Неодимовый (Nd-Fe-B) магнит.представляет собой обычный редкоземельный магнит, состоящий из неодима (Nd), железа (Fe), бора (B) и переходных металлов. Они обладают превосходными эксплуатационными характеристиками благодаря сильному магнитному полю, которое составляет 1,4 тесла (Тл), единицу магнитной индукции или плотности потока.
Неодимовые магниты классифицируются по способу их изготовления: спеченные или склеенные. Они стали наиболее широко используемыми магнитами с момента их разработки в 1984 году.
В своем естественном состоянии неодим ферромагнитен и намагничивается только при чрезвычайно низких температурах. Когда он соединяется с другими металлами, например с железом, его можно намагничивать при комнатной температуре.
Магнитные способности неодимового магнита можно увидеть на изображении справа.
Двумя типами редкоземельных магнитов являются неодим и самарий-кобальт. До открытия неодимовых магнитов наиболее часто использовались самарий-кобальтовые магниты, но они были заменены неодимовыми магнитами из-за затрат на производство самарий-кобальтовых магнитов.
Каковы свойства неодимового магнита?
Основная характеристика неодимовых магнитов — насколько они сильны для своего размера. Магнитное поле неодимового магнита возникает, когда к нему приложено магнитное поле и атомные диполи выравниваются, что и представляет собой петлю магнитного гистерезиса. Когда магнитное поле удаляется, часть выравнивания остается в намагниченном неодиме.
Марки неодимовых магнитов указывают на их магнитную силу. Чем выше номер класса, тем сильнее сила магнита. Числа основаны на их свойствах, выраженных в мегагауссах Эрстеда или MGOe, что является самой сильной точкой кривой BH.
Шкала оценок «N» начинается с N30 и доходит до N52, хотя магниты N52 используются редко или используются только в особых случаях. За числом «N» могут следовать две буквы, например SH, которые указывают коэрцитивную силу магнита (Hc). Чем выше Hc, тем более высокую температуру может выдержать неомагнит, прежде чем он потеряет свою мощность.
В таблице ниже перечислены наиболее распространенные марки неодимовых магнитов, используемые в настоящее время.
Свойства неодимовых магнитов
Остаточность:
Когда неодим помещается в магнитное поле, атомные диполи выравниваются. После удаления из поля часть выравнивания остается, создавая намагниченный неодим. Остаточная намагниченность — это плотность потока, которая остается, когда внешнее поле возвращается от значения насыщения к нулю, что является остаточной намагниченностью. Чем выше остаточная намагниченность, тем выше плотность потока. Неодимовые магниты имеют плотность потока от 1,0 до 1,4 Тл.
Остаточная намагниченность неодимовых магнитов варьируется в зависимости от того, как они изготовлены. Спеченные неодимовые магниты имеют Т от 1,0 до 1,4. Связанные неодимовые магниты имеют силу тока от 0,6 до 0,7 Тл.
Принуждение:
После намагничивания неодима он не возвращается к нулевой намагниченности. Чтобы вернуть его к нулевой намагниченности, его необходимо отбросить полем в противоположном направлении, что называется коэрцитивностью. Это свойство магнита заключается в его способности противостоять воздействию внешней магнитной силы, не размагничиваясь. Коэрцитивность — это мера напряженности, необходимой для магнитного поля, чтобы уменьшить намагниченность магнита до нуля или сопротивление магнита, подлежащего размагничиванию.
Коэрцитивная сила измеряется в эрстедах или амперах, обозначаемых как Hc. Коэрцитивная сила неодимовых магнитов зависит от способа их изготовления. Спеченные неодимовые магниты имеют коэрцитивную силу от 750 до 2000 Гц, а склеенные неодимовые магниты имеют коэрцитивную силу от 600 до 1200 Гц.
Энергетический продукт:
Плотность магнитной энергии характеризуется максимальным значением плотности потока, умноженным на напряженность магнитного поля, которая представляет собой количество магнитного потока на единицу площади поверхности. Единицы измерения измеряются в теслах для единиц СИ и гауссах, где обозначение плотности потока — B. Плотность магнитного потока представляет собой сумму внешнего магнитного поля H и магнитной поляризации магнитного тела J в единицах СИ.
Постоянные магниты имеют поле B в ядре и вокруг них. Направление силы поля B приписывается точкам внутри и снаружи магнита. Стрелка компаса в поле B магнита указывает в направлении поля.
Не существует простого способа расчета плотности потока магнитных форм. Существуют компьютерные программы, позволяющие произвести расчет. Простые формулы можно использовать для менее сложной геометрии.
