Come sono fatti i magneti al neodimio?

Neodimio, un potente magnete permanente e... difficile da produrre.

INTRODUZIONE AL NEODIMIO:

I magneti al neodimio, qualificati come terre rare allo stesso modo del somario-cobalto, sono il risultato di un lungo e complesso processo di fabbricazione. Si inizia con l'estrazione in miniera, per poi passare a metodi metallurgici ad alta tecnologia.

Tutta questa complessità di fabbricazione non è tuttavia un ostacolo per questo tipo di magneti permanenti che dominano il mercato. Se all'inizio degli anni '90 le quantità prodotte erano relativamente riservate, le sue straordinarie caratteristiche magnetiche e la costante crescita delle sue prestazioni hanno contribuito alla sua espansione mondiale.

Il neodimio si trova in tutti i mestieri : Automotive, elettronica industriale, computer e smartphone, generatori e turbine eoliche, separatori magnetici... l'elenco degli usi contiene migliaia di referenze. Saresti sorpreso di sapere che anche l'industria alimentare lo utilizza!

Nonostante sia il re dei magneti permanenti grazie alla sua induzione che ad oggi può raggiungere i 15.000 Gauss (1,5 Tesla), il suo processo di fabbricazione è poco conosciuto. Ecco un riassunto dei dieci passaggi necessari per la produzione di neodimio.

CHIMICA...O RICETTA DI CUCINA?

Cominciamo con un po' di chimica: i neodimio sono anche chiamati neodimio-ferro-boro il cui simbolo è NdFeB. Giocando su questi 3 componenti e su altri additivi, puoi creare delle sfumature. Devi ancora sapere come "mescolare" questi ingredienti nella pentola, controllare i tempi di cottura, utilizzare lo stampo giusto, ecc. Vediamo insieme i passaggi principali di questa ricetta:

FASI DI PRODUZIONE DEL NEODIMIO:

1) ESTRAZIONE DI TERRE RARE.

Il minerale di terre rare proviene da giacimenti a cielo aperto situati principalmente in Cina , da macchine di dimensioni spropositate. Non è l'unico Paese che dispone di risorse naturali, ma è quello che ne possiede di più e soprattutto le sfrutta a prezzi impossibili da incontrare con i competitor australiani, americani, birmani o indiani. Su una produzione mondiale annua di 200.000 tonnellate, la Cina ne produce 130.000. L'Australia, il secondo produttore mondiale, produce meno di... 18.000 tonnellate.

Ci sarebbe la possibilità di estrarre minerali di terre rare situati sul suolo francese, questo è stato fatto più di 30 anni fa. Ci siamo fermati perché la redditività non era al Rendez-vous. Forse saremo felici di sfruttare questa risorsa tra qualche decennio...

2) FRANGITURA, MACINATURA, AFFINAMENTO.

Il minerale di terre rare viene estratto , frantumato e convogliato a frantoi che ne ridurranno la dimensione delle particelle. Ciò ne facilita il successivo trattamento, in particolare la flottazione durante la quale viene scaricato in acque contenenti agenti. La reazione permette di liberare le terre rare dalle impurità .

Entriamo quindi nel campo della chimica, con la raffinazione elettrochimica e lo scambio ionico. Esistono altri metodi di raffinazione che dipendono dalla qualità del terreno, come la raffinazione elettrolitica.

Il minerale raffinato, chiamato "concentrato", viene riscaldato ad una temperatura molto elevata da un elettrodo e viene così fuso. Allo stato liquido a 1700°C, i metalli ambiti si separano dai materiali amorfi e inutili .

I metalli sono però mescolati tra loro, molto difficili da separare l'uno dall'altro. Troviamo in particolare metalli preziosi, rame, nichel, ecc. Le loro proprietà e la loro densità sono talvolta molto simili. I processi di separazione, siano essi meccanici, densimetrici o chimici, sono lunghi e costosi.

È ancora impossibile dissociare il neodimio dal praseodimio fino ad oggi, così che da un quarto a un terzo del volume di un magnete è costituito da esso. Le proprietà sono così vicine che non c'è incidenza.

