículas de la fuente de difusión de tierras raras pesadas se depositan sobre la superficie de la lámina de acero magnético mediante la acción del campo eléctrico de CC para formar una película de tierras raras pesadas. Las ventajas son la alta eficiencia de producción, la simplicidad del proceso y el bajo coste de producción. Las desventajas son la baja adherencia y uniformidad del recubrimiento, la baja consistencia del rendimiento durante la producción en masa, etc. Por lo tanto, este proceso es poco utilizado.
Con el aumento gradual de la presión del mercado, la competencia en costos ha evolucionado desde la comparación de procesos de difusión y no difusión hasta la comparación de diferentes procesos de difusión, e incluso con el mismo método de difusión, la comparación de la utilización de tierras raras pesadas y los costos de fabricación. Los diferentes procesos de difusión tienen sus propias características. En la producción real, es necesario seleccionar un proceso de difusión adecuado según las características del producto, los requisitos de rendimiento y los costos de producción. Creo que se desarrollarán y utilizarán más procesos de difusión nuevos en el futuro. Al mismo tiempo, el desarrollo de sustratos de fácil difusión, la utilización definitiva de fuentes de difusión de tierras raras pesadas, el avance en la profundidad de difusión y el desarrollo de fuentes de difusión de tierras raras no pesadas también atraerán la atención y los esfuerzos del personal de investigación científica y producción.