Интенсивность магнитного поля измеряется в Гауссах или Теслах и является общепринятым измерением силы магнита, которая является мерой плотности его магнитного поля. Гауссметр используется для измерения плотности потока магнита. Плотность потока неодимового магнита составляет 6000 Гаусс или меньше, поскольку он имеет прямую кривую размагничивания.
Температура Кюри:
Температура Кюри, или точка Кюри, — это температура, при которой магнитные материалы меняют свои магнитные свойства и становятся парамагнитными. В магнитных металлах магнитные атомы ориентированы в одном направлении и усиливают магнитное поле друг друга. Повышение температуры Кюри меняет расположение атомов.
Коэрцитивность увеличивается с повышением температуры. Хотя неодимовые магниты обладают высокой коэрцитивной силой при комнатной температуре, с повышением температуры она снижается, пока не достигнет температуры Кюри, которая может составлять около 320°C или 608°F.
Независимо от того, насколько сильными могут быть неодимовые магниты, экстремальные температуры могут изменить их атомы. Длительное воздействие высоких температур может привести к полной потере магнитных свойств, которая начинается при температуре 80°C или 176°F.
Как изготавливаются неодимовые магниты?
Для производства неодимовых магнитов используются два процесса: спекание и склеивание. Свойства готовых магнитов различаются в зависимости от того, как они производятся, причем спекание является лучшим из двух методов.
Как изготавливаются неодимовые магниты
Спекание
-
Плавление:
Неодим, железо и бор отмеряют и помещают в вакуумную индукционную печь для образования сплава. Для определенных марок добавляются другие элементы, такие как кобальт, медь, гадолиний и диспрозий, для повышения коррозионной стойкости. Нагрев создается электрическими вихревыми токами в вакууме, чтобы не допустить попадания загрязнений. Смесь неодимовых сплавов различна для каждого производителя и марки неодимового магнита.
-
Припудривание:
Расплавленный сплав охлаждают и формуют в слитки. Слитки подвергаются струйному измельчению в атмосфере азота и аргона для получения порошка микронного размера. Порошок неодима помещают в бункер для прессования.
-
Нажатие:
Порошок прессуется в форму, форма которой немного больше желаемой, с помощью процесса, известного как осадка, при температуре около 725°C. Большая форма формы позволяет добиться усадки во время процесса спекания. Во время прессования материал подвергается воздействию магнитного поля. Его помещают во вторую матрицу, чтобы придать ему более широкую форму, чтобы выровнять намагниченность параллельно направлению прессования. Некоторые методы включают приспособления для генерации магнитных полей во время прессования для выравнивания частиц.
Прежде чем прижатый магнит будет освобожден, он получает размагничивающий импульс, который оставляет его размагниченным и создает зеленый магнит, который легко крошится и имеет плохие магнитные свойства.
-
Спекание:
Спекание, или фриттаж, уплотняет и формирует зеленый магнит, используя тепло ниже точки плавления, чтобы придать ему окончательные магнитные свойства. Процесс тщательно контролируется в инертной, бескислородной атмосфере. Оксиды могут нарушить работу неодимового магнита. Его сжимают при температуре, достигающей 1080°C, но ниже точки плавления, чтобы заставить частицы прилипать друг к другу.
Закалка применяется для быстрого охлаждения магнита и минимизации фаз, которые представляют собой варианты сплава с плохими магнитными свойствами.
-
Обработка:
Спеченные магниты шлифуются с помощью алмазных или проволочных режущих инструментов, чтобы придать им правильные допуски.
-
Покрытие и покрытие:
Неодим быстро окисляется и подвержен коррозии, которая может лишить его магнитных свойств. В качестве защиты они покрываются пластиком, никелем, медью, цинком, оловом или другими видами покрытий.
-
Намагниченность:
Хотя магнит имеет направление намагничивания, он не намагничивается, и его необходимо кратковременно подвергать воздействию сильного магнитного поля, которое представляет собой катушку провода, окружающую магнит. Намагничивание включает в себя конденсаторы и высокое напряжение для создания сильного тока.
-
Заключительная проверка:
Цифровые измерительные проекторы проверяют размеры, а рентгеновская флуоресцентная технология проверяет толщину покрытия. Покрытие тестируется другими способами, чтобы убедиться в его качестве и прочности. Кривая BH проверяется с помощью графика гистерезиса для подтверждения полного увеличения.
Склеивание
Склеивание, или компрессионное соединение, представляет собой процесс прессования, в котором используется смесь неодимового порошка и эпоксидного связующего. Смесь состоит из 97% магнитного материала и 3% эпоксидной смолы.
