מה זה מגנטים ניאודימיום / מגנטים NdFeB?
הסוג הנפוץ ביותר שלמגנט של אדמה נדירההוא מגנט ניאודימיום, המכונה בדרך כלל מגנט NdFeB, NIB או ניאו.ניאודימיום, ברזל ובור שולבו כדי ליצור את המבנה הגבישי Nd2Fe14B של המגנט הקבוע.מגנטים ניאודימיום הם הסוג החזק ביותר של מגנט קבוע הקיים כיום בשוק.הם פותחו בנפרד בשנת 1984 על ידי ג'נרל מוטורס ו-Sumitomo Special Metals.
בהתאם לשיטת הייצור המופעלת, ניתן לסווג את מגנטי NdFeB כסינטרהאו קשור.ביישומים רבים במוצרים עכשוויים הזקוקים למגנטים קבועים רבי עוצמה, כגון מנועים חשמליים בכלים אלחוטיים, כונני דיסק קשיח ומחברים מגנטיים, הם תפסו את מקומם של סוגים אחרים של מגנטים.
הסבר על חוזק
ניאודימיום היא מתכת אנטי-פרומגנטית שמציגה מאפיינים מגנטיים כשהיא טהורה, אך רק בטמפרטורות מתחת ל-19 K (254.2 מעלות צלזיוס; 425.5 מעלות פרנהייט).תרכובות ניאודימיום עם מתכות מעבר פרומגנטיות כמו ברזל, בעלות טמפרטורות קירי הרבה מעל טמפרטורת החדר, משמשות ליצירת מגנטים ניאודימיום.
החוזק של מגנטים ניאודימיום הוא שילוב של דברים שונים.המשמעותית ביותר היא האניזוטרופיה החד-צירית המגנטית-גבישית הגבוהה ביותר של מבנה הגביש הטטרגונלי Nd2Fe14B (HA 7 T - חוזק שדה מגנטי H ביחידות של A/m כנגד מומנט מגנטי ב-Am2).זה מצביע על כך שגביש של החומר מתמגנט בצורה מועדפת לאורך ציר גביש מסוים אך מוצא את זה מאתגר ביותר להתמגנט לכיוונים אחרים.סגסוגת המגנטים הנאודימיום, בדומה למגנטים אחרים, עשויה מגרגרים מיקרו-גבישיים אשר במהלך הייצור מיושרים בשדה מגנטי חזק כך שהצירים המגנטיים שלהם מפנים כולם לאותו כיוון.לתרכובת יש כושר כפייה גבוה במיוחד, או עמידות בפני דה-מגנטיזציה, עקב ההתנגדות של סריג הגביש לשינוי כיוון המגנטיות שלו.
מכיוון שהוא מכיל ארבעה אלקטרונים לא מזווגים במבנה האלקטרונים שלו בהשוואה לשלושה (בממוצע) בברזל, לאטום הנאודימיום יש מומנט דיפול מגנטי משמעותי.האלקטרונים הבלתי מזווגים במגנט שמיושרים כך שהספינים שלהם פונים לאותו כיוון מייצרים את השדה המגנטי.זה מביא למגנטיזציה רוויה חזקה עבור השילוב Nd2Fe14B (Js 1.6 T או 16 ק"ג) ומגנטיזציה שיורית טיפוסית של 1.3 טסלה.כתוצאה מכך, לשלב מגנטי זה יש את היכולת לאחסן כמויות משמעותיות של אנרגיה מגנטית (BHmax 512 kJ/m3 או 64 MGOe), שכן צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר היא פרופורציונלית ל-Js2.
ערך אנרגיה מגנטית זה גדול פי 18 בנפח ופי 12 במסה ממגנטי פריט "רגילים".Samarium cobalt (SmCo), המגנט הראשון של כדור הארץ הנדיר הזמין מסחרית, הוא בעל רמה נמוכה יותר של תכונת אנרגיה מגנטית זו מאשר סגסוגות NdFeB.המאפיינים המגנטיים של מגנטים ניאודימיום מושפעים באמת ממבנה המיקרו, תהליך הייצור וההרכב של הסגסוגת.