Come standard , i gradi da N35 a N55 sono resistenti a circa 60°C max . Oltre a ciò, perdono permanentemente la loro induzione magnetica. Una gamma di gradi con suffisso U, H, SH offre una maggiore resistenza alla smagnetizzazione, portando la temperatura di utilizzo a quasi 200°C. Oltre alle "terre rare" va aggiunta la consueta miscela di costosissime "terre rare pesanti". Questi includono disprosio e terbio che aumentano la coercitività. Per ridurre al minimo il loro utilizzo, i produttori li iniettano in modo omogeneo durante la compressione delle polveri. (Passo 5)

3) FUSIONE E FLUSSO

Vengono quindi fusi il Neodimio-ferro-boro, vengono aggiunti alcuni altri metalli le cui proprietà magnetiche e meccaniche hanno un effetto positivo sulla lega NFB. La miscela fusa viene colata a pressione in continuo , in atmosfera sotto vuoto. All'uscita dalla colata, il metallo prende forma e per conferirgli proprietà specifiche viene raffreddato molto fortemente.

4) FRAGILIZZA E POI CRUSH

Di solito, i metallurgisti evitano l' introduzione di idrogeno nei metalli perché li indebolisce notevolmente. Nel caso particolare degli NFB, lo scopo è proprio quello di indebolire questa striscia all'uscita della colata in modo che si spezzi nei più piccoli pezzi possibili. I macinatori meccanici riducono ulteriormente la granulometria senza raggiungere lo stadio di polvere utilizzabile. Dobbiamo quindi andare oltre nel processo di raffinamento.

5) TRASFORMAZIONE IN POLVERE DI NEODIMIO

Nonostante la dimensione dell'NFB sia stata notevolmente ridotta, i pezzi verranno poi inviati attraverso un ciclone pressurizzato , che spinge il prodotto ad altissima velocità in un'atmosfera di gas inerte. Questo processo permette di scomporre gli NFB in una polvere sempre più fine , si può ora parlare di particelle di neodimio. L'ambita polvere di neodimio è finalmente ottenuta!

6) PREMERE E MODELLARE UN BLOCCO DI NEODIMIO

Sempre in atmosfera inerte, la polvere viene pressata ad alta pressione in stampi. La particolarità di questa operazione di formatura risiede nella presenza di un potente campo magnetico che orienta i grani. Nella maggior parte dei casi, l'anisotropia si ottiene perpendicolarmente. Si noti che il blocco non è ancora diventato magnetico.

Il blocco viene pressato una seconda volta da una pressa ad altissima pressione, per compattarlo un po' di più ed evitare inclusioni d'aria. Ma questo blocco ha ancora bisogno di pochi passaggi per diventare una piccola calamita!

7) SINTERIZZAZIONE E RICOTTURA DEL BLOCCO

La nostra massa di neodimio viene nuovamente introdotta in una fornace per portare la sua temperatura appena al di sotto del suo punto di fusione. Durante l' operazione di sinterizzazione , forma e densità sono controllate perché non vi è alcun cambio di stato. Gli atomi mantengono lo stesso orientamento magnetico.

La sinterizzazione permette di ottenere un assemblaggio molto duro , non molto deformabile, ma fragile. Un po' come il vetro. Al termine di questa operazione la dimensione del blocco è definitiva, ma non è ancora pronta per essere tagliata in piccoli magneti!

Per allentare le sollecitazioni meccaniche delle fasi precedenti, in particolare la sinterizzazione, si effettua una ricottura a partire da una temperatura di alcune centinaia di gradi, per scendere nuovamente in fasi successive. Troviamo una tecnica classica della metallurgia, per togliere le tensioni negli acciai ed evitare le zone di infragilimento .

8) TAGLIO E LAVORAZIONE DEL BLOCCO DI NEODIMIO.

È ora necessario tagliare questo magnifico blocco in elettroerosione con un filo di piccola sezione per evitare perdite. Come avrai capito, è molto lungo e difficile ottenere questi blocchi, quindi evita di perderne nessuno in questa fase. Allo stesso modo, quando le superfici e gli angoli vengono rettificati .

