Avec l'utilisation généralisée des matériaux NdFeB frittés dans l'industrie et les technologies électroniques modernes, notamment dans les véhicules à énergies nouvelles, les robots industriels et l'intelligence mobile, les produits NdFeB doivent évoluer vers la légèreté, la finesse, la miniaturisation et une énergie élevée. Les exigences en matière de produit d'énergie magnétique, de coercivité et de stabilité thermique des aimants sont de plus en plus strictes. Cependant, avec le procédé de préparation traditionnel, la coercivité élevée et le produit d'énergie magnétique élevé du NdFeB fritté ont toujours constitué un point délicat à prendre en compte.
La coercivité de l'aimant peut être améliorée en dopant l'alliage avec des terres rares lourdes telles que Dy ou Tb. Cependant, la rémanence sera considérablement réduite en raison de la forte quantité de dysprosium et de terbium entrant dans les grains de la phase principale. De plus, ce procédé consomme une grande quantité de terres rares lourdes coûteuses, ce qui entraîne une augmentation significative du coût de fabrication de l'aimant. L'industrie utilise généralement (BH)max (MGOe) + Hcj (kOe) pour représenter les propriétés magnétiques globales de l'aimant. Améliorer la coercivité de l'aimant tout en maintenant une rémanence élevée, et ainsi obtenir un aimant doté de propriétés magnétiques globales élevées, est devenu un point névralgique de la recherche et du développement de l'industrie.
La technologie de diffusion aux joints de grains est un moyen technique développé ces dernières années pour améliorer efficacement les propriétés magnétiques des aimants NdFeB frittés. Une couche de terres rares lourdes est formée à la surface de l'acier magnétique, et les terres rares lourdes pénètrent à l'intérieur de l'aimant le long du joint de grains grâce à un traitement thermique sous vide. Parallèlement, les atomes de terres rares lourdes remplacent les atomes de Nd autour des grains de la phase principale pour former une couche à haute coercivité. Cette microstructure unique permet d'améliorer considérablement la coercivité de l'aimant grâce à une valeur de chute de rémanence extrêmement faible. En général, pour les aimants NdFeB frittés d'une épaisseur inférieure à 8 mm, la diffusion Dy HcJ est utilisée pour augmenter 4 kOe à 7 kOe ; la diffusion Tb HcJ est utilisée pour augmenter 8 kOe à 11 kOe, et les deux types de diffusion Br sont réduits de 0,3 kGs.
Par rapport aux aimants traditionnels non diffusants, les principaux avantages du procédé de diffusion aux joints de grains sont les suivants :
1. Pour les aimants de la même marque, l'utilisation de la diffusion aux limites des grains peut réduire considérablement l'utilisation de Dy et Tb, et le coût est inférieur ;
2. La méthode de diffusion aux limites des grains peut être utilisée pour préparer des aimants à hautes performances magnétiques complètes tels que 50EH et 52UH que les procédés traditionnels ne peuvent pas atteindre.
Nous savons que tout a de multiples facettes, et la diffusion intergranulaire ne fait pas exception. Elle présente néanmoins quelques inconvénients. Par exemple, en raison des gradients de concentration, la profondeur de diffusion est limitée, et l'épaisseur de l'acier magnétique diffusé produit à grande échelle est généralement inférieure à 10 mm, ce qui limite le champ d'application du procédé.
Les principales formes de processus de diffusion aux joints de grains
Après des années de développement, la diffusion intergranulaire a permis de développer divers procédés tels que la pulvérisation cathodique, l'évaporation, le revêtement et l'électrodéposition. Les sources de diffusion comprennent les terres rares lourdes et leurs alliages, les hydrures, les fluorures, les oxydes, etc.
1. Pulvérisation
Schéma du procédé de pulvérisation cathodique magnétron
1-1 Pulvérisation magnétron
Il s'agit d'une méthode de génération de décharge luminescente par tension, ionisation de gaz argon, bombardement de la cible avec des ions argon pour pulvériser des particules de terres rares lourdes telles que le dysprosium et le terbium, qui se déposent à la surface de l'acier magnétique pour former un film. Les produits applicables à la pulvérisation magnétron comprennent des pièces carrées, des tuiles, des pièces rondes, des anneaux, etc. La source de diffusion est généralement constituée de cibles métalliques pures de dysprosium ou de terbium.
