Zastosowanie spiekanych magnesów trwałych NdFeB opiera się głównie na ich właściwościach magnetycznych. Jednakże ze względu na różne środowiska i warunki użytkowania, oprócz wymagań dotyczących właściwości magnetycznych, magnesy mają również wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i chemicznych. Na przykład niektóre magnesy trwałe są stosowane w maszynach obracających się z dużą prędkością i muszą wytrzymywać duże siły odśrodkowe, są stosowane w środowiskach wibracyjnych, wytrzymują wyjątkowo duże przyspieszenia (3g ~ 5g) lub podlegają naprężeniom podczas instalowania magnesów. Może się łuszczyć, odpadać, zaokrąglać lub pękać itp., dlatego naturalne jest, że istnieją wymagania dotyczące właściwości mechanicznych magnesu.
Jakie są właściwości mechaniczne materiałów?
Właściwości mechaniczne materiałów obejmują na ogół wytrzymałość, twardość, plastyczność i wytrzymałość. Te parametry właściwości mechanicznych mają różne znaczenia fizyczne.
Wytrzymałość odnosi się do maksymalnej zdolności materiału do przeciwstawienia się niszczącemu działaniu sił zewnętrznych. Intensywność dzieli się na różne typy w zależności od różnych form siły zewnętrznej:
- Wytrzymałość na rozciąganie (wytrzymałość na rozciąganie) odnosi się do granicy wytrzymałości, gdy siła zewnętrzna jest siłą ciągnącą
- Wytrzymałość na ściskanie odnosi się do granicy wytrzymałości, gdy siłą zewnętrzną jest ciśnienie
- Wytrzymałość na zginanie odnosi się do granicy wytrzymałości, gdy siła zewnętrzna jest prostopadła do osi materiału i powoduje zginanie materiału.
Twardość odnosi się do zdolności materiału do lokalnego przeciwstawiania się twardym przedmiotom przed wciśnięciem w jego powierzchnię. Jest to wskaźnik pozwalający porównać miękkość i twardość różnych materiałów. Im wyższa twardość, tym większa odporność metalu na odkształcenia plastyczne.
Plastyczność odnosi się do zdolności materiału stałego do przeciwstawiania się odkształceniom pod wpływem określonej siły zewnętrznej. Materiał może trwale odkształcić się bez zniszczenia pod działaniem siły zewnętrznej.
Wytrzymałość oznacza zdolność materiału do pochłaniania energii podczas odkształcenia plastycznego i pęknięcia. Im lepsza wytrzymałość, tym mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia kruchego pęknięcia. W materiałoznawstwie i metalurgii wytrzymałość odnosi się do odporności materiału na pękanie, gdy jest on poddawany działaniu siły powodującej jego odkształcenie. Jest to stosunek energii, jaką materiał może pochłonąć przed rozbiciem na swoją objętość.
Właściwości mechaniczne spiekanego NdFeB
Spiekany NdFeB jest materiałem kruchym. Jego właściwości mechaniczne są twarde i kruche, to znaczy wysoka wytrzymałość i niska wytrzymałość. Przed pęknięciem prawie nie występuje odkształcenie plastyczne, to znaczy pęka na etapie odkształcenia sprężystego.
Poniższy rysunek przedstawia porównanie produktu energii magnetycznej (BH)m i odporności na pękanie różnych materiałów z magnesami trwałymi. Możemy stwierdzić, że spiekany NdFeB ma najwyższy produkt energii magnetycznej (BH)m, a odporność na pękanie jest nadal porównywalna z magnesami trwałymi Sm2Tm17, SmCo5 i ferrytowymi, ponieważ wszystkie są materiałami na magnesy trwałe na bazie związków międzymetalicznych i należą do materiałów kruchych . Materiały związane z magnesami trwałymi ziem rzadkich, Fe-Cr-Co i stal magnetyczna mają najlepszą odporność na pękanie, ale ich produkt energii magnetycznej (BH)m jest znacznie niższy niż spiekany NdFeB.
W materiałach kruchych powszechnie stosuje się trzy wskaźniki do opisu właściwości mechanicznych materiału:
1. Odporność na pękanie zwykle odzwierciedla wytrzymałość, gdy pęknięcia rozszerzają się w materiale. Jednostką jest MPa·m1/2. Badanie odporności materiałów na pękanie wymaga maszyny wytrzymałościowej na rozciąganie, czujnika naprężenia, tensometru, tensometru dynamicznego wzmacniającego sygnał itp. Ponadto próbkę należy uformować w cienki arkusz.
2. Udarność (odporność na pękanie udarowe) odzwierciedla energię pochłoniętą przez materiał podczas procesu pękania pod wpływem naprężenia udarowego. Jednostką jest J/m2. Zmierzona wartość udarności jest zbyt wrażliwa na rozmiar, kształt, dokładność przetwarzania i środowisko testowe próbki, a rozproszenie zmierzonej wartości będzie stosunkowo duże.
3. Pomiar wytrzymałości na zginanie metodą trójpunktowego zginania. Ponieważ próbka jest łatwa w obróbce i prosty pomiar, najczęściej stosuje się ją do opisu właściwości mechanicznych spiekanych magnesów NdFeB.
Charakterystyka wysokiej wytrzymałości i niskiej wytrzymałości spiekanych materiałów z magnesami trwałymi NdFeB zależy od ich struktury krystalicznej. Ponadto następujące dwa czynniki wpłyną na wytrzymałość na zginanie spiekanych magnesów trwałych NdFeB i są również sposobami na poprawę ich wytrzymałości.
1. Zawartość Nd ma pewien wpływ na wytrzymałość spiekanego NdFeB. Wyniki eksperymentów pokazują, że w pewnych warunkach im wyższa zawartość Nd, tym wyższa wytrzymałość materiału.
2. Dodatek innych pierwiastków metalicznych ma pewien wpływ na wytrzymałość spiekanego NdFeB. Po dodaniu pewnej ilości Ti, Nb lub Cu poprawia się odporność magnesu trwałego na pękanie udarowe; po dodaniu niewielkiej ilości Co poprawia się wytrzymałość na zginanie magnesu trwałego.
Kompleksowe właściwości mechaniczne spiekanego NdFeB nie są wystarczająco wysokie, co jest jedną z ważnych przyczyn ograniczających jego zastosowanie na szerszych obszarach. Jeśli można poprawić wytrzymałość produktu, zapewniając jednocześnie poprawę lub niezmienione właściwości magnetyczne, sprawi to, że spiekany NdFeB w wojsku, lotnictwie i innych dziedzinach zacznie odgrywać większą rolę i wejdzie w nowy okres rozwoju.