אטומי ברזל ושילוב ניאודימיום-בורון נמצאים בשכבות חלופיות בתוך מבנה הגביש Nd2Fe14B.אטומי הבור הדיאמגנטיים מקדמים לכידות באמצעות קשרים קוולנטיים חזקים אך אינם תורמים ישירות למגנטיות.מגנטים ניאודימיום הם פחות יקרים ממגנטים סמריום-קובלט בשל ריכוז אדמה נדירה הנמוכה יחסית (12% בנפח, 26.7% במסה), כמו גם הזמינות היחסית של ניאודימיום וברזל בהשוואה לסמריום וקובלט.
נכסים
ציוני:
תוצר האנרגיה המקסימלי של מגנטים ניאודימיום - התואם לייצור השטף המגנטי ליחידת נפח - משמש לסיווגם.מגנטים חזקים יותר מסומנים על ידי ערכים גבוהים יותר.קיים סיווג מקובל בעולם עבור מגנטים מסוג NdFeB מחולבים.ערכם נע בין 28 ל-52. מגנטים ניאודימיום, או מגנטים של NdFeB מחולבים, מסומנים ב-N הראשוני לפני הערכים.אחרי הערכים מופיעות אותיות המציינות כפייה פנימית וטמפרטורות פעולה מקסימליות, המתואמות באופן חיובי לטמפרטורת Curie ונעות בין ברירת המחדל (עד 80°C או 176°F) ל-TH (230°C או 446°F) .
ציונים שלמגנטים מסוג NdFeB מחולבים:
N30-N56, N30M-N52M, N30H-N52H, N30SH-N52SH, N28UH-N45UH, N28EH-N42EH, N30AH-N38AH
מאפיינים מגנטיים:
בין המאפיינים החשובים המשמשים לניגוד מגנטים קבועים הם:
Remanence(בר),אשר מכמת את עוצמת השדה המגנטי.
כַּפיָנוּת(Hci),התנגדות לדה-מגנטיזציה של החומר.
תוצר אנרגיה מקסימלי(BHmax),הערך הגדול ביותר של צפיפות השטף המגנטי (B) פעמים
חוזק שדה מגנטי, המודד את צפיפות האנרגיה המגנטית (H).
טמפרטורת קירי (TC), הנקודה שבה חומר מפסיק להיות מגנטי.
מגנטים ניאודימיום עולים על סוגים אחרים של מגנטים במונחים של רמננציה, כפייה ותוצר אנרגיה, אך לעיתים קרובות יש להם טמפרטורות קירי נמוכות יותר.טרביום ודיספרוסיום הן שתי סגסוגות מגנטים מיוחדות של ניאודימיום שנוצרו עם טמפרטורות קירי גבוהות יותר וסובלנות גבוהה יותר לטמפרטורה.הביצועים המגנטיים של מגנטים ניאודימיום מנוגדים לאלו של סוגי מגנטים קבועים אחרים בטבלה למטה.
| מַגנֵט | בר(T) | Hcj(kA/m) | BHmaxkJ/m3 | TC | |
| (℃) | (℉) | ||||
| Nd2Fe14B, מחוטא | 1.0-1.4 | 750-2000 | 200-440 | 310-400 | 590-752 |
| Nd2Fe14B, מלוכד | 0.6-0.7 | 600-1200 | 60-100 | 310-400 | 590-752 |
| SmCo5, סינטר | 0.8-1.1 | 600-2000 | 120-200 | 720 | 1328 |
| Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7 סינטר | 0.9-1.15 | 450-1300 | 150-240 | 800 | 1472 |
| AlNiCi, מחוטא | 0.6-1.4 | 275 | 10-88 | 700-860 | 1292-1580 |
| Sr-Ferrite, מרובע | 0.2-0.78 | 100-300 | 10-40 | 450 | 842 |
בעיות קורוזיה
גבולות התבואה של מגנט מחוטא רגישים במיוחד לקורוזיה ב-Nd2Fe14B מחוטא.סוג זה של קורוזיה עלול לגרום לנזק משמעותי, כגון התפרקות שכבת פני השטח או התפוררות של מגנט לאבקה של חלקיקים מגנטיים זעירים.
מוצרים מסחריים רבים מטפלים בסיכון זה על ידי הכללת כיסוי מגן כדי לעצור את החשיפה לסביבה.הציפויים הנפוצים ביותר הם ניקל, ניקל-נחושת-ניקל ואבץ, כאשר ניתן להשתמש גם במתכות אחרות, כמו גם מגן פולימר ולכהציפויים.