Смесь эпоксидной смолы и неодима прессуют в прессе или экструдируют и отверждают в печи. Поскольку смесь прессуется в штамп или подвергается экструзии, магнитам можно придавать сложные формы и конфигурации. Процесс компрессионного соединения позволяет получить магниты с жесткими допусками и не требует вторичных операций.
Магниты, скрепленные сжатием, изотропны и могут намагничиваться в любом направлении, включая многополярные конфигурации. Эпоксидное связующее делает магниты достаточно прочными, чтобы их можно было фрезеровать или токарно обрабатывать, но нельзя сверлить или нарезать резьбу.
Радиальный спеченный
Радиально ориентированные неодимовые магниты — новейшие магниты на рынке магнитов. Процесс производства радиально ориентированных магнитов известен уже много лет, но не является экономически эффективным. Последние технологические разработки упростили производственный процесс, упростив производство радиально ориентированных магнитов.
Тремя процессами производства радиально ориентированных неодимовых магнитов являются анизотропное формование под давлением, горячее прессование и обратная экструзия и радиальное выравнивание вращающегося поля.
Процесс спекания гарантирует отсутствие слабых мест в структуре магнитов.
Уникальным свойством радиально ориентированных магнитов является направление магнитного поля, которое распространяется по периметру магнита. Южный полюс магнита находится внутри кольца, а северный полюс — на его окружности.
Радиально ориентированные неодимовые магниты анизотропны и намагничены изнутри кольца наружу. Радиальная намагниченность увеличивает магнитную силу колец, и им можно придать несколько узоров.
Радиальные неодимовые кольцевые магниты можно использовать в синхронных двигателях, шаговых двигателях и бесщеточных двигателях постоянного тока в автомобильной, компьютерной, электронной и коммуникационной промышленности.
Применение неодимовых магнитов
Конвейеры магнитной сепарации:
На демонстрации ниже конвейерная лента покрыта неодимовыми магнитами. Магниты расположены чередующимися полюсами наружу, что обеспечивает им сильную магнитную фиксацию. Вещи, не притягивающиеся магнитами, выпадают, а ферромагнитный материал сбрасывается в мусорный бак.
Жесткие диски:
Жесткие диски имеют дорожки и сектора с магнитными ячейками. Ячейки намагничиваются при записи данных на диск.
Звукосниматели для электрогитары:
Звукосниматель электрогитары улавливает вибрацию струн и преобразует сигнал в слабый электрический ток для передачи на усилитель и динамик. Электрогитары отличаются от акустических гитар, которые усиливают звук в полой полости под струнами. Электрогитары могут быть цельнометаллическими или деревянными с электронным усилением звука.
Водоочистка:
Неодимовые магниты используются при очистке воды для уменьшения накипи в жесткой воде. Жесткая вода имеет высокое содержание минералов кальция и магния. При магнитной обработке воды вода проходит через магнитное поле для улавливания накипи. Технология не была полностью признана эффективной. Были достигнуты обнадеживающие результаты.
Герконовые переключатели:
Геркон – это электрический переключатель, управляемый магнитным полем. Они имеют два контакта и металлические язычки в стеклянной оболочке. Контакты выключателя разомкнуты до тех пор, пока не будут активированы магнитом.
Герконовые переключатели используются в механических системах в качестве датчиков приближения в дверях и окнах для систем охранной сигнализации и защиты от несанкционированного доступа. В ноутбуках герконы переводят ноутбук в спящий режим при закрытии крышки. В педальных клавиатурах для органов используются герконы, которые находятся в стеклянном корпусе контактов, чтобы защитить их от грязи, пыли и мусора.
Швейные магниты:
Неодимовые пришивные магниты используются для магнитных застежек на сумочках, одежде, папках или переплетах. Швейные магниты продаются парами, один магнит имеет обозначение «+», другой — «а».
Магниты для протезов:
Протезы могут удерживаться на месте с помощью магнитов, встроенных в челюсть пациента. Магниты защищены от коррозии слюной покрытием из нержавеющей стали. Керамический нитрид титана применяется во избежание истирания и уменьшения воздействия никеля.
Магнитные дверные упоры:
Магнитные дверные упоры — это механические упоры, которые удерживают дверь открытой. Дверь распахивается, касается магнита и остается открытой до тех пор, пока дверь не оторвется от магнита.
