عناصر الاختبار الشاملة للمغناطيسات النيوديميومية الملبدة: دليل فني

تُعدّ مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) المُلبّدة، والمُعترف بها عالميًا كأقوى المغناطيسات الدائمة، لا غنى عنها في التطبيقات عالية الأداء، مثل المركبات الكهربائية، وتوربينات الرياح، وأنظمة الطيران، وأجهزة التصوير الطبي. وتنبع خصائصها المغناطيسية الاستثنائية - بما في ذلك نسبة الثبات العالية (Br)، والقوة القسرية (Hcj)، وأقصى طاقة ناتجة ((BH)max)) - من عملية تصنيع معقدة تتضمن مساحيق المعادن، ومحاذاة المجال المغناطيسي، والتلبيد الفراغي، والتصنيع الدقيق. ومع ذلك، فإن ضمان استيفاء هذه المغناطيسات لمعايير الأداء والموثوقية الصارمة يتطلب اختبارات دقيقة عبر أبعاد متعددة. يُفصّل هذا الدليل بنود الاختبار الأساسية لمغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون المُلبّدة، مُصنّفة إلى: دقة الأبعاد، والخصائص الفيزيائية، والتوصيف المغناطيسي، وتحليل البنية الدقيقة، والمتانة البيئية، وجودة الطلاء ، مع رؤى ثاقبة حول المنهجيات والمعدات ومعايير الصناعة.

1. اختبار دقة الأبعاد والتسامح الهندسي

1.1 أهمية التحكم في الأبعاد

غالبًا ما تُدمج مغناطيسات NdFeB المُلبَّدة في تركيبات ذات تحمُّلات ضيقة، مثل دوارات المحركات أو مكونات أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. قد تؤدي الانحرافات في الأبعاد إلى عدم المحاذاة، أو زيادة الاهتزاز، أو انخفاض الكفاءة، أو حدوث عطل ميكانيكي. على سبيل المثال، قد يُسبب خطأ قدره 0.1 مم في قطر مغناطيس أسطواني مُستخدم في محرك سيرفو احتكاكًا مع الجزء الثابت، مما يُولِّد حرارة ويُضعف الأداء.

1.2 طرق الاختبار

• آلات القياس الإحداثية (CMM) :
  تستخدم آلات قياس الإحداثيات (CMMs) أنظمة استشعار (مثل الزناد باللمس أو المسح الضوئي بالليزر) لقياس إحداثيات أسطح المغناطيس ثلاثية الأبعاد بدقة تصل إلى أقل من الميكرون. وهي مثالية للأشكال الهندسية المعقدة، مثل الأقواس، والحواف المشطوفة، أو المغناطيسات المصممة خصيصًا والمستخدمة في الروبوتات. على سبيل المثال، يمكن لآلة قياس الإحداثيات التحقق من مركزية القطرين الداخلي والخارجي لمغناطيس حلقي في حدود ±0.005 مم.

• مقارنات الإسقاط البصري :
  تعرض هذه الأجهزة صورة ظلية مكبرة للمغناطيس على شاشة، مما يسمح للمشغلين بمقارنتها بقالب رئيسي. وهي فعّالة من حيث التكلفة لإنتاج كميات كبيرة من الأشكال البسيطة (مثل الأقراص أو الكتل) بتفاوتات ±0.02 مم.

• أنظمة فحص الرؤية الآلية :
  هذه الأنظمة، المجهزة بكاميرات عالية الدقة وخوارزميات تعتمد على الذكاء الاصطناعي، تكتشف عيوب السطح (مثل الخدوش والشقوق) والانحرافات البعدية آنيًا. على سبيل المثال، يستطيع نظام الرؤية فحص 10,000 مغناطيس في الساعة للكشف عن نتوءات على الحواف أو تفاوت سماكة الطلاء.

