Estabilidade térmica de ímãs compósitos à base de Nd-Fe-B

Abstract

A crescente demanda tecnológica por dispositivos mais leves e miniaturizados põe os ímãs compósitos à base de Nd-Fe-B como excelentes candidatos frente a seus concorrentes ímãs de ferrites sinterizados. Os primeiros apresentam produto-energia máximo muito superior ao de seus concorrentes e inúmeras possibilidades de fabricação de ímãs em seu formato final. Entretanto, a crescente utilização destes ímãs em dispositivos elétricos tem trazido à tona a questão da estabilidade térmica destes ímãs e a ocorrência de alterações nos valores de polarização durante a vida útil destes dispositivos. O comportamento magnético deste ímã frente a exposição em temperatura durante longos períodos de tempo é pouco conhecido, acarretando em dificuldades na seleção de materiais adequados para a aplicação destes ímãs à temperaturas elevadas. Neste trabalho, o comportamento da propriedade da polarização magnética (JA) para tempos prolongados de exposição de ímãs compósitos à base de Nd-Fe-B à temperatura é estudado, de modo a aplicar um modelo matemático que permite prever esse comportamento. Para tal, foram utilizadas três classes distintas de ímãs, de forma a discorrer comparativamente sobre a estabilidade magnética das mesmas. Ímãs fabricados a partir de três classes distintas (MP1, MP2 e MP3) foram testados em ciclos de envelhecimento de 95 e 150 °C durante 1000 horas. As classes denominadas MP2 e MP3 utilizam Co (15,4% em massa) e Nb (1,8% em massa), respectivamente, em suas composições. Além disso, a superfície de suas partículas foi passivada durante o processo de produção da liga. Já a MP1 utiliza 1,8% de Co em sua composição. A JA foi apurada a partir de uma bobina de Helmholtz em diversos momentos ao longo dos ciclos. A predição dos valores desta propriedade foi realizada através de regressão linear para os tempos de 1 ano, 3 anos, 5 anos e 10 anos. Os dados estatísticos gerados pelas regressões demonstram a validade estatística destas previsões, que estimam valor de redução de JA após 10 anos em 2,8% (MP3) a 12,3% (MP1) para o ciclo de envelhecimento C1 (150 °C). A utilização de elementos de liga como Nb e Co e a superfície passivada da partícula (MP2 e MP3) mostram-se vantajosas para estabilidade térmica de ímãs compósitos à base de Nd-Fe-B pela minimização das perdas permanentes ocorridas devido a processos de degradação do ímã, que equivale a 61% das perdas totais para MP1 frente a 32% para MP3.

Abstract: The growing technological demand for lighter and miniaturized devices brings bonded magnets based on Nd-Fe-B as an excellent alternative to their competitors, the sintered ferrite magnets. The former having a much higher maximum energy product than the latter, and countless possibilities for manufacturing magnets near net shape. However, the growing utilization of this class of magnets in electronic devices brings to question its thermal stability and the changes on its polarization value during the devices? life cycle. The magnetic behavior of this magnet when exposed to temperature through long periods of time is yet little known, leading to challenges on the selection of adequate materials when this magnet is applied to high temperature situations. In this work, the behavior of the magnetic polarization (JA) property during long exposition of bonded magnets based on Nd-Fe-B to high temperature will be studied, so that a mathematical model that allows to predict this behavior can be applied. For that purpose, three distinct classes of magnets were used, so that their magnetic stability can be compared. Magnets made of three distinct classes (MP1, MP2, and MP3) were tested in aging cycles of 95 °C and 150 °C for 1000 hours. The classes named MP2 and MP3 utilize Co (15.4% wt) and Nb (1.8% wt), respectively, in their compositions. Furthermore, the surface of the particles in both these classes were passivated during the manufacturing of the alloy. The class MP1 utilizes 1.8% Co in mass in its composition. The JA was measured with a Helmholtz coil in several different moments throughout the cycles. The prediction of this property?s value was made using linear regression for life cycles of 1 year, 3 years, 5 years, and 10 years. The statistical data created by the linear regressions proves the statistical validity of these forecasts, which estimates a reduction of JA after 10 years between 2.8% (MP3) to 12.3% (MP1) for the aging cycle C1 (150 °C). The use of alloying elements such as Nb and Co and the passivated surface of the particles (MP2 and MP3) are shown advantageous for bonded magnets based on Nd-Fe-B by reducing the permanent losses due to degradation processes of the magnet, which correspond to 61% of the total losses for MP1 compared to 32% for MP3.