En neodymmagnet (Nd-Fe-B).er en vanlig sjeldne jordartsmagneter sammensatt av neodym (Nd), jern (Fe), bor (B) og overgangsmetaller. De har overlegen ytelse i applikasjoner på grunn av deres sterke magnetiske felt, som er 1,4 tesla (T), en enhet for magnetisk induksjon eller flukstetthet.
Neodymmagneter er kategorisert etter hvordan de er produsert, som er sintret eller bundet. De har blitt den mest brukte av magneter siden utviklingen i 1984.
I sin naturlige tilstand er neodym ferromagnetisk og kan kun magnetiseres ved ekstremt lave temperaturer. Når det kombineres med andre metaller, for eksempel jern, kan det magnetiseres ved romtemperatur.
De magnetiske egenskapene til en neodymmagnet kan sees på bildet til høyre.
De to typene sjeldne jordartsmagneter er neodym og samariumkobolt. Før oppdagelsen av neodymmagneter var samarium-koboltmagneter de mest brukte, men ble erstattet av neodymmagneter på grunn av kostnadene ved å produsere samarium-koboltmagneter.
Hva er egenskapene til en neodymmagnet?
Hovedkarakteristikken til neodymmagneter er hvor sterke de er for størrelsen. Magnetfeltet til en neodymmagnet oppstår når et magnetfelt påføres den og atomdipolene justeres, som er den magnetiske hysteresesløyfen. Når magnetfeltet fjernes, forblir en del av justeringen i det magnetiserte neodymet.
Karakterene av neodymmagneter indikerer deres magnetiske styrke. Jo høyere karaktertall, desto sterkere er magnetens kraft. Tallene kommer fra egenskapene deres uttrykt som mega gauss Oersteds eller MGOe, som er det sterkeste punktet i BH-kurven.
Karakterskalaen "N" begynner på N30 og går til N52, selv om N52-magneter sjelden brukes eller bare brukes i spesielle tilfeller. "N"-tallet kan etterfølges av to bokstaver, for eksempel SH, som indikerer magnetens koercitivitet (Hc). Jo høyere Hc, jo høyere temperatur tåler neo-magneten før den mister sin effekt.
Tabellen nedenfor viser de vanligste typene neodymmagneter som brukes for tiden.
Egenskapene til neodymmagneter
Remanens:
Når neodym er plassert i et magnetfelt, justeres atomdipolene. Etter å ha blitt fjernet fra feltet, gjenstår en del av justeringen og skaper magnetisert neodym. Remanens er flukstettheten som gjenstår når det ytre feltet går tilbake fra en verdi på metning til null, som er den gjenværende magnetiseringen. Jo høyere remanens, jo høyere flukstetthet. Neodymmagneter har en flukstetthet på 1,0 til 1,4 T.
Remanensen til neodymmagneter varierer avhengig av hvordan de er laget. Sintrede neodymmagneter har en T på 1,0 til 1,4. Bondede neodymmagneter har 0,6 til 0,7 T.
Tvangskraft:
Etter at neodym er magnetisert, går det ikke tilbake til null magnetisering. For å få den tilbake til null magnetisering, må den drives tilbake av et felt i motsatt retning, som kalles koercivitet. Denne egenskapen til en magnet er dens evne til å motstå påvirkningen av en ekstern magnetisk kraft uten å bli avmagnetisert. Koercivitet er målet på intensiteten som trengs fra et magnetfelt for å redusere magnetiseringen til en magnet tilbake til null eller motstanden til en magnet som skal avmagnetiseres.
Koercivitet måles i oersted- eller ampereenheter merket som Hc. Koercitiviteten til neodymmagneter avhenger av hvordan de er produsert. Sintrede neodymmagneter har en koersivitet på 750 Hc til 2000 Hc, mens bundne neodymmagneter har en koersivitet på 600 Hc til 1200 Hc.
