Un magnete al neodimio (Nd-Fe-B).è un comune magnete delle terre rare composto da neodimio (Nd), ferro (Fe), boro (B) e metalli di transizione. Hanno prestazioni superiori nelle applicazioni grazie al loro forte campo magnetico, pari a 1,4 tesla (T), un'unità di induzione magnetica o densità di flusso.
I magneti al neodimio sono classificati in base al modo in cui sono fabbricati, ovvero sinterizzati o incollati. Sono diventati i magneti più utilizzati sin dal loro sviluppo nel 1984.
Nel suo stato naturale, il neodimio è ferromagnetico e può essere magnetizzato solo a temperature estremamente basse. Quando è combinato con altri metalli, come il ferro, può essere magnetizzato a temperatura ambiente.
Le capacità magnetiche di un magnete al neodimio possono essere viste nell'immagine a destra.
I due tipi di magneti in terre rare sono al neodimio e al samario cobalto. Prima della scoperta dei magneti al neodimio, i magneti al samario cobalto erano i più comunemente usati, ma furono sostituiti dai magneti al neodimio a causa dei costi di produzione dei magneti al samario cobalto.
Quali sono le proprietà di un magnete al neodimio?
La caratteristica principale dei magneti al neodimio è la loro forza rispetto alle loro dimensioni. Il campo magnetico di un magnete al neodimio si verifica quando gli viene applicato un campo magnetico e i dipoli atomici si allineano, creando il ciclo di isteresi magnetica. Quando il campo magnetico viene rimosso, parte dell'allineamento rimane nel neodimio magnetizzato.
I gradi dei magneti al neodimio indicano la loro forza magnetica. Più alto è il numero del grado, più forte è la potenza del magnete. I numeri provengono dalle loro proprietà espresse come mega gauss Oersteds o MGOe, che è il punto più forte della sua curva BH.
La scala di classificazione "N" inizia da N30 e arriva a N52, sebbene i magneti N52 siano usati raramente o solo in casi speciali. Il numero "N" può essere seguito da due lettere, come SH, che indicano la coercività del magnete (Hc). Maggiore è l'Hc, maggiore è la temperatura che il neomagnete può sopportare prima di perdere la sua potenza.
La tabella seguente elenca i tipi più comuni di magneti al neodimio attualmente utilizzati.
Le proprietà dei magneti al neodimio
Rimanenza:
Quando il neodimio viene posto in un campo magnetico, i dipoli atomici si allineano. Dopo essere stato rimosso dal campo, una parte dell'allineamento rimane creando neodimio magnetizzato. La rimanenza è la densità di flusso che rimane quando il campo esterno ritorna da un valore di saturazione a zero, che è la magnetizzazione residua. Maggiore è la rimanenza, maggiore è la densità di flusso. I magneti al neodimio hanno una densità di flusso compresa tra 1,0 e 1,4 T.
La rimanenza dei magneti al neodimio varia a seconda di come sono realizzati. I magneti al neodimio sinterizzato hanno una T compresa tra 1,0 e 1,4. I magneti al neodimio legati hanno una resistenza compresa tra 0,6 e 0,7 T.
Coercitività:
Dopo che il neodimio è stato magnetizzato, non ritorna alla magnetizzazione zero. Per riportarlo a una magnetizzazione pari a zero, deve essere respinto da un campo nella direzione opposta, fenomeno chiamato coercività. Questa proprietà di un magnete è la sua capacità di resistere all'influenza di una forza magnetica esterna senza essere smagnetizzato. La coercività è la misura dell'intensità necessaria a un campo magnetico per ridurre a zero la magnetizzazione di un magnete o la resistenza di un magnete da smagnetizzare.
La coercività viene misurata in unità oersted o ampere etichettate come Hc. La coercività dei magneti al neodimio dipende da come sono fabbricati. I magneti al neodimio sinterizzato hanno una coercività compresa tra 750 Hc e 2000 Hc, mentre i magneti al neodimio incollati hanno una coercività compresa tra 600 Hc e 1200 Hc.
