Inleiding
Op het gebied van permanente magneten zijn neodymium-ijzer-borium (NdFeB) magneten al lange tijd een hoeksteen van de moderne technologie, geprezen om hun uitzonderlijke magnetische prestaties. Van de verschillende soorten NdFeB-magneten zijn High Br NdFeB-magneten – gekenmerkt door hun hoge remanentie (Br) – uitgegroeid tot een cruciale component in het verleggen van de grenzen van wat mogelijk is in sectoren variërend van elektronica en auto's tot hernieuwbare energie en lucht- en ruimtevaart. Remanentie, of resterende magnetische fluxdichtheid, vertegenwoordigt de magnetische inductie die in een materiaal overblijft na verwijdering van een extern magnetisch veld. Voor High Br NdFeB-magneten is deze parameter aanzienlijk hoger dan bij standaard NdFeB-soorten, waardoor ze sterkere magnetische velden kunnen genereren in compacte vormfactoren. Dit artikel gaat dieper in op de fundamentele eigenschappen, productieprocessen, belangrijkste voordelen, diverse toepassingen, uitdagingen en toekomstperspectieven van High Br NdFeB-magneten, en benadrukt hun cruciale rol in het stimuleren van technologische innovatie en duurzaamheid .
1. Fundamentele eigenschappen van NdFeB- magneten met een hoog Br-gehalte
1.1 Magnetische eigenschappen
Het bepalende kenmerk van NdFeB-magneten met een hoog remanentieniveau is hun uitzonderlijke remanentie. Standaard NdFeB-magneten vertonen doorgaans een remanentie (Br) van 1,0 T tot 1,4 T, terwijl magneten met een hoog remanentieniveau dit bereik overtreffen en vaak 1,45 T tot 1,6 T of hoger bereiken, afhankelijk van de samenstelling en productietechnieken. Deze hoge Br-waarde vertaalt zich in een sterker intrinsiek magnetisch veld, waardoor de magneet een hogere magnetisatiegraad behoudt, zelfs bij afwezigheid van een extern veld. Naast een hoge remanentie behouden deze magneten ook een gunstige coërciviteit (HcJ) en maximaal energieproduct (BH)max – twee andere kritische magnetische parameters. Coërciviteit, de weerstand tegen demagnetisatie, zorgt ervoor dat de magneet zijn magnetische eigenschappen behoudt onder zware omstandigheden zoals hoge temperaturen of externe magnetische interferentie. NdFeB-magneten met een hoog remanentieniveau hebben doorgaans een coërciviteit tussen 800 kA/m en 1200 kA/m, waardoor de behoefte aan stabiliteit in evenwicht is met een hoge remanentie. Het maximale energieproduct, dat de capaciteit van de magneet om magnetische energie op te slaan meet, varieert van 35 MGOe tot 55 MGOe voor High Br-kwaliteiten, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die een hoge vermogensdichtheid vereisen .
1.2 Fysische en chemische eigenschappen
NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte bestaan uit een ternaire legering van neodymium (Nd), ijzer (Fe) en boor (B), met een typische samenstelling van 25-35% Nd, 60-70% Fe en 1-2% B. Om de magnetische prestaties en stabiliteit te verbeteren, worden vaak sporenelementen zoals dysprosium (Dy), terbium (Tb), kobalt (Co) en gallium (Ga) toegevoegd. Dysprosium en terbium verbeteren de coërciviteit door de korrelstructuur te verfijnen en het magnetokristallijne anisotropieveld te verminderen, terwijl kobalt de temperatuurstabiliteit en corrosiebestendigheid verbetert. Gallium daarentegen ondersteunt het sinterproces, bevordert de verdichting en vermindert de porositeit. Fysiek hebben NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte een hoge dichtheid, met een typische dichtheid van 7,4-7,6 g/cm³, en een hoge hardheid (HV 500-600). Hierdoor zijn ze slijtvast, maar ook broos en gevoelig voor afbrokkeling bij onzorgvuldig gebruik. Chemisch gezien zijn ze gevoelig voor corrosie, met name in vochtige of zure omgevingen, vanwege de aanwezigheid van neodymium, dat zeer reactief is. Dit vereist oppervlaktebehandelingen zoals vernikkelen (Ni-Cu-Ni), verzinken, epoxycoaten of aluminiumcoaten om de magneet te beschermen tegen oxidatie en degradatie .