Energiprodukt:
Tettheten til den magnetiske energien er preget av den maksimale verdien av flukstetthet ganger magnetfeltstyrken, som er mengden magnetisk fluks per enhet overflateareal. Enhetene er målt i teslaer for SI-enheter og dens Gauss med symbolet for flukstetthet som B. Magnetisk flukstetthet er summen av det ytre magnetfeltet H og den magnetiske kroppens magnetiske polarisering J i SI-enheter.
Permanente magneter har et B-felt i kjernen og omgivelsene. Retningen til B-feltets styrke tilskrives punktene innenfor og utenfor magneten. En kompassnål i et B-felt av en magnet peker seg selv mot feltretningen.
Det er ingen enkel måte å beregne flukstettheten til magnetiske former. Det finnes dataprogrammer som kan gjøre utregningen. Enkle formler kan brukes for mindre komplekse geometrier.
Intensiteten til et magnetfelt måles i Gauss eller Teslas og er den vanlige måling av en magnets styrke, som er et mål på tettheten til magnetfeltet. En gauss-måler brukes til å måle en magnets flukstetthet. Fluktettheten for en neodymmagnet er 6000 Gauss eller mindre fordi den har en rettlinjet avmagnetiseringskurve.
Curie temperatur:
Curie-temperaturen, eller curie-punktet, er temperaturen der magnetiske materialer endrer sine magnetiske egenskaper og blir paramagnetiske. I magnetiske metaller er magnetiske atomer justert i samme retning og forsterker hverandres magnetfelt. Å heve curie-temperaturen endrer arrangementet av atomene.
Tvangskraften øker når temperaturen øker. Selv om neodymmagneter har høy koercitivitet ved romtemperatur, går den ned når temperaturen stiger til den når curie-temperaturen, som kan være rundt 320 ° C eller 608 ° F.
Uavhengig av hvor sterke neodymmagneter kan være, kan ekstreme temperaturer endre atomene deres. Langvarig eksponering for høye temperaturer kan føre til at de fullstendig mister sine magnetiske egenskaper, som begynner ved 80 ° C eller 176 ° F.
Hvordan lages neodymmagneter?
De to prosessene som brukes til å produsere neodymmagneter er sintring og binding. Egenskapene til de ferdige magnetene varierer avhengig av hvordan de produseres, med sintring som den beste av de to metodene.
Hvordan lages neodymmagneter
Sintring
-
Smelting:
Neodym, jern og bor måles ut og settes i en vakuuminduksjonsovn for å danne en legering. Andre elementer er lagt til for spesifikke kvaliteter, for eksempel kobolt, kobber, gadolinium og dysprosium for å hjelpe med korrosjonsbestandighet. Oppvarming skapes av elektriske virvelstrømmer i et vakuum for å holde forurensninger ute. Neolegeringsblandingen er forskjellig for hver produsent og klasse av neodymmagnet.
-
Pulvering:
Den smeltede legeringen avkjøles og formes til ingots. Ingotene jetmales i en nitrogen- og argonatmosfære for å lage et pulver i mikronstørrelse. Neodympulveret legges i en trakt for pressing.
-
Pressing:
Pulveret presses inn i en dyse som er litt større enn den ønskede formen ved en prosess kjent som oppstuving ved en temperatur på ca. 725°C. Den større formen på dysen tillater krymping under sintringsprosessen. Under pressing utsettes materialet for et magnetfelt. Den plasseres i en andre dyse for å bli presset til en bredere form for å justere magnetiseringen parallelt med presseretningen. Noen metoder inkluderer armaturer for å generere magnetiske felt under pressing for å justere partiklene.
Før den pressede magneten slippes, mottar den en avmagnetiseringspuls for å la den avmagnetiseres for å lage en grønn magnet, som lett smuldrer opp og har dårlige magnetiske egenskaper.