Prodotto energetico:
La densità dell'energia magnetica è caratterizzata dal valore massimo della densità di flusso moltiplicato per l'intensità del campo magnetico, che è la quantità di flusso magnetico per unità di superficie. Le unità sono misurate in tesla per le unità SI e i suoi Gauss con il simbolo della densità di flusso B. La densità di flusso magnetico è la somma del campo magnetico esterno H e della polarizzazione magnetica del corpo magnetico J nelle unità SI.
I magneti permanenti hanno un campo B nel nucleo e nei dintorni. La direzione dell'intensità del campo B è attribuita ai punti all'interno e all'esterno del magnete. L'ago della bussola nel campo B di un magnete punta verso la direzione del campo.
Non esiste un modo semplice per calcolare la densità di flusso delle forme magnetiche. Esistono programmi per computer in grado di eseguire il calcolo. Formule semplici possono essere utilizzate per geometrie meno complesse.
L'intensità di un campo magnetico si misura in Gauss o Tesla ed è la misura comune della forza di un magnete, che è una misura della densità del suo campo magnetico. Un misuratore di gauss viene utilizzato per misurare la densità del flusso di un magnete. La densità di flusso per un magnete al neodimio è 6000 Gauss o meno perché ha una curva di smagnetizzazione a linea retta.
Temperatura della curie:
La temperatura di curie, o punto di curie, è la temperatura alla quale i materiali magnetici cambiano le loro proprietà magnetiche e diventano paramagnetici. Nei metalli magnetici, gli atomi magnetici sono allineati nella stessa direzione e rinforzano il campo magnetico reciproco. L’aumento della temperatura del curie modifica la disposizione degli atomi.
La coercività aumenta all’aumentare della temperatura. Sebbene i magneti al neodimio abbiano un'elevata coercività a temperatura ambiente, questa diminuisce man mano che la temperatura aumenta fino a raggiungere la temperatura di curie, che può essere intorno a 320° C o 608° F.
Indipendentemente da quanto potenti possano essere i magneti al neodimio, le temperature estreme possono alterarne gli atomi. L'esposizione prolungata alle alte temperature può far perdere completamente le loro proprietà magnetiche, che iniziano a 80° C o 176° F.
Come sono realizzati i magneti al neodimio?
I due processi utilizzati per produrre i magneti al neodimio sono la sinterizzazione e il bonding. Le proprietà dei magneti finiti variano a seconda di come vengono prodotti; la sinterizzazione è il migliore dei due metodi.
Come sono realizzati i magneti al neodimio
Sinterizzazione
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Fusione:
Il neodimio, il ferro e il boro vengono dosati e messi in un forno a induzione sotto vuoto per formare una lega. Altri elementi vengono aggiunti per gradi specifici, come cobalto, rame, gadolinio e disprosio per favorire la resistenza alla corrosione. Il riscaldamento è creato da correnti parassite elettriche nel vuoto per tenere lontani i contaminanti. La miscela di neoleghe è diversa per ciascun produttore e grado di magnete al neodimio.
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Polverizzazione:
La lega fusa viene raffreddata e formata in lingotti. I lingotti vengono macinati a getto in un'atmosfera di azoto e argon per creare una polvere di dimensioni micron. La polvere di neodimio viene messa in una tramoggia per la pressatura.
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Premendo:
La polvere viene pressata in uno stampo leggermente più grande della forma desiderata mediante un processo noto come ribaltamento ad una temperatura di circa 725° C. La forma più grande dello stampo consente il ritiro durante il processo di sinterizzazione. Durante la pressatura, il materiale è esposto a un campo magnetico. Viene posizionato in un secondo stampo per essere pressato in una forma più ampia per allineare la magnetizzazione parallelamente alla direzione di pressatura. Alcuni metodi includono dispositivi per generare campi magnetici durante la pressatura per allineare le particelle.
Prima che il magnete pressato venga rilasciato, riceve un impulso di smagnetizzazione per lasciarlo smagnetizzato per creare un magnete verde, che si sbriciola facilmente e ha scarse proprietà magnetiche.
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Sinterizzazione:
La sinterizzazione, o frittage, compatta e forma il magnete verde utilizzando il calore al di sotto del suo punto di fusione per conferirgli le proprietà magnetiche finali. Il processo viene attentamente monitorato in un'atmosfera inerte e priva di ossigeno. Gli ossidi possono distruggere le prestazioni di un magnete al neodimio. Viene compresso a temperature che raggiungono i 1080° C ma al di sotto del punto di fusione per costringere le particelle ad aderire tra loro.