1.3 Temperatuurstabiliteit
Temperatuur heeft een aanzienlijke invloed op de magnetische eigenschappen van NdFeB-magneten, en High Br-soorten vormen daarop geen uitzondering. De Curietemperatuur (Tc) – de temperatuur waarbij de magneet zijn ferromagnetische eigenschappen verliest – voor standaard NdFeB-magneten is ongeveer 310 °C, en High Br-soorten hebben doorgaans een vergelijkbare of iets lagere Curietemperatuur (300-310 °C) vanwege hun geoptimaliseerde samenstelling voor remanentie. Het bedrijfstemperatuurbereik van High Br NdFeB-magneten wordt echter bepaald door hun coërciviteitscoëfficiënt (αHcJ), die aangeeft hoeveel de coërciviteit afneemt bij toenemende temperatuur. High Br-soorten met toegevoegd dysprosium of terbium vertonen een betere temperatuurstabiliteit, met bedrijfstemperaturen variërend van -40 °C tot 120 °C of hoger (tot 150 °C voor gespecialiseerde soorten). Buiten dit bereik kan de coërciviteit van de magneet dalen tot een niveau waarop demagnetisatie optreedt, wat de prestaties beperkt. Het is daarom van cruciaal belang om de juiste klasse High Br NdFeB-magneet te selecteren op basis van de specifieke temperatuurvereisten van de toepassing .
2. Productieprocessen van NdFeB- magneten met een hoog Br-gehalte
2.1 Voorbereiding van de grondstof
De productie van NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte begint met de zorgvuldige selectie en bereiding van de grondstoffen. Neodymium met een hoge zuiverheidsgraad (99,5% of hoger), ijzer (99,9% zuiverheid) en boor (meestal in de vorm van ferroborium, FeB, met 18-20% B) zijn de hoofdingrediënten. Sporenelementen zoals dysprosium, terbium, kobalt en gallium worden in nauwkeurige hoeveelheden toegevoegd om de magnetische eigenschappen te optimaliseren. De grondstoffen worden gewogen op basis van de gewenste samenstelling en grondig gemengd in een hoogenergetische kogelmolen of een straalmolen tot een homogeen poeder. Het maalproces verkleint de deeltjesgrootte tot ongeveer 3-5 μm, wat cruciaal is voor het bereiken van de gewenste magnetische eigenschappen tijdens de verdere verwerking. Om oxidatie te voorkomen, worden het mengen en malen vaak uitgevoerd in een inerte atmosfeer (bijv. argon of stikstof) of onder vacuüm .
2.2 Sinterproces
Sinteren is een belangrijke stap in de productie van NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte, omdat het het poeder verdicht tot een vaste magneet met geoptimaliseerde magnetische eigenschappen. Het gemalen poeder wordt met behulp van een matrijspers tot een groene compact geperst. Tijdens het persen wordt een magnetisch veld aangelegd om de magnetische domeinen van de poederdeeltjes uit te lijnen, wat de remanentie van de uiteindelijke magneet verbetert. De magnetische veldsterkte tijdens het persen varieert doorgaans van 1,5 T tot 2,0 T, waardoor de deeltjes langs de vlakke magnetisatieas worden uitgelijnd. De groene compact wordt vervolgens gesinterd in een vacuümoven of een oven met een beschermende atmosfeer (argon) bij een temperatuur van 1050-1150 °C gedurende 2-4 uur. Het sinteren zorgt ervoor dat de poederdeeltjes door diffusie aan elkaar hechten, waardoor de porositeit afneemt en de dichtheid toeneemt. Na het sinteren wordt de magneet onderworpen aan een ontlaatproces, waarbij deze gedurende 1-2 uur wordt verhit tot 500-600 °C en vervolgens langzaam wordt afgekoeld. Door ontlaten worden de coërciviteit en de magnetische stabiliteit verbeterd door interne spanningen te verlichten en de korrelstructuur te verfijnen .
