Sommario
Uno sguardo pratico su come i magneti permanenti, al neodimio, alle terre rare, flessibili e in ferrite passano dallo stato di materia prima a quello di componenti finiti.
Mi occupo di magneti permanenti sin dalle prime fasi di progettazione e selezione dei materiali, passando per la produzione di campioni, il controllo qualità e la produzione vera e propria. In breve, la maggior parte dei magneti in commercio è realizzata con leghe metalliche o polveri ceramiche. Il materiale viene frantumato o macinato, modellato sotto pressione, riscaldato o unito, rifinito a misura e magnetizzato. I magneti al neodimio e alla ferrite vengono solitamente sottoposti a pressatura e sinterizzazione. I magneti flessibili vengono laminati o estrusi con gomma o plastica. I magneti naturali, ovviamente, non provengono affatto da una linea di produzione.
Questa è la spiegazione semplificata. La produzione in fabbrica raramente è così lineare.
Un lotto può avere dimensioni corrette ma una forza magnetica insufficiente. Un rivestimento può sembrare perfetto quando esce dalla fabbrica e iniziare a sfaldarsi dopo il montaggio. Un magnete molto piccolo può costare di più da produrre rispetto a uno più grande perché metà del materiale va perso durante la rettifica. Si tratta di normali problemi di produzione, non di disastri insoliti.
Tipo di magnete | Percorso produttivo di base | Un problema comune nella produzione |
Neodimio | Polvere pressata e sinterizzazione | Ossidazione, scheggiature e cedimento del rivestimento |
Samario-cobalto | Polvere pressata e sinterizzazione | Fragilità e perdita per lavorazione |
Ferrita | Pressatura e sinterizzazione a umido o a secco | Ritiro da cottura |
Magnete flessibile | Calandratura o estrusione | Spessore irregolare o scarsa adesione |
Magnete incollato | Stampaggio a iniezione o a compressione | Costi di attrezzaggio e resa magnetica inferiore |
Come vengono prodotti i magneti permanenti?
Un magnete permanente è realizzato con un materiale che continua a generare un campo magnetico anche dopo lo spegnimento dell'apparecchiatura di magnetizzazione. Il ferro comune può diventare magnetico per un certo periodo, ma un magnete permanente in commercio deve presentare una resistenza alla smagnetizzazione molto maggiore.
Il processo di produzione dipende dal materiale di cui è composto il magnete.
Per i magneti sinterizzati, i produttori preparano innanzitutto una polvere magnetica finissima. La polvere viene pressata in una forma grezza, spesso mentre un campo magnetico ne allinea i grani. Successivamente viene introdotta in un forno. Durante la sinterizzazione, le particelle si legano tra loro e il compatto diventa denso.
Si restringe anche.
Tale restringimento è uno dei motivi per cui un magnete non viene normalmente pressato fino a raggiungere le sue esatte dimensioni finali. Gli stampi devono tenere conto di ciò che accade nel forno e le superfici importanti vengono solitamente rettificate in un secondo momento.
In questa fase il pezzo può sembrare un magnete, ma spesso non è ancora magnetizzato. La magnetizzazione viene generalmente rimandata a una fase avanzata della produzione. I pezzi completamente magnetizzati sono difficili da maneggiare: si incastrano tra loro, attirano la polvere di rettifica e gli utensili e possono danneggiare i propri rivestimenti.
Questo sorprende molti acquirenti alle prime armi. Essi immaginano che il campo magnetico si sviluppi lentamente all’interno del forno. Nella maggior parte degli stabilimenti, l’impulso di magnetizzazione finale dura solo un istante.
Come vengono prodotti i magneti al neodimio?
Magneti al neodimio sinterizzati sono realizzati con una lega di neodimio, ferro e boro. È possibile aggiungere altri elementi, poiché un magnete utilizzato all’interno di un piccolo sensore a temperatura ambiente non è sottoposto alle stesse condizioni di uno installato in prossimità del rotore di un motore surriscaldato.
I metalli grezzi vengono fusi in un ambiente controllato e raffreddati fino a formare scaglie di lega. Tali scaglie vengono rese fragili — spesso ricorrendo al trattamento con idrogeno — e poi ridotte in una polvere molto fine.
Questa polvere non è un materiale che si può lasciare in giro. Reagisce facilmente con l'ossigeno e una manipolazione impropria compromette sia la sicurezza che le prestazioni magnetiche. La preparazione della polvere avviene quindi in condizioni controllate.
Successivamente, la polvere viene inserita in uno stampo e pressata. Nel caso di un magnete anisotropico, un campo esterno allinea le particelle prima o durante la compattazione. La direzione è importante. Una volta che il magnete è stato progettato e pressato per un particolare orientamento, modificare in seguito la direzione di magnetizzazione non è solitamente un’operazione semplice.
Il pezzo pressato è chiamato “green compact”. Meglio non farlo cadere. È fragile prima della sinterizzazione e rimane piuttosto friabile anche dopo, sebbene per ragioni diverse.