Viene applicato un quench per raffreddare rapidamente il magnete e ridurre al minimo le fasi, che sono varianti della lega che hanno scarse proprietà magnetiche.
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Lavorazione:
I magneti sinterizzati vengono rettificati utilizzando utensili diamantati o da taglio a filo per modellarli secondo le tolleranze corrette.
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Placcatura e rivestimento:
Il neodimio si ossida rapidamente ed è soggetto a corrosione, che può rimuovere le sue proprietà magnetiche. Come protezione, sono rivestiti con plastica, nichel, rame, zinco, stagno o altre forme di rivestimento.
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Magnetizzazione:
Sebbene il magnete abbia una direzione di magnetizzazione, non è magnetizzato e deve essere brevemente esposto a un forte campo magnetico, che è una bobina di filo che circonda il magnete. La magnetizzazione coinvolge condensatori e alta tensione per produrre una forte corrente.
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Ispezione finale:
Proiettori di misura digitali verificano le dimensioni e la tecnologia a fluorescenza a raggi X verifica lo spessore della placcatura. Il rivestimento viene testato in altri modi per garantirne la qualità e la resistenza. La curva BH viene testata da un grafico di isteresi per confermare l'ingrandimento completo.
Legame
L'incollaggio, o incollaggio a compressione, è un processo di pressatura che utilizza una miscela di polvere di neodimio e un agente legante epossidico. La miscela è composta per il 97% da materiale magnetico e per il 3% da resina epossidica.
La miscela di resina epossidica e neodimio viene compressa in una pressa o estrusa e polimerizzata in un forno. Poiché la miscela viene pressata in uno stampo o sottoposta a estrusione, i magneti possono essere modellati in forme e configurazioni complesse. Il processo di incollaggio a compressione produce magneti con tolleranze strette e non richiede operazioni secondarie.
I magneti legati a compressione sono isotropi e possono essere magnetizzati in qualsiasi direzione, comprese configurazioni multipolari. Il legame epossidico rende i magneti abbastanza forti da poter essere fresati o torniti ma non forati o maschiati.
Sinterizzato radiale
I magneti al neodimio orientati radialmente sono i magneti più nuovi sul mercato dei magneti. Il processo per produrre magneti allineati radialmente è noto da molti anni ma non era economicamente vantaggioso. I recenti sviluppi tecnologici hanno semplificato il processo di produzione rendendo più facile la produzione di magneti orientati radialmente.
I tre processi per la produzione di magneti al neodimio allineati radialmente sono lo stampaggio a pressione anisotropico, l'estrusione all'indietro con pressatura a caldo e l'allineamento del campo rotante radiale.
Il processo di sinterizzazione garantisce che non vi siano punti deboli nella struttura dei magneti.
La caratteristica unica dei magneti allineati radialmente è la direzione del campo magnetico, che si estende attorno al perimetro del magnete. Il polo sud del magnete si trova all'interno dell'anello, mentre il polo nord si trova sulla sua circonferenza.
I magneti al neodimio orientati radialmente sono anisotropi e sono magnetizzati dall'interno dell'anello verso l'esterno. La magnetizzazione radiale aumenta la forza magnetica dell'anello e può essere modellata in più modelli.
I magneti ad anello radiale al neodimio possono essere utilizzati per motori sincroni, motori passo-passo e motori DC brushless per l'industria automobilistica, informatica, elettronica e delle comunicazioni.
Applicazioni dei magneti al neodimio
Trasportatori a separazione magnetica:
Nella dimostrazione seguente, il nastro trasportatore è ricoperto da magneti al neodimio. I magneti sono disposti con poli alternati rivolti verso l'esterno che conferiscono loro una forte presa magnetica. Le cose non attratte dai magneti cadono, mentre il materiale ferromagnetico viene depositato in un contenitore di raccolta.
Unità disco rigido:
I dischi rigidi hanno tracce e settori con celle magnetiche. Le celle vengono magnetizzate quando i dati vengono scritti sull'unità.