-
Sintring:
Sintring, eller frittasje, komprimerer og danner den grønne magneten ved å bruke varme under smeltepunktet for å gi den dens endelige magnetiske egenskaper. Prosessen overvåkes nøye i en inert, oksygenfri atmosfære. Oksider kan ødelegge ytelsen til en neodymmagnet. Det komprimeres ved temperaturer som når 1080 ° C, men under smeltepunktet for å tvinge partiklene til å feste seg til hverandre.
En bråkjøling påføres for raskt å avkjøle magneten og minimere faser, som er varianter av legeringen som har dårlige magnetiske egenskaper.
-
Maskinering:
Sintrede magneter slipes ved hjelp av diamant- eller trådskjæreverktøy for å forme dem til riktige toleranser.
-
Plating og belegg:
Neodym oksiderer raskt og er utsatt for korrosjon, noe som kan fjerne dets magnetiske egenskaper. Som en beskyttelse er de belagt med plast, nikkel, kobber, sink, tinn eller andre former for belegg.
-
Magnetisering:
Selv om magneten har en magnetiseringsretning, er den ikke magnetisert og må eksponeres kort for et sterkt magnetfelt, som er en trådspole som omgir magneten. Magnetiseringen involverer kondensatorer og høy spenning for å produsere en sterk strøm.
-
Endelig inspeksjon:
Digitale måleprojektorer verifiserer dimensjonene og røntgenfluorescensteknologi verifiserer tykkelsen på belegget. Belegget er testet på andre måter for å sikre kvalitet og styrke. BH-kurven testes med en hysteresegraf for å bekrefte full forstørrelse.
Bonding
Bonding, eller kompresjonsbinding, er en dysepressingsprosess som bruker en blanding av neodympulver og et epoksybindemiddel. Blandingen er 97 % magnetisk materiale og 3 % epoksy.
Epoksy- og neodymblandingen komprimeres i en presse eller ekstruderes og herdes i ovn. Siden blandingen presses inn i en dyse eller ekstruderes, kan magneter støpes til komplekse former og konfigurasjoner. Kompresjonsbindingsprosessen produserer magneter med stramme toleranser og krever ikke sekundære operasjoner.
Kompresjonsbundne magneter er isotrope og kan magnetiseres i alle retninger, som inkluderer multipolare konfigurasjoner. Epoksybindingen gjør magnetene sterke nok til å freses eller dreies, men ikke bores eller tappes.
Radialsintret
Radialt orienterte neodymmagneter er de nyeste magnetene på magnetmarkedet. Prosessen for å produsere radialjusterte magneter har vært kjent i mange år, men var ikke kostnadseffektiv. Nylig teknologisk utvikling har strømlinjeformet produksjonsprosessen, noe som gjør radielt orienterte magneter lettere å produsere.
De tre prosessene for å produsere radialjusterte neodymmagneter er anisotropisk trykkstøping, varmpressende bakoverekstrudering og radiell roterende feltjustering.
Sintringsprosessen sikrer at det ikke er noen svake punkter i magnetstrukturen.
Den unike kvaliteten til radielt justerte magneter er retningen til magnetfeltet, som strekker seg rundt magnetens omkrets. Sydpolen til magneten er på det indre av ringen, mens nordpolen er på omkretsen.
Radialt orienterte neodymmagneter er anisotrope og magnetiseres fra innsiden av ringen til utsiden. Radiell magnetisering øker ringenes magnetiske kraft og kan formes til flere mønstre.
Radielle neodym-ringmagneter kan brukes til synkronmotorer, trinnmotorer og børsteløse DC-motorer for bil-, datamaskin-, elektronikk- og kommunikasjonsindustrien.
Bruk av neodymmagneter
Magnetiske separasjonstransportører:
I demonstrasjonen under er transportbåndet dekket med neodymmagneter. Magnetene er arrangert med vekslende poler vendt ut som gir dem et sterkt magnetisk hold. Ting som ikke tiltrekkes av magnetene, faller bort, mens det ferromagnetiske materialet faller ned i en oppsamlingsbeholder.
