materiali per dischi magnetici

Di cosa sono fatti i magneti a disco? La guida completa

I magneti a disco, noti anche come magneti circolari o cilindrici, sono incredibilmente utili per una varietà di applicazioni. Ma di cosa sono fatti esattamente questi forti magneti?

In questa guida completa, come professionista produttore di magneti a discoIn questo articolo, vi spiegheremo tutto quello che c'è da sapere sulla composizione e sulla produzione dei moderni magneti a disco.

materiali per dischi magnetici

Una panoramica sui materiali dei magneti a disco

I magneti a disco più comuni oggi sono realizzati con neodimio ferro boro (NdFeB). Conosciuto anche come magnete al neodimio o neo magnete, l'NdFeB offre la più alta forza magnetica per unità di volume di qualsiasi altro materiale magnetico permanente.

I magneti a disco NdFeB sono composti da neodimio, ferro e boro come ingredienti chiave. Altri elementi come disprosio, praseodimio, cobalto, nichel, niobio e alluminio possono essere aggiunti in tracce per migliorare proprietà specifiche.

Ad esempio, il disprosio e il praseodimio contribuiscono a migliorare la resistenza alla corrosione. Il cobalto aumenta la temperatura di Curie. I rivestimenti in nichel e rame proteggono dall'ossidazione.

Samario cobalto (SmCo) è un altro materiale chiave delle terre rare utilizzato per i magneti a disco quando è necessaria la stabilità alle alte temperature. Lo SmCo offre un'eccellente resistenza alla smagnetizzazione, sebbene la sua forza magnetica sia inferiore rispetto all'NdFeB.

Ci sono anche magneti in ceramica o ferritecomposti da carbonato di stronzio e ossido di ferro. Pur essendo meno potenti dei magneti di terre rare, i magneti a disco ceramico presentano i vantaggi del basso costo e della resistenza alla corrosione.

Processo di produzione dei magneti a disco NdFeB

La produzione di potenti magneti NdFeB richiede un controllo accurato di un complesso processo di precisione in più fasi:

1. Formazione della lega

Il neodimio puro, il ferro, il boro e qualsiasi altro elemento vengono prima fusi insieme in una miscela di leghe utilizzando forni di fusione a induzione. La miscela liquida di leghe viene poi fusa in lingotti.

2. Decrepitazione e fresatura a getto

I lingotti di lega fragili vengono decrepiti con il gas idrogeno per ridurli in polvere magnetica. Questa polvere viene poi macinata finemente in un mulino a getto fino a raggiungere una dimensione media delle particelle di circa 3 micron.

3. Premendo

La polvere di NdFeB viene pressata in uno stampo utilizzando metodi di pressione assiale, trasversale o isostatica estrema. Per orientare le particelle di polvere viene applicato un campo magnetico di allineamento.

4. Sinterizzazione

Il corpo del magnete compresso "verde" viene sinterizzato a temperature prossime al punto di fusione, facendo fondere insieme le particelle. Durante questo processo il magnete si restringe e si addensa.

5. Ricottura e spegnimento

Il magnete sinterizzato viene rapidamente riscaldato, immerso e raffreddato (temprato) per formare la microstruttura metallurgica ottimale e l'allineamento dei cristalli.

6. Lavorazione

Il fragile blocco di magneti sinterizzati richiede strumenti di taglio al diamante per essere tagliato e rettificato fino alle dimensioni finali. I fori e altre forme complesse possono essere tagliati a filo con macchine per elettroerosione.

7. Rivestimento e placcatura

Per proteggere dagli agenti corrosivi viene applicato un rivestimento protettivo come il nichel-rame-nichel. Si possono aggiungere anche altri rivestimenti funzionali.

8. Magnetizzazione

Il magnete finito riceve un forte impulso di saturazione in un magnetizzatore per orientare i domini magnetici per ottenere prestazioni magnetiche ottimali.

Questi sono i passaggi chiave per la fabbricazione dei moderni magneti a disco al neodimio! Esaminiamo poi il processo di produzione dei magneti legati e ceramici.

Come vengono prodotti i magneti a disco legati

I magneti legati hanno un approccio diverso alla produzione:

1. Fresatura a getto

Come i magneti sinterizzati, i magneti legati partono da una lega NdFeB decrepita che viene finemente macinata in una polvere magnetica. Un polimero legante viene aggiunto al mulino a getto per omogeneizzare la miscela.

2. Miscelazione con polimero

La polvere viene ulteriormente miscelata con un polimero legante plastico o elastomerico, insieme a lubrificanti e agenti indurenti. L'obiettivo è rivestire uniformemente ogni particella di polvere.

3. Pressatura e polimerizzazione

La miscela di materie prime viene pressata nella forma del magnete a disco mediante compressione o stampaggio a iniezione. Il polimero polimerizza a temperatura elevata attorno alle particelle di polvere.

4. Magnetizzazione

Il corpo magnetico polimerizzato può essere magnetizzato come un pezzo sinterizzato. Tuttavia, a causa del legante non magnetico che occupa volume, la forza magnetica è inferiore a parità di dimensioni.

5. Rivestimento (opzionale)

Dopo la magnetizzazione può essere applicato un rivestimento protettivo per aumentare la resistenza alla corrosione e ai graffi.

Riassumendo, i magneti a disco incollati sostituiscono la fase di sinterizzazione con una matrice polimerica distribuita per tenere insieme le particelle magnetiche.