השפעות טמפרטורה
לנאודימיום יש מקדם שלילי, מה שאומר שכשהטמפרטורה עולה, גם הכוויה וגם צפיפות האנרגיה המגנטית המקסימלית (BHmax) יורדים.בטמפרטורת הסביבה, למגנטים של ניאודימיום-ברזל-בורון יש כפייה גבוהה;עם זאת, כאשר הטמפרטורה עולה מעל 100 מעלות צלזיוס (212 מעלות פרנהייט), הכפייה יורדת במהירות עד שהיא מגיעה לטמפרטורת Curie, שהיא בסביבות 320 מעלות צלזיוס או 608 מעלות פרנהייט.ירידה זו בכפייה מגבילה את יעילות המגנט ביישומים בטמפרטורה גבוהה כמו טורבינות רוח, מנועים היברידיים וכו'. כדי למנוע ירידה בביצועים עקב תנודות בטמפרטורה, מוסיפים טרביום (Tb) או דיספרוזיום (Dy), מה שמגדיל את העלות של מַגנֵט.
יישומים
מכיוון שהחוזק הגבוה יותר שלו מאפשר שימוש במגנטים קטנים וקלים יותר עבור יישום נתון, מגנטים ניאודימיום דחקו את מגנטי אלניקו ופריט ברבים מאינספור היישומים בטכנולוגיה עכשווית שבהם נדרשים מגנטים קבועים חזקים.להלן מספר דוגמאות:
מפעילי ראש לדיסקים קשיחים של מחשב
מתגי ירי סיגריה אלקטרונית מכניים
מנעולים לדלתות
רמקולים לטלפון נייד ומפעילי פוקוס אוטומטי
מנועי סרוו& מנועים סינכרוניים
מנועים להרמה ומדחסים
ציר ומנועי צעד
מנועי הנעה של מכוניות היברידיות וחשמליות
מפרקי תיקי מדיה קמעונאיים
מגנטים ניאודימיום רבי עוצמה משמשים בתעשיות תהליכיות כדי ללכוד גופים זרים ולשמור על מוצרים ותהליכים.
החוזק המוגבר של מגנטים ניאודימיום העניק השראה לשימושים חדשים כגון אבזמי תכשיטים מגנטיים, ערכות בנייה מגנטיות לילדים (ונאודימיום אחרצעצועי מגנט), וכחלק ממנגנון הסגירה של ציוד הצניחה הספורטיבית הנוכחית.הם המתכת העיקרית במגנטים הפופולריים של צעצועי שולחן שפעם היו ידועים בשם "Buckyballs" ו-"Buckycubes", אולם חלק מהחנויות בארצות הברית בחרו שלא למכור אותם עקב חששות לבטיחות ילדים, והם נאסרו בקנדה מאותה הסיבה.
עם הופעתם של סורקי תהודה מגנטית פתוחה (MRI) המשמשים כדי לראות את הגוף במחלקות רדיולוגיה כחלופה למגנטים מוליכים-על, החוזק וההומוגניות של השדה המגנטי של מגנטים ניאודימיום פתחו גם אפשרויות חדשות בתעשייה הרפואית.
מגנטים ניאודימיום משמשים לטיפול במחלת ריפלוקס קיבה ושט כמערכת אנטי-ריפלוקס מושתלת בניתוח, שהיא רצועה של מגנטים המושתלים בניתוח סביב סוגר הוושט התחתון (GERD).הם גם הושתלו באצבעות כדי לאפשר תחושה חושית של שדות מגנטיים, אם כי מדובר בפעולה ניסיונית שרק ביוהאקרים וטוחנים מכירים.
מגנטים מרוסקים של NdFeBבעלי האיכויות המגנטיות הגבוהות ביותר ומשמשים במספר מגזרים, כולל תפסי דלתות, מנועים, גנרטורים ורכיבים תעשייתיים כבדים.
מגנטים דחוסים מלוכדיםחזקים יותר ממגנטים יצוקים בהזרקה.
מגנט NdFeB מפלסטיק בהזרקההוא חומר מרוכב מהדור החדש המורכב מאבקה מגנטית קבועה ופלסטיק, בעל איכויות מגנטיות ופלסטיק יוצאות דופן, כמו גם דיוק גבוה ועמידות בפני מתח.