2.3 Bewerking en oppervlaktebehandeling
Na het sinteren en ontlaten worden de High Br NdFeB-magneten bewerkt om de gewenste vorm, grootte en tolerantie te bereiken. Vanwege hun hoge hardheid en brosheid wordt de bewerking meestal uitgevoerd met diamantgereedschappen, zoals diamantzagen, slijpmachines en lapmachines. Veelvoorkomende bewerkingsprocessen zijn onder andere zagen, slijpen, boren en polijsten. Precisiebewerking is essentieel om ervoor te zorgen dat de magneten voldoen aan de strenge maatvoeringseisen van diverse toepassingen, zoals elektromotoren en magnetische sensoren. Na de bewerking ondergaan de magneten een oppervlaktebehandeling om ze te beschermen tegen corrosie. Zoals eerder vermeld, omvatten veelvoorkomende oppervlaktebehandelingen nikkelplating, zinkplating, epoxycoating en aluminiumcoating. Nikkelplating (Ni-Cu-Ni) is een van de meest gebruikte behandelingen vanwege de uitstekende corrosiebestendigheid, hechting en elektrische geleidbaarheid. Epoxycoating heeft de voorkeur voor toepassingen in zware omstandigheden, omdat het een dikkere, duurzamere barrière biedt tegen vocht en chemicaliën .
2.4 Kwaliteitscontrole en testen
Kwaliteitscontrole is een cruciaal aspect van het productieproces voor NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte. Het garandeert dat de magneten voldoen aan de gespecificeerde magnetische en fysische eigenschappen. Verschillende tests worden uitgevoerd in verschillende productiefasen, waaronder grondstoftesten, poedertesten, testen van groene compactmagneten, testen van gesinterde magneten en testen van het eindproduct. Magnetische eigenschappen zoals remanentie (Br), coërciviteit (HcJ), maximaal energieproduct (BH)max en haaksheid (Hk/HcJ) worden gemeten met een hysteresisgraaf of een permeameter. Fysische eigenschappen zoals dichtheid, hardheid en afmetingen worden gecontroleerd met een densimeter, hardheidsmeter en coördinatenmeetmachine (CMM). Corrosiebestendigheid wordt geëvalueerd door middel van zoutsproeitesten, vochtigheidstesten en immersietesten. Daarnaast wordt microstructuuranalyse met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en röntgendiffractie (XRD) uitgevoerd om te garanderen dat de korrelstructuur en fasesamenstelling optimaal zijn. Magneten die niet aan de kwaliteitsnormen voldoen, worden afgekeurd of herwerkt .
3. Belangrijkste voordelen van NdFeB- magneten met een hoog Br-gehalte
3.1 Hoge magnetische energiedichtheid
Een van de belangrijkste voordelen van High Br NdFeB-magneten is hun hoge magnetische energiedichtheid, die het resultaat is van hun uitzonderlijke remanentie en maximale energieproduct. Vergeleken met andere permanente magneten, zoals ferrietmagneten, samarium-kobalt (SmCo)-magneten en alnicomagneten, bieden High Br NdFeB-magneten een veel hogere energiedichtheid, waardoor het ontwerp van kleinere, lichtere en krachtigere apparaten mogelijk is. Een High Br NdFeB-magneet met een (BH)max van 50 MGOe kan bijvoorbeeld een magnetisch veld genereren dat vele malen sterker is dan een ferrietmagneet met een (BH)max van 5 MGOe, terwijl deze slechts een fractie van het volume inneemt. Deze hoge energiedichtheid is met name gunstig in toepassingen waar ruimte en gewicht kritische beperkingen vormen, zoals in elektrische voertuigen (EV's), draagbare elektronica en componenten voor de lucht- en ruimtevaart .