Pickup per chitarra elettrica:
Un pickup per chitarra elettrica rileva la vibrazione delle corde e converte il segnale in una debole corrente elettrica da inviare a un amplificatore e a un altoparlante. Le chitarre elettriche sono diverse dalle chitarre acustiche che amplificano il suono nella scatola cava sotto le corde. Le chitarre elettriche possono essere in metallo solido o legno con il suono amplificato elettronicamente.
Trattamento delle acque:
I magneti al neodimio vengono utilizzati nel trattamento dell'acqua per ridurre le incrostazioni dovute all'acqua dura. L’acqua dura ha un alto contenuto di minerali di calcio e magnesio. Con il trattamento magnetico dell'acqua, l'acqua passa attraverso un campo magnetico per catturare le incrostazioni. La tecnologia non è stata completamente accettata come efficace. Ci sono stati risultati incoraggianti.
Interruttori Reed:
Un interruttore reed è un interruttore elettrico azionato da un campo magnetico. Hanno due contatti e lamelle metalliche in un involucro di vetro. I contatti dell'interruttore sono aperti finché non vengono attivati da un magnete.
Gli interruttori Reed vengono utilizzati nei sistemi meccanici come sensori di prossimità in porte e finestre per sistemi di allarme antifurto e antimanomissione. Nei laptop, gli interruttori Reed mettono il laptop in modalità di sospensione quando il coperchio è chiuso. Le tastiere a pedale per organi a canne utilizzano interruttori a lamella che si trovano in un involucro di vetro per i contatti per proteggerli da sporco, polvere e detriti.
Magneti da cucire:
I magneti da cucire al neodimio vengono utilizzati per chiusure magnetiche su borse, vestiti e cartelle o raccoglitori. I magneti da cucito sono venduti in coppia, dove un magnete è a+ e l'altro a-.
Magneti per protesi:
Le protesi possono essere tenute in posizione da magneti incorporati nella mascella del paziente. I magneti sono protetti dalla corrosione della saliva mediante placcatura in acciaio inossidabile. Il nitruro di titanio ceramico viene applicato per evitare l'abrasione e ridurre l'esposizione al nichel.
Fermaporta magnetici:
I fermaporta magnetici sono un fermo meccanico che mantiene aperta una porta. La porta si apre, tocca un magnete e rimane aperta finché la porta non viene staccata dal magnete.
Chiusura dei gioielli:
I fermagli magnetici per gioielli sono forniti in due metà e venduti in coppia. Le metà hanno un magnete in un alloggiamento di materiale non magnetico. Un anello di metallo all'estremità fissa la catena di un braccialetto o di una collana. Gli alloggiamenti dei magneti si inseriscono l'uno nell'altro impedendo movimenti laterali o di taglio tra i magneti per fornire una presa salda.
Relatori:
Gli altoparlanti convertono l'energia elettrica in energia meccanica o movimento. L'energia meccanica comprime l'aria e converte il movimento in energia sonora o livello di pressione sonora. Una corrente elettrica, inviata attraverso una bobina di filo, crea un campo magnetico in un magnete fissato all'altoparlante. La bobina mobile è attratta e respinta dal magnete permanente, che fa muovere avanti e indietro il cono a cui è attaccata la bobina mobile. Il movimento dei coni crea onde di pressione che vengono percepite come suoni.
Sensori freno antibloccaggio:
Nei freni antibloccaggio, i magneti al neodimio sono avvolti all'interno di bobine di rame nei sensori del freno. Un sistema di frenatura antibloccaggio controlla l'accelerazione e la decelerazione delle ruote di velocità regolando la pressione della linea applicata al freno. I segnali di controllo, generati dal controller e applicati all'unità di modulazione della pressione dei freni, vengono prelevati dai sensori di velocità delle ruote.
I denti sull'anello del sensore ruotano oltre il sensore magnetico, provocando un'inversione di polarità del campo magnetico che invia un segnale di frequenza alla velocità angolare dell'asse. La differenziazione del segnale è l'accelerazione delle ruote.
