Магниты NdFeB без тяжелых редкоземельных элементов: технологические прорывы и затраты
В сфере магниты , мало каких инноваций в последние годы привлекали столько внимания, как разработка магнитов NdFeB без тяжелых редкоземельных элементов. Эти неодимовые магниты представляют собой важный сдвиг в отрасли, решающий две насущные задачи: дефицит и нестабильность тяжелых редкоземельных элементов (HRE), таких как диспрозий (Dy) и тербий (Tb), а также растущий спрос на высокопроизводительные и экономически эффективные магнитные материалы. Будучи лидером в производстве постоянные магниты и магнитных инструментов, Магнит AIM внимательно следила за этими достижениями, признавая их потенциал в изменении рынков — от возобновляемой энергетики до потребительской электроники. В этом блоге рассматривается одна из ключевых технологий, способствующих этому переходу — диффузия по границам зерен (GBD) для снижения содержания диспрозия, а также прорывные процессы, улучшения в производительности и затраты.
Диффузия по границам зерен (GBD) для снижения содержания диспрозия
Диффузия по границам зерен (GBD) стала революционной технологией в попытках снизить или полностью исключить тяжелые редкоземельные элементы в неодимовые магниты . Традиционные NdFeB-магниты используют диспрозий и тербий для повышения коэрцитивной силы (способности сопротивляться размагничиванию) и температурной стабильности, особенно в высокотемпературных приложениях, таких как электродвигатели электромобилей (EV) и ветряные турбины. Однако эти ТЗР не только дороги, но и географически сосредоточены, что создает уязвимости в цепочках поставок. GBD решает эту проблему, нанося тонкий слой ТЗР (или альтернативных элементов) на поверхность магнита, который затем диффундирует вдоль границ зерен во время термообработки, снижая общее использование ТЗР на 90% по сравнению с объемным легированием.
Этот подход сохраняет высокую намагниченность насыщения NdFeB-сердечника, одновременно укрепляя границы зерен, где обычно начинается размагничивание. Для производителей, таких как ИИ M Mag сетка , которая специализируется на мощные магниты и инновационные магнитные решения, GBD предлагает путь к производству высокопроизводительных магнитов с меньшей зависимостью от дефицитных ресурсов. Ниже мы рассмотрим ключевые прорывы в технологии GBD, включая процесс легирования нанопорошка Anhui Hanhai, показатели эффективности и экономические преимущества.
Процесс легирования нанопорошка Anhui Hanhai
Компания Anhui Hanhai Magnetic Materials Co., Ltd. разработала процесс легирования нанопорошка, который повышает эффективность диффузии на границах зерен и дополнительно снижает использование диспрозия в неодимовые магниты . Традиционные методы GBD часто используют твердые или жидкие источники тяжелых редкоземельных элементов (например, оксид диспрозия), которые наносятся на поверхность магнита, однако достижение равномерной диффузии по сложным формам магнитов может быть затруднено. Инновация Hanhai заключается в добавлении наноразмерных легирующих добавок — обычно оксидов или сплавов редкоземельных элементов — непосредственно в магнитный порошок во время спекания, что создает более однородное распределение диффузионных добавок.
Вот как работает этот процесс:
- Подготовка нанопорошка : Наночастицы высокочистого диспрозия (или альтернативного материала) размером 50–100 нм синтезируются методом солевого геля или гидротермальным методом. Эти наночастицы разработаны таким образом, чтобы обладать высокой поверхностной энергией, что обеспечивает их легкое связывание с границами зерен NdFeB.
- Смешивание с порошком NdFeB : Наноразмерные легирующие добавки перемешиваются с неодим -железо-борным порошком в точных пропорциях (обычно 0,5–2 мас.%). Этап смешивания является критически важным — компания Anhui Hanhai использует собственную технологию ультразвукового смешивания, чтобы избежать агломерации, обеспечивая равномерное покрытие каждой частицы NdFeB тонким слоем наночастиц.
- Спекание и диффузия : Смешанный порошок прессуется в форму и спекается при температуре 1050–1100°C. Во время спекания наночастицы плавятся и диффундируют вдоль границ зерен, образуя слой, обогащенный тяжелыми редкоземельными элементами (HRE), который фиксирует доменные стенки (ключевой механизм повышения коэрцитивной силы). Это исключает необходимость нанесения покрытия на поверхность после спекания, упрощая производство.
Результатом является магнит, в котором диспрозий концентрируется только на границах зерен, оставляя ядро NdFeB без тяжелых редкоземельных элементов. Это целенаправленный подход позволяет снизить общее содержание диспрозия на 30–40% по сравнению с традиционными методами GBD, что делает его прорывом в области магнитов NdFeB без тяжелых редкоземельных элементов .