3.2 Compact formaat en lichtgewicht
De hoge magnetische energiedichtheid van High Br NdFeB-magneten maakt miniaturisatie van magnetische apparaten mogelijk. Door een kleinere, lichtere High Br NdFeB-magneet te gebruiken in plaats van een grotere, zwaardere magneet van een ander type, kunnen fabrikanten de totale omvang en het gewicht van hun producten verminderen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Dit is met name belangrijk in de elektronica-industrie, waar consumenten kleinere, meer draagbare apparaten eisen, zoals smartphones, laptops en wearables. In elektrische voertuigen kan het verminderen van de omvang en het gewicht van de motor en andere magnetische componenten de energie-efficiëntie van het voertuig verbeteren en de actieradius vergroten. Ook in de lucht- en ruimtevaart dragen lichtgewicht magneten bij aan brandstofbesparing en een groter laadvermogen .
3.3 Uitstekende prestaties bij lage magnetische velden
NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte presteren uitstekend, zelfs bij lage externe magnetische velden. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen waarbij de magneet niet aan een sterk extern veld wordt blootgesteld. Hun hoge remanentie zorgt ervoor dat ze een sterk magnetisch veld behouden, zelfs wanneer het externe veld wordt verwijderd. Dit is cruciaal voor toepassingen zoals magnetische sensoren, magnetische scheiders en medische apparatuur. In een magnetische sensor die bijvoorbeeld de positie van een bewegend onderdeel detecteert, kan een NdFeB-magneet met een hoog Br-gehalte een helder en stabiel signaal genereren, zelfs bij zwakke externe magnetische interferentie. In magnetische scheiders zorgt de hoge remanentie voor een efficiënte scheiding van magnetische en niet-magnetische materialen, zelfs bij lage magnetische veldsterktes .
3.4 Kosteneffectiviteit
Ondanks hun geavanceerde prestaties zijn High Br NdFeB-magneten relatief kosteneffectief in vergelijking met andere hoogwaardige magneten, zoals samarium-kobaltmagneten. Samarium-kobaltmagneten bieden uitstekende temperatuurstabiliteit en corrosiebestendigheid, maar zijn veel duurder vanwege de schaarste en hoge kosten van samarium en kobalt. High Br NdFeB-magneten daarentegen gebruiken ijzer als primaire component, dat overvloedig en goedkoop is, waardoor ze voor de meeste toepassingen een voordeligere keuze zijn. Bovendien hebben ontwikkelingen in de productietechnologie geleid tot verbeteringen in de productie-efficiëntie en -opbrengst, waardoor de kosten van High Br NdFeB-magneten verder zijn verlaagd. Deze kosteneffectiviteit heeft ze toegankelijk gemaakt voor een breed scala aan industrieën, wat hun brede acceptatie heeft bevorderd .
4. Diverse toepassingen van NdFeB- magneten met een hoog Br-gehalte
4.1 Elektronica -industrie
De elektronica-industrie is een van de grootste afnemers van NdFeB-magneten met een hoog gehalte aan Br-kern, dankzij hun hoge magnetische prestaties en compacte formaat. Ze worden gebruikt in een breed scala aan elektronische apparaten, waaronder smartphones, tablets, laptops, camera's en hoofdtelefoons. In smartphones worden NdFeB-magneten met een hoog gehalte aan Br-kern gebruikt in de luidspreker, vibratiemotor en cameramodule. De luidspreker heeft een sterk magnetisch veld nodig om het diafragma aan te drijven, wat zorgt voor een helder en luid geluid, terwijl de vibratiemotor een magneet gebruikt om trillingen te genereren voor haptische feedback. In camera's worden magneten gebruikt in het autofocusmechanisme om de lens nauwkeurig te bewegen. NdFeB-magneten met een hoog gehalte aan Br-kern worden ook gebruikt in harde schijven (HDD's) en solid-state drives (SSD's) om de beweging van de lees-/schrijfkop te regelen, wat zorgt voor snelle en nauwkeurige gegevensopslag en -opvraging. Daarnaast worden ze gebruikt in vermogensinductoren, transformatoren en magnetische sensoren, wat de efficiëntie en prestaties van elektronische schakelingen verbetert .