Il legante consente forme più complesse, ma limita le prestazioni termiche e magnetiche. Vediamo ora la produzione di magneti ceramici convenzionali.

Composizione e fabbricazione di magneti a disco in ceramica

1. Preparazione della polvere

I magneti a disco iniziano con la preparazione della polvere. L'ossido di ferro viene ridotto da un precursore di ferro e macinato a sfere fino a raggiungere una dimensione delle particelle di circa 2 micron. Dopo la disossidazione e l'essiccazione, la polvere di ferro risultante presenta un comportamento ferromagnetico morbido.

Anche la polvere di carbonato di stronzio viene pesata e macinata per adattarla alla stechiometria scelta.

2. Miscelazione e calcinazione

Le polveri di carbonato di ferro e stronzio vengono accuratamente miscelate per garantire l'omogeneità del lotto. La polvere miscelata viene sottoposta a calcinazione a 900-1000°C per rimuovere i composti volatili come CO2 e regolare la chimica della superficie della polvere.

3. Compattazione

Dopo la macinazione a sfere e l'aggiunta di legante, la polvere ceramica viene compattata in dischi magnetici verdi utilizzando un campo magnetico applicato, proprio come le loro controparti NdFeB. Per ottenere la densità verde necessaria è necessaria una pressione di circa 100-300 MPa.

4. Sinterizzazione

I dischi di ferrite compattati vengono poi sottoposti a una cottura prolungata a circa 1200°C in un'atmosfera di forno altamente ossidante per densificare completamente, evitando però di ridurre il contenuto di ossido ferrico.

5. Lavorazione e collaudo

I magneti in ferrite sinterizzata possono essere rettificati in tolleranza prima dei controlli finali delle proprietà, come la forza magnetica e la resistività. Non si procede a un'ulteriore magnetizzazione, poiché la ferrite è già magnetizzata dalla fase di compattazione.

In sintesi, l'approccio convenzionale alla metallurgia delle polveri consente di produrre magneti in ferrite ceramica in modo economico, sfruttando precursori semplici, una lavorazione non complicata e l'assenza di terre rare pesanti.

Scegliere la giusta composizione del magnete a disco

Ora che abbiamo analizzato i processi di produzione dei principali tipi di magneti a disco, come scegliere il materiale migliore per la vostra applicazione?

Ecco una rapida tabella di confronto che copre i relativi forza magnetica, limiti di temperatura, resistenza alla corrosione e costi per i comuni materiali dei magneti a disco:

MaterialeForza magneticaTemperatura massima di servizioResistenza alla corrosioneCosto relativo
NdFeBIl più altoBasso (80°C)BassoIl più alto
SmCoMolto altoMolto alto (300°C)AltoAlto
NdFeB legatoModeratoBasso (80°C)MedioMedio
Ceramica / FerriteIl più bassoAlto (250°C)AltoIl più basso

Neodimio (NdFeB) I magneti a disco offrono le prestazioni magnetiche più elevate per unità di volume con un ampio margine, ma sono vulnerabili all'ossidazione e alla perdita di magnetismo al di sopra degli 80°C.

Samario cobalto (SmCo) Il neodimio non ha la forza magnetica del neodimio, ma una maggiore resistenza alla temperatura e alla corrosione, a fronte di costi più elevati per le materie prime.

Neodimio legato prende le prestazioni ineguagliate delle polveri NdFeB ma le combina in una matrice polimerica facile da modellare che abbassa la temperatura massima di servizio.

Infine, magneti in ceramica (ferrite) composti da ferrite di bario o di stronzio, hanno la più bassa resa magnetica ma la migliore resistenza alla corrosione e le migliori proprietà termiche, oltre a costi molto bassi.

Principali indicazioni sulla composizione dei magneti a disco

Questo conclude il nostro sguardo approfondito su ciò che il moderno magneti a disco e come funzionano i principali processi di fabbricazione. Ecco alcuni dei punti salienti:

  • I magneti a disco sono costituiti principalmente da neodimio ferro boro (NdFeB), samario cobalto (SmCo), NdFeB legato o ceramica/ferrite come materiale magnetico.
  • I magneti al neodimio offrono la massima forza, ma hanno una minore resistenza al calore e alla corrosione. Lo SmCo scambia alcune prestazioni magnetiche con una stabilità termica e un'impedenza alla corrosione radicalmente migliori.
  • I magneti legati offrono una forza magnetica intermedia e una formazione conveniente, ma limiti di temperatura inferiori. I magneti in ceramica/ferrite hanno le uscite più basse con un'eccezionale durata termica e chimica.
  • Tecniche di produzione come la fusione a induzione, la fresatura a getto, la pressatura, la sinterizzazione, la lavorazione, il rivestimento e la magnetizzazione trasformano queste leghe in magneti a disco di precisione.
  • La scelta della composizione ottimale del magnete a disco dipende dai requisiti di forza magnetica, dall'intervallo di temperatura operativa, dalla resistenza ambientale, dalle esigenze meccaniche, dai vincoli geometrici e dalle considerazioni di budget, tra i fattori specifici dell'applicazione.

Speriamo che questa guida vi abbia dato una visione approfondita della scienza dei materiali e dell'ingegneria dei moderni magneti a disco. Fatemi sapere nei commenti se avete altre domande!

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