Ювелирная застежка:
Магнитные застежки для украшений состоят из двух половинок и продаются парой. Половинки имеют магнит в корпусе из немагнитного материала. Металлическая петля на конце прикрепляет цепочку браслета или колье. Корпуса магнитов входят друг в друга, предотвращая поперечное движение или сдвиг между магнитами, обеспечивая надежное удержание.
Спикеры:
Динамики преобразуют электрическую энергию в механическую энергию или движение. Механическая энергия сжимает воздух и преобразует движение в звуковую энергию или уровень звукового давления. Электрический ток, проходящий через проволочную катушку, создает магнитное поле в магните, прикрепленном к динамику. Звуковая катушка притягивается и отталкивается постоянным магнитом, который заставляет конус, к которому прикреплена звуковая катушка, двигаться вперед и назад. Движение конусов создает волны давления, которые воспринимаются как звук.
Датчики антиблокировочной тормозной системы:
В антиблокировочной системе тормозов неодимовые магниты заключены в медные катушки датчиков тормоза. Антиблокировочная тормозная система контролирует скорость ускорения и замедления колес, регулируя давление в магистрали, подаваемое на тормоз. Сигналы управления, генерируемые контроллером и подаваемые на блок модуляции тормозного давления, принимаются от датчиков скорости колес.
Зубцы на кольце датчика вращаются мимо магнитного датчика, что вызывает изменение полярности магнитного поля, посылающего частотный сигнал об угловой скорости оси. Дифференциация сигнала – ускорение колес.
Рекомендации по использованию неодимового магнита
Неодимовые магниты, самые мощные и сильные магниты на земле, могут оказывать разрушительное негативное воздействие. Важно, чтобы с ними обращались правильно, учитывая вред, который они могут причинить. Ниже приведены описания некоторых негативных последствий неодимовых магнитов.
Негативные эффекты неодимовых магнитов
Телесные повреждения:
Неодимовые магниты могут соскочить и защемить кожу или стать причиной серьезных травм. Они могут прыгать или ударяться друг о друга на расстоянии от нескольких дюймов до нескольких футов друг от друга. Если палец окажется на пути, его можно сломать или сильно повредить. Неодимовые магниты более мощные, чем магниты других типов. Невероятно мощная сила между ними часто может удивлять.
Поломка магнита:
Неодимовые магниты хрупкие и могут отслоиться, расколоться, треснуть или разбиться, если столкнутся друг с другом, в результате чего маленькие острые металлические кусочки разлетятся с огромной скоростью. Неодимовые магниты изготовлены из твердого и хрупкого материала. Несмотря на то, что они сделаны из металла и имеют блестящий металлический вид, они не долговечны. При работе с ними следует надевать средства защиты глаз.
Держите подальше от детей:
Неодимовые магниты не являются игрушками. Детям нельзя разрешать брать их в руки. Маленькие могут представлять опасность удушья. Если проглотить несколько магнитов, они прикрепятся друг к другу через стенки кишечника, что вызовет серьезные проблемы со здоровьем, требующие немедленной экстренной операции.
Опасность для кардиостимуляторов:
Напряженность поля в десять гаусс рядом с кардиостимулятором или дефибриллятором может взаимодействовать с имплантированным устройством. Неодимовые магниты создают сильные магнитные поля, которые могут мешать работе кардиостимуляторов, ИКД и имплантированных медицинских устройств. Многие имплантированные устройства деактивируются, когда они находятся рядом с магнитным полем.
Магнитные носители:
Сильные магнитные поля неодимовых магнитов могут повредить магнитные носители, такие как дискеты, кредитные карты, магнитные удостоверения личности, кассеты, видеокассеты, повредить старые телевизоры, видеомагнитофоны, компьютерные мониторы и ЭЛТ-дисплеи. Их не следует размещать рядом с электронными приборами.
GPS и смартфоны:
Магнитные поля мешают работе компасов или магнитометров, а также внутренних компасов смартфонов и GPS-устройств. Международная ассоциация воздушного транспорта и федеральные правила и положения США регулируют доставку магнитов.
Аллергия на никель:
Если у вас аллергия на никель, иммунная система принимает никель за опасного злоумышленника и вырабатывает химические вещества для борьбы с ним. Аллергическая реакция на никель проявляется покраснением и кожной сыпью. Аллергия на никель чаще встречается у женщин и девочек. Примерно 36 процентов женщин в возрасте до 18 лет страдают аллергией на никель. Чтобы избежать аллергии на никель, следует избегать использования неодимовых магнитов с никелевым покрытием.
Размагничивание:
Неодимовые магниты сохраняют свою эффективность до 80°C или 175°F. Температура, при которой они начинают терять свою эффективность, зависит от марки, формы и применения.