Considerazioni sui magneti al neodimio
Essendo i magneti più potenti e potenti sulla terra, i magneti al neodimio possono avere effetti negativi dannosi. È importante gestirli correttamente tenendo conto del danno che possono causare. Di seguito sono riportate le descrizioni di alcuni degli effetti negativi dei magneti al neodimio.
Effetti negativi dei magneti al neodimio
Lesioni personali:
I magneti al neodimio possono saltare insieme e pizzicare la pelle o causare lesioni gravi. Possono saltare o sbattere insieme da diversi centimetri a diversi piedi di distanza. Se un dito è d'intralcio, può rompersi o ferirsi gravemente. I magneti al neodimio sono più potenti di altri tipi di magneti. La forza incredibilmente potente tra loro può spesso sorprendere.
Rottura del magnete:
I magneti al neodimio sono fragili e possono sbucciarsi, scheggiarsi, rompersi o frantumarsi se sbattono insieme, facendo volare piccoli pezzi di metallo affilati a grande velocità. I magneti al neodimio sono costituiti da un materiale duro e fragile. Nonostante siano realizzati in metallo e abbiano un aspetto metallico lucido, non sono durevoli. È necessario indossare protezioni per gli occhi durante la manipolazione.
Tenere lontano dalla portata dei bambini:
I magneti al neodimio non sono giocattoli. I bambini non dovrebbero essere autorizzati a maneggiarli. Quelli piccoli possono rappresentare un pericolo di soffocamento. Se più magneti vengono ingeriti, si attaccano l'uno all'altro attraverso le pareti dell'intestino, causando gravi problemi di salute che richiedono un intervento chirurgico immediato e d'urgenza.
Pericolo per i pacemaker:
Un'intensità di campo di dieci gauss vicino a un pacemaker o un defibrillatore può interagire con il dispositivo impiantato. I magneti al neodimio creano forti campi magnetici, che possono interferire con pacemaker, ICD e dispositivi medici impiantati. Molti dispositivi impiantati si disattivano quando si trovano vicino a un campo magnetico.
Supporti magnetici:
I forti campi magnetici dei magneti al neodimio possono danneggiare supporti magnetici come floppy disk, carte di credito, carte d'identità magnetiche, cassette, videocassette, danneggiare vecchi televisori, videoregistratori, monitor di computer e display CRT. Non devono essere posizionati vicino ad apparecchi elettronici.
GPS e Smartphone:
I campi magnetici interferiscono con bussole o magnetometri e bussole interne di smartphone e dispositivi GPS. Le norme e i regolamenti dell'International Air Transport Association e della Federazione statunitense disciplinano la spedizione dei magneti.
Allergia al nichel:
Se hai un'allergia al nichel, il sistema immunitario scambia il nichel come un pericoloso intruso e produce sostanze chimiche per combatterlo. Una reazione allergica al nichel è arrossamento ed eruzione cutanea. Le allergie al nichel sono più comuni nelle donne e nelle ragazze. Circa il 36% delle donne sotto i 18 anni soffre di allergia al nichel. Il modo per evitare l'allergia al nichel è evitare i magneti al neodimio rivestiti di nichel.
Smagnetizzazione:
I magneti al neodimio mantengono la loro efficacia fino a 80° C o 175° F. La temperatura alla quale iniziano a perdere la loro efficacia varia in base al grado, alla forma e all'applicazione.
Infiammabile:
I magneti al neodimio non devono essere forati o lavorati. La polvere e la polvere prodotte dalla macinazione sono infiammabili.
Corrosione:
I magneti al neodimio sono rifiniti con qualche forma di rivestimento o placcatura per proteggerli dagli elementi. Non sono impermeabili e si arrugginiscono o si corrodono se posizionati in ambienti bagnati o umidi.
Standard e regolamenti per l'uso dei magneti al neodimio
Sebbene i magneti al neodimio abbiano un forte campo magnetico, sono molto fragili e richiedono una manipolazione speciale. Diverse agenzie di monitoraggio industriale hanno sviluppato normative relative alla manipolazione, produzione e spedizione dei magneti al neodimio. Di seguito è riportata una breve descrizione di alcune norme.