Il materiale è così prezioso che i produttori recuperano i trucioli e la polvere da queste operazioni. Ritornano al processo per far parte di un nuovo blocco di neodimio.

Finalmente abbiamo dei piccoli magneti la cui forma e le cui dimensioni sono definitive !

9) APPLICAZIONE DI UN TRATTAMENTO SUPERFICIALE

Per evitare la corrosione a medio termine, i nostri piccoli magneti al neodimio subiranno un deposito elettrolitico a base di nichel. È anche Nichel-Rame-Nichel . Puoi anche acquistare i magneti grezzi o con diversi depositi, tra cui zinco alluminio spruzzato. In casi speciali, come atmosfere saline aggressive che causano una rapida corrosione, alcuni produttori offrono un rivestimento epossidico per una protezione efficace.

10) MAGNETIZZAZIONE DI MAGNETI AL NEODIMIO.

Questo è il passo magico, che però non è il più difficile. Il magnete è posto al centro di un solenoide che è alimentato elettricamente in modo da creare un numero di Ampere-giro molto elevato. L' induzione molto forte e molto improvvisa attraversa brevemente il neodimio . Questo piccolo blocco di polvere di neodimio sinterizzato diventa una calamita, offrendo la sua permanenza per decenni, senza aggiungere energia. Questa è la magia dei magneti permanenti che si dice siano " magnetizzati a vita ". Un Polo Nord e un Polo Sud, un forte potere di attrazione e incredibili possibilità in molti settori industriali e specifici.

11) QUALITÀ E RISPARMIO

Ora sai che ottenere un magnete permanente al neodimio richiede molti passaggi, spesso lunghi e costosi. Ecco perché il controllo di processo è importante, sia per garantire una qualità di produzione che soddisfi i clienti, ma anche per garantire qualità ed efficienza del processo per limitare perdite e sprechi.

L' investimento iniziale è molto pesante , tutte le macchine sono molto specifiche e realizzate su misura per l'industriale che le richiede. La redditività richiede un volume molto grande e continuo. La domanda è in costante aumento da 15 anni e continuerà a farlo man mano che le applicazioni si moltiplicano e si sviluppano.

APPLICAZIONI DEI MAGNETI PERMANENTI AL NEODIMIO

Impossibile contare il numero di utilizzi in quanto sono numerosi . Il neodimio ha fornito un'induzione molto più forte rispetto alle ferriti o ad altri magneti permanenti utilizzati. Oltre alla sua forte induzione , a volte 15 volte superiore ad altre permanenti, il materiale al neodimio permetteva anche di avere una potenza equivalente in uno spazio molto più piccolo. I magneti al neodimio sono all'origine di molte miniaturizzazioni o quantomeno della riduzione del volume di alcuni dispositivi.

Ecco alcuni usi:

• il mercato in crescita delle auto elettriche, Tesla in testa! Gli ibridi hanno anche motori al neodimio.
• turbine eoliche a terra o in mare, con i loro enormi generatori.
• motori elettrici brushless, ampiamente utilizzati in tutti i settori su robot e macchine utensili.
• condizionatori industriali o privati.
• utensili elettrici portatili e fissi.
• gli altoparlanti degli altoparlanti, dei lettori video o audio
• computer e altri componenti elettronici
• smartphone che cambiamo regolarmente
• trappole magnetiche per l'industria alimentare, chimica, plastica e infine tutte le industrie delle polveri e polveri.
• separatori magnetici utilizzati nei centri di riciclaggio, miniere e cave, ecc.

CONCLUSIONE:

Non lontano dal criticare gli altri materiali utilizzati per i magneti permanenti, il neodimio è comunque il migliore in termini di induzione .

Anche gli altri materiali presentano vantaggi : notevole profondità del campo magnetico, resistenza alle alte temperature e per alcuni prezzi molto bassi.

Per quanto riguarda la produzione e la fornitura, è chiaro che sia i grossisti che i consumatori dipendono dalla Cina :

Prezzo fisso, e che ha già subito forti variazioni in passato.
Ritardo notevole, a volte 3 mesi per il trasporto via nave e lo sdoganamento.
Tempo breve se non si passa da rivenditori europei con azioni, ma che comunque prendono una commissione legittima.
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