Una volta sinterizzato e sottoposto a trattamento termico, il magnete viene rettificato fino a raggiungere le dimensioni finali. La rettifica al diamante, il taglio a fette e il taglio a filo sono tecniche comuni. Una normale punta da trapano, invece, non lo è.
Abbiamo avuto a che fare con un piccolo magnete ad anello il cui progetto sembrava innocuo sul disegno. Il magnete presentava una parete sottile, un requisito di concentricità molto rigoroso e un bordo interno affilato. I primi campioni hanno superato il controllo dimensionale, ma diversi di essi si sono incrinati quando il cliente li ha inseriti a pressione in un alloggiamento in acciaio.
Il primo presupposto era un assemblaggio approssimativo.
È stato realizzato un nuovo campione di alloggiamento con un accoppiamento leggermente più largo. Alcuni magneti continuavano a rompersi. Abbiamo quindi aumentato lo spessore della parete dell’alloggiamento, ma il cliente desiderava mantenere la tolleranza di concentricità originale, il che significava che il costo della rettifica non migliorava quasi per nulla. La versione funzionante è stata ottenuta solo dopo aver rivisto congiuntamente l’accoppiamento, lo spessore della parete, il bordo interno e la tolleranza.
Il magnete in sé era minuscolo. Il problema, invece, non lo era affatto.
In molte applicazioni, anche i magneti al neodimio necessitano di protezione dalla corrosione. La placcatura in nichel-rame-nichel è una soluzione ben nota, ma la notorietà non equivale all’idoneità. A seconda dei requisiti relativi a umidità, salinità, temperatura, adesione e caratteristiche elettriche, si possono prendere in considerazione finiture come resina epossidica, zinco, fosfato, parilene e altre.
Un grado magnetico più elevato non può compensare un rivestimento inadeguato.
Come vengono prodotti i magneti alle terre rare?
Magneti al neodimio e magneti al samario-cobalto sono entrambi definiti magneti in terre rare. Il loro processo di produzione generale è simile: si prepara una lega, la si riduce in polvere, la si allinea e la si pressa, la si sinterizza, la si sottopone a trattamento termico e infine si leviga il materiale finito.
Ripetere ogni singolo passaggio non servirebbe a chiarire il punto più importante. Sono stati scelti per motivi diversi.
Il neodimio offre solitamente una maggiore forza magnetica in uno spazio più ridotto. Il samario-cobalto è spesso la scelta più indicata quando la temperatura di esercizio è elevata, la corrosione rappresenta un problema o la stabilità magnetica è più importante rispetto al raggiungimento del valore massimo possibile del campo magnetico superficiale.
Il samario-cobalto non è un materiale facile da lavorare. Le sezioni sottili e le caratteristiche interne complesse possono comportare rese deludenti. Sulla carta, una forma complessa potrebbe sembrare realizzabile. Il preventivo, tuttavia, a volte smorza l’entusiasmo del cliente.
In base alla nostra esperienza, la migliore progettazione di un magnete alle terre rare deriva spesso dalla semplificazione del magnete stesso e dal trasferimento di parte della complessità meccanica in un gruppo in acciaio o plastica.
Come vengono prodotti i magneti flessibili?
I magneti flessibili vengono realizzati mescolando polvere magnetica con un legante in gomma o termoplastico. Nella maggior parte dei casi si utilizza polvere di ferrite, anche se è possibile aggiungere polvere di terre rare quando è richiesta una maggiore forza.
Il composto passa attraverso dei rulli per formare lastre, oppure attraverso una matrice di estrusione per produrre nastri e profili. I magneti per guarnizioni di frigoriferi sono un esempio ben noto di prodotto ottenuto per estrusione. I magneti promozionali e le insegne magnetiche vengono solitamente realizzati a partire da lastre o rotoli.
Dopo la formatura, il materiale può essere rivestito con uno strato adesivo, una pellicola stampabile, una superficie colorata o un laminato. Queste aggiunte possono sembrare semplici, ma comportano una serie di problemi. Un adesivo che funziona bene su acciaio pulito in ambienti interni potrebbe non essere efficace su superfici verniciate a polvere, unte, curve o esposte all’esterno.
Il foglio è spesso magnetizzato con una configurazione multipolare su una delle facce. Ciò gli conferisce una buona capacità di tenuta a stretto contatto.
"Contatto stretto" è la frase chiave.
Il materiale flessibile è pratico, ma non può sostituire un magnete al neodimio sinterizzato quando il progetto prevede un ampio traferro, carichi elevati, urti ripetuti o forti vibrazioni. A volte sconsigliamo il suo utilizzo anche quando è il prodotto più facile da fornire per noi.
Come vengono prodotti i magneti in ferrite?