La pulvérisation cathodique magnétron présente les avantages d'une bonne uniformité du revêtement, d'une couche de film dense et d'un effet d'amplification de la force coercitive stable. Ses inconvénients sont les suivants : 1. L'équipement est coûteux, le prix d'un seul équipement continu se situant entre 3,5 et 5 millions ; 2. Le faible taux d'utilisation du matériau cible entraîne un coût relatif élevé.
1-2 Pulvérisation multi-arc
Il s'agit d'un revêtement produisant une pulvérisation cathodique locale à haute température par décharge induite par champ. Il présente les caractéristiques d'une efficacité de revêtement élevée, d'un taux d'utilisation du matériau cible élevé et d'une bonne force de liaison. Cependant, il présente les inconvénients suivants : 1. Grosses particules de revêtement et surface rugueuse du film ; 2. Uniformité générale du revêtement ; 3. Stabilité insatisfaisante du revêtement ; 4. Échauffement local de la température.
2. Évaporation
L'évaporation est une méthode de dépôt de film par chauffage et vaporisation du matériau de revêtement sous vide. On distingue l'évaporation statique et l'évaporation rotative, similaires au placage suspendu et au placage au rouleau en galvanoplastie, et adaptées respectivement aux aimants de grande et de petite taille.
Diagramme d'évaporation statique
2-1 Évaporation statique
L'avantage réside dans la température d'évaporation élevée, ainsi que dans la simultanéité de la sublimation de la source d'évaporation, du dépôt à la surface de l'acier magnétique et de la diffusion dans le corps magnétique, ce qui améliore l'effet de diffusion des terres rares lourdes. La qualité du film de terres rares lourdes après évaporation étant liée à la température d'évaporation, au degré de vide et à la distance de placage (distance entre la cible de terres rares lourdes et la feuille magnétique), la feuille d'acier magnétique doit être placée dans un outillage spécifique pour garantir la distance de placage, ce qui complexifie le processus, réduit l'efficacité de production et nuit à la consistance du film. Par conséquent, l'évaporation statique est moins utilisée dans l'industrie nationale des matériaux magnétiques.
Schéma du processus d'évaporation rotative
Source de l'image : Gao Jingyuan, Recherche sur le processus de diffusion rotative des matériaux magnétiques permanents Nd-Fe-B, 2020, Université de technologie de Pékin [D]
2-2 Évaporation rotative
Il s'agit d'une méthode de mélange continu d'aciers micromagnétiques et de petite taille avec des cibles de terres rares lourdes par rotation, puis de dépôt du métal Dy/Tb volatilisé après haute température à la surface du produit. Ce procédé est adapté aux petits produits, notamment aux produits électroacoustiques d'un poids unitaire inférieur à 1 g ; le coût du matériau de diffusion est faible, le gain de poids est faible et la HcJ est considérablement améliorée ; la consistance de HcJ est élevée. L'inconvénient est que le processus de séparation du produit et des métaux dysprosium et terbium est relativement exigeant en main-d'œuvre ; ce procédé est rarement utilisé dans l'industrie et les équipements doivent généralement être personnalisés, ce qui présente certains obstacles techniques.
3. Revêtement
Schéma du processus de pulvérisation automatique
3-1 Pulvérisation automatique
Disposez les feuilles magnétiques en une seule couche sur le plateau porte-pièces. À l'aide d'un pistolet pneumatique, pulvérisez-les en alternance pour former un film. Si la source de diffusion est du fluorure ou de l'oxyde, la pulvérisation peut se faire dans l'atmosphère. S'il s'agit d'hydrure ou de poudre d'alliage de terres rares lourdes, une protection par gaz inerte est nécessaire.