Для производителей, таких как Магнит AIM , выпускающая широкую гамму редкоземельные магниты от магнитные крючки до компонентов промышленного класса, внедрение таких процессов может значительно снизить затраты на материалы при сохранении эксплуатационных характеристик. Метод наноразмерного легирования также улучшает масштабируемость, поскольку он легко интегрируется в существующие линии спекания — это критично для массового производства магнитов, используемых в электромобилях (EV), робототехнике и системах возобновляемой энергетики.
Эксплуатационные характеристики: повышение коэрцитивной силы (+3 кОэ) и температурная стабильность
Основной задачей снижения содержания диспрозия в неодимовые магниты заключается в поддержании или улучшении рабочих характеристик, особенно коэрцитивной силы (Hc) и стабильности при высоких температурах — двух важных свойствах для применения в высокотемпературных условиях. Нанопорошковый легирующий процесс Anhui Hanhai, совмещённый с технологией GBD, демонстрирует впечатляющие результаты в обеих этих областях.
Улучшение коэрцитивной силы коэрцитивная сила характеризует способность магнита сопротивляться размагничиванию. Традиционные NdFeB-магниты без добавок тяжёлых редкоземельных элементов часто имеют значения коэрцитивной силы ниже 10 кОе, что ограничивает их использование в условиях высокой температуры (например, электродвигатели EV, работающие при температуре выше 150°C). С применением технологии GBD с нанолегированием, магниты Anhui Hanhai достигают повышения коэрцитивной силы на +3 кОе (с ~11 кОе до 14 кОе) при комнатной температуре. При температуре 150°C значение коэрцитивной силы остаётся выше 10 кОе — что сопоставимо с магнитами, богатыми диспрозием, но с содержанием тяжёлых редкоземельных элементов на 30–40% меньше.
Это улучшение объясняется обогащенными HRE границами зерен, которые действуют как «точки закрепления» для предотвращения движения доменных стенок под воздействием внешних магнитных полей или тепла. Для применений, таких как генераторы ветряных турбин, где магниты подвергаются колебаниям температуры и механическим напряжениям, повышенная коэрцитивная сила обеспечивает долгосрочную надежность — ключевое преимущество для Магнит AIM промышленных клиентов.
Стабильность температуры : Термостойкость определяется температурным коэффициентом коэрцитивной силы (αHc), который измеряет степень снижения коэрцитивной силы при повышении температуры. Традиционные неодимовые магниты NdFeB без содержания диспрозия обычно имеют значения αHc -0,6%/°C или хуже, то есть коэрцитивная сила снижается на 0,6% при каждом повышении температуры на 1°C. Однако магниты компании Anhui Hanhai, обработанные методом GBD, достигают значений αHc -0,45%/°C, благодаря равномерному распределению HRE на границах зерен.
Эта стабильность позволяет магнитам надежно работать в условиях до 180°C — подходят для компонентов авиакосмической отрасли, промышленных двигателей и даже высокомощных магниты для рыбалки используемых в экстремальных условиях. Для Магнит AIM , которая предлагает мощные магниты для различных применений, этот температурный диапазон открывает новые рынки, где надежность при высокой температуре является обязательным требованием.
Другие эксплуатационные характеристики : Важно, что эти достижения не происходят за счет других ключевых свойств. Остаточная намагниченность (Br) — индукция магнетизма, сохраняемая после намагничивания — остается выше 13,5 кГс, что сопоставимо с традиционными NdFeB-магнитами. Максимальный энергетический продукт (BHmax), характеризующий мощность магнита, остается в пределах 35-40 МГОэ, что делает эти магниты без тяжелых редкоземельных элементов подходящими для высокомощных применений, таких как трансмиссии электромобилей и МРТ-сканеры.
Независимые испытания Китайским институтом сталеплавильных исследований (CISRI) подтверждают эти результаты: магниты, произведенные по технологии Anhui Hanhai, соответствуют или превосходят отраслевые стандарты для редкоземельные магниты в отношении коррозионной стойкости, механической прочности и долговечности. Эта проверка критична для производителей, таких как Магнит AIM желающих внедрить технологию, поскольку это гарантирует соответствие международным сертификациям (например, IATF 16949 для автомобильной промышленности).