Standard e regolamenti per i magneti al neodimio
Società americana di ingegneri meccanici:
L'American Society of Mechanical Engineers (ASME) ha standard per i dispositivi di sollevamento sotto il gancio. Lo standard B30.20 si applica all'installazione, all'ispezione, al collaudo, alla manutenzione e al funzionamento dei dispositivi di sollevamento, che include magneti di sollevamento in cui l'operatore posiziona il magnete sul carico e guida il carico. Lo standard ASME BTH-1 viene applicato insieme ad ASME B30.20.
Analisi dei pericoli e punti critici di controllo:
L'analisi dei rischi e i punti critici di controllo (HACCP) è un sistema di gestione preventiva dei rischi riconosciuto a livello internazionale. Esamina la sicurezza alimentare dai rischi biologici, chimici e fisici richiedendo l'identificazione e il controllo dei pericoli in determinati punti del processo di produzione. Offre la certificazione per le attrezzature utilizzate nelle strutture alimentari. L'HACCP ha individuato e certificato alcuni magneti di separazione utilizzati nell'industria alimentare.
Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti:
Le apparecchiature di separazione magnetica sono state approvate dal Servizio di Marketing Agricolo del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti come conformi all'uso con due programmi di trasformazione alimentare:
- Programma di revisione delle attrezzature lattiero-casearie
- Programma di revisione delle attrezzature per carne e pollame
Le certificazioni si basano su due standard o linee guida:
- Progettazione sanitaria e fabbricazione di apparecchiature per la lavorazione dei prodotti lattiero-caseari
- Progettazione sanitaria e fabbricazione di apparecchiature per la lavorazione di carne e pollame che soddisfano i requisiti di igiene NSF/ANSI/3-A SSI 14159-1-2014
Restrizione all'uso di sostanze pericolose:
Le normative sulla restrizione dell'uso di sostanze pericolose (RoHS) limitano l'uso di piombo, cadmio, bifenile polibromurato (PBB), mercurio, cromo esavalente ed etere di difenile polibromurato (PBDE) nelle apparecchiature elettroniche. Poiché i magneti al neodimio possono essere pericolosi, RoHS ha sviluppato standard per la loro manipolazione e utilizzo.
Organizzazione per l'aviazione civile internazionale:
Si ritiene che i magneti siano una merce pericolosa per le spedizioni al di fuori degli Stati Uniti continentali verso destinazioni internazionali. Qualsiasi materiale imballato, da spedire per via aerea, deve avere un'intensità del campo magnetico pari o superiore a 0,002 Gauss a una distanza di sette piedi da qualsiasi punto della superficie del pacco.
Amministrazione federale dell'aviazione:
I pacchi contenenti magneti spediti per via aerea devono essere testati per soddisfare gli standard stabiliti. I pacchetti magnetici devono misurare meno di 0,00525 gauss a 15 piedi dal pacchetto. I magneti potenti e potenti devono avere una qualche forma di schermatura. Esistono numerose normative e requisiti da soddisfare per la spedizione di magneti per via aerea a causa dei potenziali rischi per la sicurezza.
Restrizione, valutazione, autorizzazione delle sostanze chimiche:
Restriction, Evaluation, and Authorization of Chemicals (REACH) è un'organizzazione internazionale che fa parte dell'Unione Europea. Regolamenta e sviluppa standard per i materiali pericolosi. Contiene diversi documenti che specificano l'uso, la manipolazione e la produzione corretti dei magneti. Gran parte della letteratura fa riferimento all’uso dei magneti nei dispositivi medici e nei componenti elettronici.
Conclusione
- I magneti al neodimio (Nd-Fe-B), noti come neo magneti, sono comuni magneti delle terre rare composti da neodimio (Nd), ferro (Fe), boro (B) e metalli di transizione.
- I due processi utilizzati per produrre i magneti al neodimio sono la sinterizzazione e il bonding.
- I magneti al neodimio sono diventati i più utilizzati tra le numerose varietà di magneti.
- Il campo magnetico di un magnete al neodimio si verifica quando gli viene applicato un campo magnetico e i dipoli atomici si allineano, creando il ciclo di isteresi magnetica.
- I magneti al neodimio possono essere prodotti in qualsiasi dimensione ma mantengono la loro forza magnetica iniziale.
Orario di pubblicazione: 11 luglio 2022