Avantages : 1. Il existe de nombreuses sources de diffusion applicables, notamment l'hydrure, le fluorure, l'oxyde et l'alliage ; 2. Il peut diffuser des produits de différentes formes et tailles, notamment des carreaux, des carrés, des ronds et des anneaux ; 3. L'équipement a un degré élevé d'automatisation, et le plateau de pièces peut être utilisé universellement, et la commutation de commande est flexible et pratique ; 4. L'investissement dans l'équipement est faible et le taux d'utilisation des terres rares lourdes est élevé.
Principaux inconvénients : il existe un risque de brevet lorsque la source de diffusion est du fluorure, il existe des risques de sécurité lorsqu'il s'agit d'hydrure et d'alliage, et la cohérence des performances de l'oxyde est médiocre.
Schéma du processus de sérigraphie
3-2 Sérigraphie
Il s'agit de préparer de l'encre à partir de poudre de terres rares lourdes. Lors de l'impression, versez l'encre à une extrémité de la plaque de sérigraphie, utilisez un grattoir pour appliquer une certaine pression sur la zone d'encre, puis déplacez-la à vitesse constante vers l'autre extrémité. L'encre est extraite de la grille par le grattoir et déposée sur la feuille magnétique, formant ainsi un film lors du déplacement.
Grâce à l'encapsulation du réactif organique dans l'encre, l'hydrure ou l'alliage de terres rares lourdes est protégé du contact avec l'air et l'oxydation est évitée. Par conséquent, l'hydrure de terres rares lourdes peut être utilisé comme source de diffusion pour le revêtement en milieu atmosphérique, évitant ainsi le risque de brevet lié au fluorure. Parallèlement, le procédé de sérigraphie présente des caractéristiques telles qu'une productivité élevée, un taux d'utilisation élevé des terres rares lourdes et une bonne constance de prise de poids, ce qui le rend particulièrement adapté à la diffusion intergranulaire de l'acier magnétique carré. Ces deux dernières années, le procédé de sérigraphie a connu un développement rapide dans l'industrie et est devenu l'un des procédés les plus répandus.
Les inconvénients sont les suivants : 1. L'écran et le racleur ne sont pas adaptés aux produits en forme de tuiles présentant des surfaces irrégulières ; 2. Des produits de tailles et de rapports de gain de poids différents nécessitent généralement des encres, des plaques de sérigraphie et des dispositifs adaptés, adaptés aux commandes stables à grande échelle. Pour les petites séries, le remplacement fréquent des écrans et des dispositifs entraînera une baisse d'efficacité, une augmentation des coûts et une faible flexibilité.
4. Dépôt électrophorétique
Le dépôt électrophorétique consiste à mélanger la source de diffusion de terres rares lourdes avec de l'alcool pour former une suspension. Les particules de la source de diffusion de terres rares lourdes se déposent alors à la surface de la tôle d'acier magnétique sous l'action d'un champ électrique continu pour former un film de terres rares lourdes. Ses avantages sont une grande efficacité de production, un procédé simple et un faible coût de production. Ses inconvénients sont une faible adhérence et uniformité du revêtement, ainsi qu'une faible constance des performances lors de la production en série, etc. Ce procédé est donc peu utilisé.
Avec l'augmentation progressive de la pression du marché, la concurrence sur les coûts a évolué depuis longtemps, passant de la comparaison des procédés de diffusion et de non-diffusion à la comparaison de différents procédés de diffusion, et même, pour une même méthode de diffusion, à la comparaison de l'utilisation des terres rares lourdes et des coûts de fabrication. Chaque procédé de diffusion possède ses propres caractéristiques. En production réelle, il est nécessaire de sélectionner un procédé de diffusion adapté aux caractéristiques du produit, aux exigences de performance et aux coûts de production. Je suis convaincu que de nouveaux procédés de diffusion seront développés et utilisés à l'avenir. Parallèlement, le développement de substrats à diffusion facile, l'utilisation optimale des sources de diffusion à base de terres rares lourdes, la percée en matière de profondeur de diffusion et le développement de sources de diffusion non à base de terres rares attireront également l'attention et les efforts des chercheurs et des producteurs.