1.3 معايير الصناعة

• ISO 2768-1 :يحدد التسامحات العامة للأبعاد الخطية والزاوية دون مؤشرات التسامح الفردية.
• ASTM E309 :يوضح الإجراءات المتبعة لقياس أبعاد المكونات المغناطيسية باستخدام آلات قياس الإحداثيات.

2. اختبار الخصائص الفيزيائية

2.1 قياس الكثافة

الكثافة مؤشرٌ أساسيٌّ على جودة التلبيد، إذ يُمكن للفراغات أو المسامية أن تُقلل من الأداء المغناطيسي والقوة الميكانيكية. تُستخدم طريقة مبدأ أرخميدس على نطاق واسع:

1. وزن المغناطيس في الهواء (W₁).

2. اغمرها في سائل (مثل الماء المقطر) وقم بقياس الوزن الظاهري (W₂).

3. حساب الكثافة:

تتراوح كثافة مغناطيسات NdFeB عالية الجودة عادةً بين 7.4 و7.6 جم/سم³. قد تشير الكثافة الأقل من 7.3 جم/سم³ إلى عدم اكتمال التلبيد أو التلوث.

2.2 اختبار الصلابة

يُقيّم اختبار صلابة فيكرز مقاومة المغناطيس للثقب، مما يعكس متانته الميكانيكية. يُطبّق مُثقب ماسي حملاً (مثلاً، 1 كجم قوة) على السطح، ويُقاس الطول القطري للطبعة الناتجة. تتراوح قيم صلابة NdFeB المُلبّد بين 550 و650 فولت حراروي، حسب تركيبة السبيكة والمعالجة الحرارية.

2.3 خشونة السطح

تؤثر خشونة السطح على التصاق الطلاء واحتكاكه في التطبيقات الديناميكية. تمسح طريقة قياس خشونة السطح باستخدام مسبار ذي رأس ماسي، مما يُنتج خشونة. تُقاس معاملات مثل Ra (متوسط ​​الخشونة الحسابي) وRz (أقصى ارتفاع). على سبيل المثال، قد يتطلب مغناطيس مُستخدم في محرك خطي Ra < 0.8 ميكرومتر لتقليل التآكل.

3. توصيف الخاصية المغناطيسية

3.1 المعلمات المغناطيسية الرئيسية

• المتبقي (Br) : مغناطيسية متبقية بعد إزالة مجال خارجي، تُقاس بوحدة تسلا (T) أو جاوس (G). تصل قيمة البروم في المغناطيسات عالية الجودة (مثل N52) إلى 1.45 تسلا.
• الإكراه (Hcj) : مقاومة إزالة المغناطيسية، تُقاس بالكيلو أمبير/متر أو أورستد (Oe). تتطلب المغناطيسات المستخدمة في تطبيقات درجات الحرارة العالية (مثل N42SH) قيمة إكراه أكبر من 2000 كيلو أمبير/متر.
• أقصى ناتج طاقة ((BH)max) : أقصى كثافة طاقة نظرية، تُقاس بالكيلوجول/م³ أو MGOe. تصل مغناطيسات المستوى الأعلى إلى (BH)max > 50 MGOe.

3.2 معدات الاختبار

• أجهزة تحليل BH (Hysteresisgraph) :
  تُطبّق هذه الأجهزة مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا على المغناطيس أثناء قياس استجابته المغناطيسية. تُوفّر حلقة الهستيريسيس الناتجة قيم Br وHcj و(BH)max. على سبيل المثال، يُمكن لنظام بيرماغراف اختبار مغناطيس مربع أبعاده 10 مم × 10 مم في دقيقتين.

• ملفات هلمهولتز :
  يُستخدم لقياس كثافة التدفق المغناطيسي (B) في منطقة مجال موحد. يُوضع مسبار تسلامتر داخل الملفات لقياس كثافة التدفق المغناطيسي (B) في نقاط محددة، مما يُتيح مراقبة جودة مصفوفات المغناطيس.