Harddisker:
Harddisker har spor og sektorer med magnetiske celler. Cellene magnetiseres når data skrives til stasjonen.
Pickuper for elektrisk gitar:
En elektrisk gitar pickup registrerer de vibrerende strengene og konverterer signalet til en svak elektrisk strøm for å sende til en forsterker og høyttaler. Elektriske gitarer er ulikt akustiske gitarer som forsterker lyden i den hule boksen under strengene. Elektriske gitarer kan være massivt metall eller tre med lyden forsterket elektronisk.
Vannbehandling:
Neodymmagneter brukes i vannbehandling for å redusere avleiring fra hardt vann. Hardt vann har et høyt mineralinnhold av kalsium og magnesium. Med magnetisk vannbehandling passerer vann gjennom et magnetfelt for å fange opp skalering. Teknologien har ikke blitt helt akseptert som effektiv. Det har vært oppmuntrende resultater.
Reed-brytere:
En reed-bryter er en elektrisk bryter som drives av et magnetfelt. De har to kontakter og metallrør i en glasskonvolutt. Kontaktene til bryteren er åpne til de aktiveres av en magnet.
Sivbrytere brukes i mekaniske systemer som nærhetssensorer i dører og vinduer for innbruddsalarmsystemer og sabotasjesikring. På bærbare datamaskiner setter reed-brytere den bærbare datamaskinen i hvilemodus når lokket er lukket. Pedaltastaturer for rørorgler bruker sivbrytere som er i et glasskabinett for kontaktene for å beskytte dem mot skitt, støv og rusk.
Sy magneter:
Neodym-sømmagneter brukes til magnetiske spenner på vesker, klær og mapper eller permer. Symagneter selges i par med den ene magneten a+ og den andre a-.
Protesemagneter:
Proteser kan holdes på plass av magneter innebygd i pasientens kjeve. Magnetene er beskyttet mot korrosjon fra spytt av rustfritt stål. Keramisk titannitrid påføres for å unngå slitasje og redusere eksponering for nikkel.
Magnetiske dørstoppere:
Magnetiske dørstoppere er et mekanisk stopp som holder en dør åpen. Døren svinger opp, berører en magnet og forblir åpen til døren dras av magneten.
Smykkelås:
Magnetiske smykkespenner kommer med to halvdeler og selges som et par. Halvdelene har en magnet i et hus av ikke-magnetisk materiale. En metallløkke på enden fester kjeden til et armbånd eller kjede. Magnethusene passer inn i hverandre og forhindrer side-til-side eller skjærende bevegelse mellom magnetene for å gi et solid hold.
Høyttalere:
Høyttalere konverterer elektrisk energi til mekanisk energi eller bevegelse. Den mekaniske energien komprimerer luft og konverterer bevegelse til lydenergi eller lydtrykknivå. En elektrisk strøm, sendt gjennom en trådspole, skaper et magnetfelt i en magnet festet til høyttaleren. Talspolen tiltrekkes og frastøtes av den permanente magneten, som gjør at kjeglen, stemmespolen er festet til, beveger seg frem og tilbake. Kjeglebevegelsen skaper trykkbølger som høres som lyd.
Antilåse bremsesensorer:
I blokkeringsfrie bremser er neodymmagneter pakket inn i kobberspoler i bremsens sensorer. Et blokkeringsfritt bremsesystem kontrollerer hastighetshjulene som akselererer og de-akselererer ved å regulere linjetrykket som påføres bremsen. Styresignalene, generert av kontrolleren og påført den bremsetrykkmodulerende enheten, er hentet fra hjulhastighetssensorer.
Tennene på sensorringen roterer forbi den magnetiske sensoren, noe som forårsaker en reversering av polariteten til magnetfeltet som sender et frekvenssignal til akselens vinkelhastighet. Differensieringen av signalet er akselerasjonen til hjulene.