4.2 Auto- industrie
De auto-industrie maakt een snelle verschuiving naar elektrificatie door en High Br NdFeB-magneten spelen een cruciale rol in deze transitie. Ze vormen een belangrijk onderdeel van de elektromotoren van elektrische voertuigen (EV's), hybride elektrische voertuigen (HEV's) en plug-in hybride elektrische voertuigen (PHEV's). De hoge remanentie en energiedichtheid van High Br NdFeB-magneten stellen elektromotoren in staat om meer vermogen te genereren met een kleiner en lichter ontwerp, wat de acceleratie, topsnelheid en energie-efficiëntie van het voertuig verbetert. Een typische EV-motor gebruikt bijvoorbeeld enkele kilo's High Br NdFeB-magneten, die in de rotor zijn geplaatst om een sterk magnetisch veld te creëren. De statorwikkelingen werken samen met dit magnetische veld om koppel te genereren en het voertuig vooruit te stuwen. High Br NdFeB-magneten worden ook gebruikt in andere auto-onderdelen, zoals stuurbekrachtigingssystemen, ABS-sensoren en elektrische remmen. In stuurbekrachtigingssystemen zorgen magneten voor een nauwkeurige en responsieve besturing, terwijl ze in ABS-sensoren de snelheid van de wielen detecteren om slippen te voorkomen .
4.3 Hernieuwbare energie- industrie
De hernieuwbare-energiesector, met name wind- en zonne-energie, is sterk afhankelijk van NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte voor efficiënte energieopwekking. In windturbines worden NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte gebruikt in synchrone generatoren met permanente magneten (PMSG's) die de rotatie-energie van de turbinebladen omzetten in elektrische energie. PMSG's bieden een hogere efficiëntie, minder onderhoud en een kleiner formaat in vergelijking met traditionele inductiegeneratoren, dankzij de hoge magnetische prestaties van NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte. De magneten zijn gemonteerd op de rotor van de generator en terwijl de rotor draait, creëren ze een roterend magnetisch veld dat een elektrische stroom induceert in de statorwikkelingen. NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte worden ook gebruikt in zonnevolgers, die de positie van zonnepanelen aanpassen om de absorptie van zonlicht te maximaliseren. De magneten helpen bij het aandrijven van de motoren die de zonnepanelen laten draaien, wat zorgt voor een nauwkeurige en efficiënte tracking. Daarnaast worden ze gebruikt in energieopslagsystemen, zoals batterijen en supercondensatoren, om de energiedichtheid en de laad-/ontlaadefficiëntie te verbeteren .
4.4 Lucht- en ruimtevaart- en defensie- industrie
De lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie vraagt om hoogwaardige materialen die bestand zijn tegen extreme omstandigheden. High Br NdFeB-magneten zijn hiervoor zeer geschikt. Ze worden gebruikt in diverse toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en defensie, waaronder vliegtuigmotoren, satellietsystemen, radarsystemen en raketgeleidingssystemen. In vliegtuigmotoren worden High Br NdFeB-magneten gebruikt in elektrische actuatoren, sensoren en generatoren, en bieden ze betrouwbare prestaties bij hoge temperaturen, hoge druk en trillingen. In satellietsystemen worden magneten gebruikt in standregelsystemen om de oriëntatie van de satelliet aan te passen, en in communicatiesystemen om de signaaloverdracht en -ontvangst te verbeteren. Radarsystemen gebruiken High Br NdFeB-magneten in de antenne en zender/ontvangercomponenten, waardoor het bereik, de resolutie en de gevoeligheid van de radar worden verbeterd. In raketgeleidingssystemen worden magneten gebruikt in gyroscopen en accelerometers om nauwkeurige navigatie- en doelinformatie te verstrekken .