• أجهزة المسح المجال المغناطيسي :
  تُرسِم الأذرع الروبوتية المُزوَّدة بمستشعرات تأثير هول توزيع المجال المغناطيسي ثلاثي الأبعاد للمغناطيسات مُعقَّدة الشكل. يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية لتطبيقات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، حيث يجب أن يكون تجانس المجال في حدود ±5 جزء في المليون.

3.3 معايير الصناعة

• IEC 60404-5 :توحيد أساليب قياس الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية.
• ASTM A977 :يحدد الإجراءات اللازمة لاختبار المواد المغناطيسية الدائمة باستخدام أجهزة تحليل BH.

4. التحليل البنيوي الدقيق

4.1 حجم الحبوب وتوزيعها

تتكون البنية الدقيقة لمغناطيسات NdFeB المُلبَّدة من حبيبات Nd₂Fe₁₄B، مفصولة بأطوار حدودية للحبيبات (مثل الطور الغني بالنيوديميوم أو المُشَبَّب بالداي). تُعزِّز الحبيبات الدقيقة والمتجانسة (1-5 ميكرومتر) قوة الإكراه، بينما تُخفِّضها الحبيبات الخشنة. يُستخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لتحليل مورفولوجيا الحبيبات.

• SEM :يوفر صورًا عالية الدقة لحدود الحبوب والعيوب السطحية (على سبيل المثال، الشقوق والمسام).
• TEM :يكشف عن ميزات النانو مثل الحدود التوأمية أو الرواسب التي تؤثر على الإكراه.

4.2 تحليل تركيب الطور

يحدد حيود الأشعة السينية (XRD) الأطوار البلورية في المغناطيس. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي وجود α-Fe (الطور المغناطيسي الناعم) إلى انخفاض في قوة الجذب، بينما تُحسّن استبدالات Dy₂Fe₁₄B الأداء في درجات الحرارة العالية. كما يُحدد حيود الأشعة السينية كسور الطور، مما يضمن الامتثال لمواصفات المواد.

4.3 التحليل العنصري

يُظهر مطياف الأشعة السينية المُشتت للطاقة (EDS) ، المُقترن بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أو المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، توزيع العناصر عبر المغناطيس. يكشف هذا عن انفصال العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (مثل Dy وTb) أو الشوائب (مثل الأكسجين والكربون) التي قد تُضعف الخواص المغناطيسية.

5. اختبار المتانة البيئية

5.1 مقاومة التآكل

مغناطيسات NdFeB معرضة للتآكل بسبب محتواها العالي من الحديد. تُستخدم الطلاءات (مثل النيكل والزنك والإيبوكسي) للتخفيف من هذا التآكل، ولكن يجب التحقق من فعاليتها.

• اختبار رش الملح (ASTM B117) :
  يُعرِّض المغناطيسات المطلية لرذاذ كلوريد الصوديوم بنسبة 5% عند درجة حرارة 35 درجة مئوية لمدة تتراوح بين 24 و1000 ساعة. تُقيَّم نواتج التآكل (مثل الصدأ الأحمر) وفقًا للمعيار ISO 9227. على سبيل المثال، قد يصمد طلاء ثلاثي الطبقات من النيكل والنحاس والنيكل لمدة 500 ساعة دون صدأ.

• اختبار الشيخوخة المتسارعة تحت الضغط العالي :
  يُعرَّض المغناطيس لدرجة حرارة ١٢٠ درجة مئوية ورطوبة نسبية ٩٥٪ في قدر ضغط لمدة ٤٨-١٦٨ ساعة. يُحاكي هذا التعرض للرطوبة لفترات طويلة، كاشفًا عن انفصال الطبقة أو ظهور بثور.

• مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) :
  يقيس معاوقة الطلاء في محلول تآكلي (مثل 3.5% كلوريد الصوديوم). كلما زادت المعاوقة، زادت الحماية من التآكل.