Betraktninger med neodymmagneter
Som de kraftigste og sterkeste magnetene på jorden kan neodymmagneter ha skadelige negative effekter. Det er viktig at de blir håndtert riktig med hensyn til skaden de kan forårsake. Nedenfor er beskrivelser av noen av de negative effektene av neodymmagneter.
Negative effekter av neodymmagneter
Kroppsskade:
Neodymmagneter kan hoppe sammen og klemme huden eller forårsake alvorlige skader. De kan hoppe eller smelle sammen fra flere tommer til flere fot fra hverandre. Hvis en finger er i veien, kan den bli brukket eller alvorlig skadet. Neodymmagneter er kraftigere enn andre typer magneter. Den utrolig kraftige kraften mellom dem kan ofte være overraskende.
Magnetbrudd:
Neodymmagneter er sprø og kan flasse, flise, sprekke eller knuse hvis de smeller sammen, noe som sender små skarpe metallbiter som flyr i stor hastighet. Neodymmagneter er laget av et hardt, sprøtt materiale. Til tross for at de er laget av metall, og har et skinnende metallisk utseende, er de ikke holdbare. Øyevern bør brukes når du håndterer dem.
Hold deg unna barn:
Neodymmagneter er ikke leker. Barn skal ikke få lov til å håndtere dem. Små kan være en kvelningsfare. Hvis flere magneter svelges, fester de seg til hverandre gjennom tarmveggene, noe som vil forårsake alvorlige helseproblemer, som krever umiddelbar akuttkirurgi.
Fare for pacemakere:
En feltstyrke på ti gauss nær en pacemaker eller defibrillator kan samhandle med den implanterte enheten. Neodymmagneter skaper sterke magnetiske felt, som kan forstyrre pacemakere, ICD-er og implantert medisinsk utstyr. Mange implanterte enheter deaktiveres når de er i nærheten av et magnetfelt.
Magnetiske medier:
De sterke magnetiske feltene fra neodymmagneter kan skade magnetiske medier som disketter, kredittkort, magnetiske ID-kort, kassettbånd, videobånd, skade eldre TV-er, videospillere, dataskjermer og CRT-skjermer. De bør ikke plasseres i nærheten av elektroniske apparater.
GPS og smarttelefoner:
Magnetiske felt forstyrrer kompass eller magnetometre og interne kompasser på smarttelefoner og GPS-enheter. International Air Transport Association og amerikanske føderale regler og forskrifter dekker frakt av magneter.
Nikkelallergi:
Hvis du har nikkelallergi, tar immunsystemet feil av nikkel som en farlig inntrenger og produserer kjemikalier for å bekjempe det. En allergisk reaksjon på nikkel er rødhet og hudutslett. Nikkelallergi er mer vanlig hos kvinner og jenter. Omtrent 36 prosent av kvinnene under 18 år har nikkelallergi. Måten å unngå nikkelallergi på er å unngå nikkelbelagte neodymmagneter.
Avmagnetisering:
Neodymmagneter beholder sin effektivitet opp til 80°C eller 175°F. Temperaturen som de begynner å miste sin effektivitet varierer etter karakter, form og bruksområde.
Brannfarlig:
Neodymmagneter skal ikke bores eller bearbeides. Støvet og pulveret som produseres ved sliping er brannfarlig.
Korrosjon:
Neodymmagneter er ferdig med en form for belegg eller plating for å beskytte dem mot elementene. De er ikke vanntette og vil ruste eller korrodere når de plasseres i våte eller fuktige omgivelser.
Standarder og forskrifter for bruk av neodymmagneter
Selv om neodymmagneter har et sterkt magnetfelt, er de veldig sprø og krever spesiell håndtering. Flere industrielle overvåkingsbyråer har utviklet forskrifter angående håndtering, produksjon og frakt av neodymmagneter. En kort beskrivelse av noen av forskriftene er listet opp nedenfor.