4.5 Medische industrie
De medische industrie is een ander belangrijk toepassingsgebied voor NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte. Hun hoge magnetische prestaties en biocompatibiliteit (mits correct gecoat) maken ze ideaal voor diverse medische apparaten. Ze worden gebruikt in MRI-apparatuur (Magnetic Resonance Imaging), die afhankelijk is van sterke magnetische velden om gedetailleerde beelden van het menselijk lichaam te produceren. NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte worden gebruikt in de hoofdmagneet van MRI-apparatuur en genereren een statisch magnetisch veld van 1,5 T, 3,0 T of hoger, waardoor de protonen in de weefsels van het lichaam worden uitgelijnd. Wanneer een radiofrequentiepuls wordt toegepast, zenden de protonen signalen uit die door de MRI-apparatuur worden gedetecteerd, waardoor beelden van de inwendige organen en structuren worden gecreëerd. NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte worden ook gebruikt in medische pompen, zoals insulinepompen en ventriculaire assist devices (VAD's), om het pompmechanisme nauwkeurig aan te drijven. Daarnaast worden ze gebruikt in apparaten voor magnetische therapie, die magnetische velden gebruiken om verschillende aandoeningen te behandelen, zoals pijn, ontstekingen en artritis .
5. Uitdagingen en oplossingen bij het gebruik van NdFeB- magneten met een hoog Br-gehalte
5.1 Corrosiebestendigheid
Zoals eerder vermeld, zijn NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte gevoelig voor corrosie vanwege de aanwezigheid van neodymium, dat zeer reactief is. Corrosie kan leiden tot degradatie van de magnetische eigenschappen van de magneet, evenals de vorming van roest en andere corrosieproducten die de magneet en omliggende componenten kunnen beschadigen. Om deze uitdaging aan te pakken, zijn verschillende oppervlaktebehandelingstechnologieën ontwikkeld. Vernikkelen (Ni-Cu-Ni) is een veelgebruikte behandeling die een beschermende barrière vormt tegen vocht en zuurstof, en tegelijkertijd de hechting en elektrische geleidbaarheid van de magneet verbetert. Epoxycoating is een andere effectieve behandeling en biedt uitstekende corrosiebestendigheid in zware omstandigheden, zoals maritieme en chemische toepassingen. Daarnaast onderzoeken onderzoekers nieuwe oppervlaktebehandelingsmethoden, zoals atomaire laagdepositie (ALD) en fysische dampdepositie (PVD), die dunnere, gelijkmatigere coatings met verbeterde corrosiebestendigheid kunnen opleveren. Een andere aanpak is het aanpassen van de samenstelling van de magneet door elementen zoals kobalt, chroom of aluminium toe te voegen, wat de intrinsieke corrosiebestendigheid van de magneet kan verbeteren .
5.2 Temperatuurstabiliteit
NdFeB-magneten met een hoog Br-gehalte hebben relatief lage Curietemperaturen in vergelijking met andere magneten, zoals samarium-kobaltmagneten, wat hun bedrijfstemperatuurbereik beperkt. Bij hoge temperaturen neemt de coërciviteit van de magneet af, waardoor het risico op demagnetisatie toeneemt. Om de temperatuurstabiliteit te verbeteren, voegen fabrikanten vaak dysprosium of terbium toe aan de samenstelling van de magneet. Deze elementen versterken het magnetokristallijne anisotropieveld, wat de coërciviteit verbetert en de temperatuurcoëfficiënt van de coërciviteit verlaagt. Dyprosium en terbium zijn echter zeldzaam en duur, wat de kosten van de magneet kan verhogen.