5.2 مقاومة درجة الحرارة

يجب أن تتحمل المغناطيسات درجات حرارة التشغيل دون فقدان مغناطيسيتها. يشمل الاختبار:

• الدورة الحرارية :
  يُجري دورات مغناطيسية بين -40 درجة مئوية و150 درجة مئوية لمدة 100-1000 دورة لتقييم التعب الحراري. على سبيل المثال، قد يحتفظ مغناطيس N42SH بنسبة 95% من البروم بعد 500 دورة.

• اختبار إزالة المغناطيسية عند درجات الحرارة العالية :
  يُعرَّض المغناطيس لدرجات حرارة مرتفعة (مثل ٢٠٠ درجة مئوية) لمدة ٢-٢٤ ساعة، ثم يُقاس البروم والهيدروجين. يجب أن تحافظ مغناطيسات محركات الجر على (BH)max > ٤٠ MGOe عند ١٨٠ درجة مئوية.

5.3 الصدمات الميكانيكية والاهتزازات

• اختبار السقوط :
  يُسقط مغناطيسًا من ارتفاع مُحدد (مثلًا، متر واحد) على سطح صلب لتقييم التصاق الطلاء وسلامته الهيكلية. يجب أن يتحمل المغناطيس المُستخدم في مُكبر صوت محمول 10 سقطات دون أن يتشقق.

• اختبار الاهتزاز (ISO 16750-3) :
  يُحاكي الاهتزازات (مثلاً، ٥-٢٠٠٠ هرتز، ١٠-٥٠ م/ث²) المُصادفة في تطبيقات السيارات أو الفضاء. يجب ألا تتقشر المغناطيسات أو تتكسر بعد ٢٤ ساعة.

6. فحص جودة الطلاء

6.1 قياس سمك الطلاء

• مطيافية الأشعة السينية الفلورية (XRF) :
  يقيس سمك الطلاء بطريقة غير مدمرة (على سبيل المثال، 5-20 ميكرومتر لطلاء النيكل) بدقة ±0.5 ميكرومتر.

• مقياس سمك التيار الدوامي :
  يستخدم الحث الكهرومغناطيسي لقياس الطلاءات غير الموصلة (مثل الإيبوكسي) على ركائز موصلة.

6.2 اختبار الالتصاق

• اختبار القطع المتقاطع (ASTM D3359) :
  يقطع نمطًا شبكيًا في الطلاء بشفرة، ثم يضع شريطًا لاصقًا، ثم ينزعه لتقييم الالتصاق. يُشترط الحصول على تصنيف 5B (إزالة 0%) للتطبيقات الحرجة.

• اختبار السحب (ASTM D4541) :
  يُثبّت عربةً على الطلاء باستخدام لاصق، ويُقاس القوة اللازمة لفصله. قوة سحب أكبر من ١٠ ميجا باسكال تُشير إلى التصاق قوي.

6.3 اكتشاف عيوب السطح

• التفتيش البصري الآلي (AOI) :
  تكتشف الكاميرات عالية الدقة الثقوب الدقيقة والشقوق أو تفاوت سُمك الطلاء. على سبيل المثال، تستطيع تقنية AOI تحديد ثقب دقيق بقطر 10 ميكرومتر في طلاء الزنك.

خاتمة

اختبار مغناطيسات NdFeB المُلبَّدة عملية متعددة التخصصات تشمل تقييمات الأبعاد، والخصائص الفيزيائية، والمغناطيسية، والبنية المجهرية، والبيئية، والطلاء. بالالتزام بالمعايير الدولية (مثل ISO، وASTM، وIEC) واستخدام معدات متطورة (مثل أجهزة تحليل BH، والمجهر الإلكتروني الماسح، وغرف رش الملح)، يمكن للمصنعين ضمان تلبية المغناطيسات للمتطلبات الصارمة للتطبيقات عالية الأداء. ومع تزايد الطلب على مغناطيسات NdFeB في قطاعات مثل السيارات الكهربائية والطاقة المتجددة، فإن التحسين المستمر لمنهجيات الاختبار سيكون حاسمًا لتحسين الأداء والموثوقية والفعالية من حيث التكلفة.