Анализ затрат: экономия на производстве на 15-20% по сравнению с традиционными методами
С экономической точки зрения жизнеспособность магнитов NdFeB без тяжелых редкоземельных элементов зависит от производственных затрат. Сокращение использования диспрозия позволяет GBD с наноразмерным легированием обеспечивать значительную экономию — 15-20% по сравнению с традиционными методами, согласно отраслевым оценкам. Рассмотрим подробнее основные статьи затрат и экономии:
Стоимость сырья : Диспрозий — один из самых дорогих редкоземельных элементов, его цена колеблется от 100 до 200 долларов США за килограмм (по сравнению с неодимом, который стоит 50–80 долларов за кг). Традиционные NdFeB-магниты для высокотемпературных применений содержат 5–8 мас.% диспрозия, что добавляет 5–16 долларов США за кг к затратам на материалы. Процесс компании Аньхой Ханьхай снижает содержание диспрозия до 2–3 мас.%, сокращая расходы на сырье на 3–10 долларов США за кг — то есть снижение затрат, связанных с тяжелыми редкоземельными элементами, на 30–40%.
Для производителя, выпускающего ежегодно 1000 тонн магнитов, это означает экономию на сырье в размере 3–10 миллионов долларов США. Для Магнит AIM , который наращивает производство в масштабах магнитные крючки , Магниты magsafe , а также промышленных компонентов, эти средства могут быть перенаправлены в исследования и разработки или переданы клиентам, что повышает конкурентоспособность.
Эффективность производства : Традиционное легирование диспрозием требует нескольких этапов: плавку с получением сплава в виде хлопьев, гидрирование и объемное легирование — каждый из которых добавляет время и энергетические затраты. Метод GBD с использованием нанопорошкового легирования упрощает этот процесс, объединяя диффузию со спеканием, что сокращает время производства на 10–15%. Потребление энергии также снижается, поскольку дополнительная термообработка после спекания (необходимая при традиционном GBD) минимизируется.
Трудозатраты — еще один фактор: меньшее количество этапов означает сокращение потребности в рабочей силе для обработки материалов и контроля качества. В совокупности эти меры повышают эффективность и снижают затраты на единицу продукции на 5–8 %, что в сочетании с 10–12 % экономии за счет уменьшения использования диспрозия дает общий экономический эффект в размере 15–20 %.
Устойчивость цепочки поставок : Добыча диспрозия сосредоточена в Китае (90 % мирового производства), что делает цены уязвимыми к экспортным ограничениям, геополитическим напряжениям или экологическим нормам. Снижая зависимость от диспрозия, производители, такие как Магнит AIM снизить эти риски. Например, во время кризиса с редкоземельными элементами в 2010 году цены на диспрозий выросли на 500 %; магниты, произведенные с использованием процесса Hanhai, увеличились бы в цене всего на 150 % благодаря более низкому содержанию тяжелых редкоземельных элементов.
Общая стоимость владения (TCO) для клиентов : Для конечных пользователей (например, производителей электромобилей, компаний, выпускающих ветряные турбины) TCO включает не только стоимость магнитов, но и затраты на обслуживание и замену. Повышенная прочность и температурная стабильность магнитов, обработанных методом GBD, снижают частоту выхода из строя, уменьшая долгосрочные затраты TCO на 5–7 %. Это создает взаимную выгоду: производители экономят на производстве, а клиенты — на расходах в течение всего жизненного цикла.
Заключение
Диффузия на границах зерен с легированием нанопорошком — как в прорывной технологии Anhui Hanhai — представляет собой ключевой шаг на пути к коммерциализации магнитов NdFeB без тяжелых редкоземельных элементов . Снижая использование диспрозия на 30–40 % при одновременном увеличении коэрцитивной силы на 3 кОэ и улучшении температурной стабильности, эта технология решает как вопросы производительности, так и стоимости. Для производителей, таких как Магнит AIM , которая специализируется на постоянные магниты и магнитных инструментах с 2006 года, внедрение таких инноваций соответствует их приверженности качеству, инновациям и устойчивому развитию.
По мере роста спроса на мощные магниты в различных отраслях — от автомобилестроения до возобновляемой энергетики — способность производить высокопроизводительные, экономически эффективные и ресурсосберегающие магниты станет ключевым фактором отличия. Благодаря экономии в производстве на 15–20% и устойчивости цепочек поставок, магниты, обработанные методом GBD, неодимовые магниты готовы доминировать на рынке, стимулируя следующую волну инноваций в магнитных технологиях.
Чтобы узнать больше о том, как Магнит AIM использует передовые магнитные технологии в продуктах, таких как магнитные крючки , магниты для рыбалки , и промышленные редкоземельные магниты , посетите наш веб-сайт или свяжитесь с нашей командой, чтобы получить персонализированные решения.