Magneti in ferrite Si parte principalmente dall'ossido di ferro e dal carbonato di stronzio. I materiali vengono miscelati e calcinati in modo da consentire la formazione della fase ferritica richiesta. Successivamente, il materiale calcinato viene frantumato e macinato fino a ottenere una polvere.
Alcuni magneti in ferrite vengono pressati a secco. Altri vengono pressati a umido a partire da una sospensione, mentre un campo magnetico allinea le particelle. La pressatura a umido è più lenta e meno pulita, ma può garantire un migliore allineamento e prestazioni magnetiche superiori.
I pezzi stampati vengono cotti ad alta temperatura. Nel forno subiscono un restringimento e ne escono duri, simili alla ceramica e fragili. Le superfici critiche vengono levigate, poiché i normali metodi di lavorazione non sono particolarmente efficaci sulla ferrite sinterizzata.
La ferrite non richiede solitamente il rivestimento anticorrosivo utilizzato per il neodimio. È inoltre relativamente economica. Ecco perché continua ad essere ampiamente utilizzata in altoparlanti, motori, separatori, chiusure magnetiche, giocattoli e prodotti per esterni.
È meno denso del neodimio, quindi di solito richiede più spazio.
Questo non è sempre un problema grave. Un grande anello di ferrite in un altoparlante può rappresentare una scelta commerciale più vantaggiosa rispetto a un modello più piccolo in neodimio. È il prodotto finito, non il catalogo dei magneti, a dover decidere.
Come si formano i magneti in natura?
I magneti naturali si formano senza mulini per polveri, presse, forni o dispositivi di magnetizzazione.
La magnetite è una magnetite naturalmente magnetizzata. Le rocce ricche di ferro possono acquisire e conservare il magnetismo mentre si raffreddano nel campo magnetico terrestre. Anche i forti campi magnetici locali associati ai fulmini possono magnetizzare i minerali adatti.
I magneti naturali hanno avuto un ruolo importante nella storia della navigazione e nello sviluppo della bussola. Tuttavia, non presentano caratteristiche sufficientemente uniformi in termini di potenza, composizione o forma per consentire una normale produzione industriale.
La natura non redige rapporti di ispezione.
Come vengono prodotti i magneti nelle fabbriche?
Un diagramma di flusso di un processo produttivo spesso appare semplice:
Preparazione del materiale → Formatura → Trattamento termico o polimerizzazione → Lavorazione meccanica → Rivestimento → Magnetizzazione → Controllo qualità
Il problema si verifica solitamente tra i due contenitori.
Un’operazione di rettifica lascia gli angoli scheggiati. Un dispositivo di magnetizzazione produce il numero corretto di poli, ma li posiziona con uno scostamento di alcuni gradi rispetto alla posizione richiesta. Il rivestimento si accumula all’interno di uno spazio di montaggio ristretto. Viene eseguita una prova di forza di trazione su una lastra di acciaio spessa e lucidata, mentre il prodotto effettivo del cliente utilizza una lamiera sottile verniciata.
Entrambi i risultati dei test potrebbero essere corretti. Semplicemente, non sono comparabili.
Prima di avviare la produzione su misura, questi elementi risultano più utili di un semplice disegno che riporti solo le quote:
Informazioni fornite dall'acquirente | Perché è necessario per la fabbrica |
Direzione di magnetizzazione | Determina le impostazioni di pressatura e magnetizzazione |
Temperatura di esercizio | Influisce sulla scelta del tipo di materiale |
Acciaio di accoppiamento e traferro | Modifica la forza di tenuta utilizzabile |
Ambiente di rivestimento | Aiuta a prevenire la corrosione o il distacco dell'adesivo |
Metodo di montaggio | Mette in evidenza i rischi di fessurazioni e scheggiature |
Metodo di prova prescritto | Evita disaccordi dopo la consegna |
La polarità merita un'attenzione particolare. Un campione può avere una superficie perfetta, un rivestimento corretto e una forza magnetica accettabile, ma risultare comunque inutilizzabile perché i suoi poli nord e sud sono disposti in modo errato.
Abbiamo visto che quell’errore è arrivato fino alla fase di assemblaggio. A quel punto, le spiegazioni non servono a molto. I componenti devono essere rimagnetizzati — quando il progetto lo consente — oppure sostituiti.
Allora, come vengono prodotti i magneti? Attraverso l’utilizzo di materiali controllati, la pressatura o lo stampaggio, il trattamento termico, la finitura, la magnetizzazione e i test. Ma queste fasi da sole non garantiscono un prodotto di qualità. Lo stabilimento deve anche comprendere quale funzione dovrà svolgere il magnete una volta uscito dal banco di controllo.
Un magnete al neodimio di alta qualità, se utilizzato con un tipo di acciaio non adeguato, un traferro errato o un orientamento dei poli sbagliato, può funzionare male. Un semplice magnete in ferrite, se progettato in modo ragionevole, può funzionare per anni.
La produzione è importante. Ma altrettanto importanti sono le decisioni prese prima della produzione.
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