I magneti permanenti sinterizzati in terre rare (o REPMs, dall’inglese “Rare Earth Permanents Magnets”), più specificamente le varietà Neodimio-Ferro-Boro (NdFeB) e Samario-Cobalto (SmCo), sono fondamentali per numerose tecnologie moderne grazie alla loro impareggiabile forza magnetica. Le loro applicazioni sono innumerevoli, dall'elettronica di consumo e dispositivi medici come le macchine per la risonanza magnetica, fino a tecnologie verdi come i motori ad alta efficienza utilizzati nei veicoli elettrici e i generatori delle turbine eoliche. Tuttavia, le straordinarie prestazioni di questi magneti non sono semplicemente il risultato della loro composizione chimica. Esse dipendono fortemente dal raggiungimento di una microstruttura precisa, che viene sviluppata principalmente attraverso un processo di metallurgia delle polveri.

 

Figura 1: I MPTR si trovano in una varietà di prodotti di consumo, dispositivi tecnologici e tecnologie verdi.

 

Questo percorso di produzione prevede diverse fasi ad alta temperatura, in particolare la sinterizzazione e trattamenti termici multi-stadio. In questo processo, i forni a vuoto rappresentano una tecnologia fondamentale. Essi forniscono la condizione di atmosfera precisamente controllata, essenziale per la densificazione e per lo sviluppo delle specifiche caratteristiche microstrutturali che conferiscono a questi materiali avanzati le loro eccezionali proprietà magnetiche. In questo articolo, esploreremo le funzioni fondamentali dei forni a vuoto nella sinterizzazione e nel trattamento termico di magneti NdFeB e SmCo ad alte prestazioni.

Metallurgia delle polveri per i magneti permanenti sinterizzati in terre rare

La produzione di magneti “REPMs” segue un processo di metallurgia delle polveri precisamente definito:

• Preparazione della lega: Le materie prime di elevata purezza vengono fuse, spesso utilizzando la fusione a induzione sotto vuoto per prevenire la contaminazione, al fine di formare una lega precursore. Per la lega NdFeB, viene frequentemente utilizzato un metodo di colata su nastro (“strip-casting”) per creare una microstruttura favorevole per le fasi successive.
• Polverizzazione: La lega viene frantumata e macinata in una polvere fine. Le leghe di NdFeB subiscono spesso la decrepitazione con idrogeno (“hydrogen decrepitation”), in cui l'idrogeno infragilisce il materiale, prima della micronizzazione a getto (“jet milling”) per ottenere particelle fini. Le leghe di SmCo vengono frantumate e macinate in modo simile.
• Pressatura: La polvere viene compattata in uno stampo con applicazione di un forte campo magnetico. Questo allinea l'asse di magnetizzazione preferenziale delle particelle, creando un magnete anisotropo con proprietà superiori in una specifica direzione.
• Sinterizzazione e Trattamento Termico: Il pezzo compattato, o “pezzo verde", viene quindi processato ad alte temperature in un forno a vuoto per raggiungere la piena densità e ottimizzare le sue proprietà magnetiche.
• Finitura: Infine, il magnete viene lavorato meccanicamente, rivestito per aumentarne la resistenza a corrosione (specialmente il NdFeB) e magnetizzato.

Sinterizzazione a vuoto per i magneti permanenti sinterizzati in terre rare

La sinterizzazione è il processo che trasforma la polvere metallica compattata in un corpo denso e solido. L'obiettivo principale è raggiungere una densificazione quasi completa, controllando la crescita dei grani e preservando la chimica del materiale. Ciò si ottiene riscaldando il materiale a una temperatura elevata, inferiore al punto di fusione della fase magnetica principale, permettendo agli atomi di diffondere attraverso i bordi di grano delle particelle e di eliminare le porosità.

• I magneti in lega NdFeB vengono tipicamente sinterizzati tra 1050°C e 1150°C.
• I magneti in lega SmCo vengono sinterizzati a temperature che vanno da 1150°C a 1250°C, a seconda del tipo specifico (SmCo5 o Sm2Co17).

L'uso di un forno a vuoto durante questa fase è indispensabile per diverse ragioni:

• Prevenire l'ossidazione: Questa è probabilmente la funzione più cruciale. Le terre rare presenti nella lega hanno un'affinità estremamente elevata con l'ossigeno. L’ossidazione di tali elementi durante la sinterizzazione porterebbe alla formazione di ossidi stabili e non magnetici, che consumerebbero la disponibilità di terre rare destinate alla fase magnetica primaria. Questo impoverimento delle fasi ricche di terre rare ai bordi dei grani, vitali per ottenere un’ottima coercitività, può degradare gravemente le proprietà magnetiche finali. Come mostrato nei diagrammi di Ellingham, gli ossidi delle terre rare sono estremamente stabili e non possono essere ridotti termicamente; pertanto, la loro ossidazione può essere prevenuta solo minimizzando la pressione parziale dell'ossigeno, un compito per il quale sono necessari forni ad alto vuoto.
• Promuovere il degasaggio: I compatti "verdi" possono contenere gas intrappolati dalle fasi di lavorazione precedenti, come l'idrogeno derivante dal processo di decrepitazione con idrogeno utilizzato nella produzione di NdFeB. Questo processo è anche noto come "deidrogenazione". La sinterizzazione sotto vuoto aiuta a rimuovere efficacemente questi gas intrappolati, il che porta a una minore porosità finale e a una maggiore densità.
• Uniformità della temperatura: Raggiungere una temperatura uniforme in tutto il volume di lavoro del forno è fondamentale, specialmente per la sinterizzazione in fase liquida comune nei magneti NdFeB. In questi magneti, la fase intergranulare ricca di Nd ha un punto di fusione più basso e forma un liquido durante la sinterizzazione. Questo liquido bagna i grani principali di Nd₂Fe₁₄B, migliorando il processo di densificazione. I forni a vuoto, nei quali la modalità principale di trasmissione del calore è l’irraggiamento, permettono di ottenere un’uniformità di temperatura estremamente accurata, assicurando che l'intero lotto sinterizzi in modo consistente.

 

Figura 2: Magneti permanenti sinterizzati in terre rare. (Per gentile concessione di MP Materials Corp.)

 

Trattamento termici multi-stadio: ingegnerizzare le proprietà magnetiche

Mentre la sinterizzazione conferisce ai componenti la loro massima densità, la microstruttura del magnete post-sinterizzazione non è ancora ottimizzata per un'elevata coercitività. Questo risultato si ottiene invece attraverso trattamenti termici multi-stadio definiti, che vengono quasi sempre eseguiti in forni a vuoto per proteggere le delicate microstrutture in via di sviluppo. L'obiettivo primario è modellare la natura e la distribuzione delle fasi ai bordi dei grani e, in alcuni casi, indurre una precipitazione specifica all'interno dei grani stessi.

Per i magneti in NdFeB, il trattamento termico comporta tipicamente una o più fasi di ricottura, più specificamente una prima ricottura ad alta temperatura (800-900°C), seguita da una tempra rapida in gas inerte ad alta pressione per omogeneizzare la microstruttura. Questa tempra rapida è vitale per "congelare" la microstruttura ottimizzata raggiunta alla temperatura di ricottura. Viene quindi eseguita una seconda ricottura a temperatura più bassa (480-600°C) per promuovere il livellamento dei bordi dei grani e migliorare le prestazioni magnetiche.

 

Figura 3: Profilo di trattamento termico tipico per i magneti in NdFeB.

 

Anche i magneti di tipo SmCo richiedono un ciclo di trattamento termico attentamente controllato per ottenere proprietà magnetiche ottimali. Per i magneti SmCo₅, questo consiste tipicamente una ricottura a circa 850°C, seguita da una tempra rapida con gas inerte ad alta pressione. I magneti Sm₂Co₁₇ subiscono un trattamento iniziale di solubilizzazione a circa 1150°C. Dopo la tempra rapida in gas inerte ad alta pressione, i magneti vengono riscaldati nuovamente a 800–900°C per una fase finale di invecchiamento isotermico che promuove le caratteristiche microstrutturali e magnetiche desiderate.

 

Figura 4: Profilo di trattamento termico tipico per i magneti Sm2Co17.

 

Le tecnologie abilitanti e la via per il futuro

Anche se la sinterizzazione e il trattamento termico a vuoto per i magneti permanenti in terre rare sono processi ormai consolidati, la sfida principale per i produttori di forni a vuoto nel mercato odierno, segnato dall'incertezza della catena di approvvigionamento e da una domanda in rapida evoluzione, sarà adattare questi metodi convenzionali per soddisfare i nuovi requisiti di produzione su scala industriale. Tali requisiti esigono maggiore produttività, ripetibilità impeccabile e automazione avanzata.

Infatti, il metodo di produzione standard per questi magneti si basa sulla lavorazione a lotti (batch), in cui i pezzi vengono trasferiti manualmente tra le attrezzature dopo ogni fase. Questo approccio convenzionale non solo richiede alta disponibilità di manodopera, ma introduce anche rischi significativi come la contaminazione atmosferica e scarsa ripetibilità di processo, creando un collo di bottiglia che impedisce una produzione efficiente e ad alti volumi.

 

Figura 5: Un'installazione TAV VACUUM FURNACES per la produzione di magneti permanenti sinterizzati in terre rare, con sistema di carico/scarico automatico. (Per gentile concessione di MP Materials Corp.)

 

Per superare queste limitazioni e soddisfare la crescente domanda globale, l'industria deve passare a un'automazione completa. Questo cambiamento strategico si concentra sull'implementazione di tecnologie integrate, come forni a vuoto multicamera e sistemi multi-stazione con traslatori automatici, che consentono una linea di produzione fluida e ad alta produttività, garantendo al contempo ripetibilità ed efficienza costanti.