Standarder og forskrifter for neodymmagneter
American Society of Mechanical Engineers:
American Society of Mechanical Engineers (ASME) har standarder for løfteanordninger under kroken. Standard B30.20 gjelder montering, inspeksjon, testing, vedlikehold og drift av løfteinnretninger, som inkluderer løftemagneter der operatøren plasserer magneten på lasten og styrer lasten. ASME standard BTH-1 brukes sammen med ASME B30.20.
Fareanalyse og kritiske kontrollpunkter:
Hazard Analysis and Critical Control Points (HACCP) er et internasjonalt anerkjent forebyggende risikostyringssystem. Den undersøker matsikkerhet fra biologiske, kjemiske og fysiske farer ved å kreve identifisering og kontroll av farer på visse punkter i produksjonsprosessen. Det tilbyr sertifisering for utstyr som brukes på matanlegg. HACCP har identifisert og sertifisert visse separasjonsmagneter som brukes i næringsmiddelindustrien.
USAs landbruksdepartement:
Magnetisk separasjonsutstyr er godkjent av United States Department of Agriculture Agricultural Marketing Service for å være i samsvar for bruk med to matforedlingsprogrammer:
- Program for evaluering av meieriutstyr
- Program for gjennomgang av utstyr for kjøtt og fjærkre
Sertifiseringer er basert på to standarder eller retningslinjer:
- Sanitærdesign og fremstilling av meieribehandlingsutstyr
- Sanitærdesign og fremstilling av kjøtt- og fjærfebehandlingsutstyr som oppfyller NSF/ANSI/3-A SSI 14159-1-2014 Hygienekrav
Begrensning av bruk av farlige stoffer:
Begrensning av bruk av farlige stoffer (RoHS)-forskrifter begrenser bruken av bly, kadmium, polybromert bifenyl (PBB), kvikksølv, seksverdig krom og polybromert difenyleter (PBDE) flammehemmere i elektronisk utstyr. Siden neodymmagneter kan være farlige, har RoHS utviklet standarder for håndtering og bruk.
Internasjonal sivil luftfartsorganisasjon:
Magneter er fast bestemt på å være et farlig gods for forsendelser utenfor det kontinentale USA til internasjonale destinasjoner. Alt emballert materiale, som skal sendes med fly, må ha en magnetisk feltstyrke på 0,002 Gauss eller mer i en avstand på syv fot fra ethvert punkt på pakkens overflate.
Federal Aviation Administration:
Pakker som inneholder magneter som sendes med fly må testes for å oppfylle etablerte standarder. Magnetpakker må måle mindre enn 0,00525 gauss 15 fot fra pakken. Kraftige og sterke magneter må ha en form for skjerming. Det er mange forskrifter og krav som skal oppfylles for transport av magneter med fly på grunn av de potensielle sikkerhetsfarene.
Begrensning, evaluering, godkjenning av kjemikalier:
Restriction, Evaluation, and Authorization of Chemicals (REACH) er en internasjonal organisasjon som er en del av EU. Den regulerer og utvikler standarder for farlige materialer. Den har flere dokumenter som spesifiserer riktig bruk, håndtering og produksjon av magneter. Mye av litteraturen refererer til bruk av magneter i medisinsk utstyr og elektroniske komponenter.
Konklusjon
- Neodym (Nd-Fe-B)-magneter, kjent som neo-magneter, er vanlige sjeldne jordartsmagneter som består av neodym (Nd), jern (Fe), bor (B) og overgangsmetaller.
- De to prosessene som brukes til å produsere neodymmagneter er sintring og binding.
- Neodymmagneter har blitt den mest brukte av de mange variantene av magneter.
- Magnetfeltet til en neodymmagnet oppstår når et magnetfelt påføres den og atomdipolene justeres, som er den magnetiske hysteresesløyfen.
- Neodymmagneter kan produseres i alle størrelser, men beholder sin opprinnelige magnetiske styrke.
Innleggstid: Jul-11-2022