Легковоспламеняющиеся:
Неодимовые магниты нельзя сверлить или подвергать механической обработке. Пыль и порошок, образующиеся при измельчении, легко воспламеняются.
Коррозия:
Неодимовые магниты имеют покрытие или гальваническое покрытие, защищающее их от непогоды. Они не являются водонепроницаемыми и будут ржаветь или подвергаться коррозии при помещении во влажную или влажную среду.
Стандарты и правила использования неодимовых магнитов
Хотя неодимовые магниты обладают сильным магнитным полем, они очень хрупкие и требуют особого обращения. Несколько агентств по промышленному мониторингу разработали правила обращения, производства и транспортировки неодимовых магнитов. Ниже приводится краткое описание некоторых правил.
Стандарты и правила для неодимовых магнитов
Американское общество инженеров-механиков:
Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало стандарты для подъемных устройств под крюком. Стандарт B30.20 применяется к установке, проверке, тестированию, техническому обслуживанию и эксплуатации подъемных устройств, включая подъемные магниты, при которых оператор размещает магнит на грузе и направляет груз. Стандарт ASME BTH-1 применяется совместно со стандартом ASME B30.20.
Анализ опасностей и критические контрольные точки:
Анализ опасностей и критические контрольные точки (HACCP) — это международно признанная система превентивного управления рисками. Он проверяет безопасность пищевых продуктов от биологических, химических и физических опасностей, требуя выявления и контроля опасностей на определенных этапах производственного процесса. Он предлагает сертификацию оборудования, используемого на предприятиях пищевой промышленности. HACCP определил и сертифицировал некоторые разделительные магниты, используемые в пищевой промышленности.
Министерство сельского хозяйства США:
Оборудование магнитной сепарации одобрено Службой сельскохозяйственного маркетинга Министерства сельского хозяйства США как соответствующее двум программам переработки пищевых продуктов:
- Программа обзора молочного оборудования
- Программа обзора оборудования для мяса и птицы
Сертификация основана на двух стандартах или руководствах:
- Санитарное проектирование и изготовление оборудования для переработки молока
- Санитарное проектирование и изготовление оборудования для переработки мяса и птицы, отвечающего гигиеническим требованиям NSF/ANSI/3-A SSI 14159-1-2014.
Ограничение использования опасных веществ:
Правила ограничения использования опасных веществ (RoHS) ограничивают использование свинца, кадмия, полибромдифенила (ПБД), ртути, шестивалентного хрома и полибромдифенилового эфира (ПБДЭ) в электронном оборудовании. Поскольку неодимовые магниты могут быть опасными, RoHS разработало стандарты обращения с ними и их использования.
Международная организация гражданской авиации:
Магниты признаны опасным грузом при отправке за пределы континентальной части США в международные пункты назначения. Любой упакованный материал, подлежащий отправке по воздуху, должен иметь напряженность магнитного поля 0,002 Гаусса или более на расстоянии семи футов от любой точки на поверхности упаковки.
Федеральное управление гражданской авиации:
Упаковки, содержащие магниты, отправляемые по воздуху, должны быть проверены на соответствие установленным стандартам. Магнитные пакеты должны иметь силу сопротивления менее 0,00525 Гс на расстоянии 15 футов от упаковки. Мощные и сильные магниты должны иметь некоторую форму экранирования. Существует множество правил и требований, которые необходимо соблюдать при транспортировке магнитов по воздуху из-за потенциальных угроз безопасности.
Ограничение, оценка и разрешение на использование химических веществ:
Ограничение, оценка и авторизация химических веществ (REACH) — международная организация, входящая в Европейский Союз. Он регулирует и разрабатывает стандарты для опасных материалов. В нем имеется несколько документов, определяющих правильное использование, обращение и изготовление магнитов. Большая часть литературы посвящена использованию магнитов в медицинских приборах и электронных компонентах.
Заключение
- Неодимовые магниты (Nd-Fe-B), известные как неомагниты, представляют собой обычные редкоземельные магниты, состоящие из неодима (Nd), железа (Fe), бора (B) и переходных металлов.
- Для производства неодимовых магнитов используются два процесса: спекание и склеивание.
- Неодимовые магниты стали наиболее широко используемыми из многих разновидностей магнитов.
- Магнитное поле неодимового магнита возникает, когда к нему приложено магнитное поле и атомные диполи выравниваются, что и представляет собой петлю магнитного гистерезиса.
- Неодимовые магниты могут быть изготовлены любого размера, но сохраняют свою первоначальную магнитную силу.
Время публикации: 11 июля 2022 г.