Introduzione
I magneti al neodimio-ferro-boro (dFeB) sono tra i magneti permanenti più potenti e trovano ampio impiego in motori elettrici, generatori, sensori, attuatori e componenti avanzati per i settori automobilistico, energetico ed elettronico [1]. Le loro prestazioni sono strettamente legate alla loro Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica e alle trasformazioni di fase che si verificano a temperature elevate, il che rende indispensabile una caratterizzazione termica affidabile per lo sviluppo dei materiali, la garanzia della qualità e l’ottimizzazione dei processi.
Uno dei principali vantaggi dell’analisi termica simultanea (STA) consiste nel fatto che essa combina la termogravimetria (TGA) e la calorimetria a scansione differenziale (DSC) in un unico esperimento in condizioni identiche. Ciò consente di valutare direttamente le variazioni di massa e gli effetti termici l’uno rispetto all’altro, il che risulta particolarmente utile per materiali complessi quali le polveri magnetiche NdFeB. In pratica, ciò significa che i processi relativi alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, alle Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase, ai fenomeni di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione e agli effetti legati all’OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione possono essere distinti con maggiore sicurezza. Per gli utenti industriali, ciò si traduce in una valutazione dei materiali più rapida e affidabile, in minori incertezze nell’interpretazione dei dati e in una base più solida per la qualificazione specifica per ciascuna applicazione.
Sperimentale
Il campione di NdFeB è stato analizzato utilizzando uno strumento STA della serie Jupiter® di NETZSCH. Le misurazioni sono state sottoposte a correzione della linea di base e calibrate in funzione della temperatura e del flusso termico. I parametri di misurazione sono elencati nella tabella 1.
Tabella 1: Parametri di misura della misurazione STA
| Massa del campione: | ~ 15 mg |
| Crogiolo: | Pt/Rh, 85 µl con rivestimentoin Al₂O₃ e coperchio forato |
| Supporto del campione: | TG-DSCCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp, tipo S |
| Programma di temperatura: | da temperatura ambiente a 1500 °C, 20 K/min |
| Atmosfera: | argon, 70 ml/min |
Risultati e discussione
Il risultato della misurazione TGA-DSC è illustrato nella Figura 1. La massa del campione di NdFeB rimane costante nell’intervallo di temperatura esaminato, indicando che non si verifica alcuna perdita di massa rilevante in presenza di argon. Si tratta di un risultato importante poiché dimostra che gli eventi termici osservati nel segnale DSC non sono associati a un degrado misurabile del materiale, ma riflettono invece cambiamenti intrinseci all’interno del campione.
A temperature più elevate, la curva DSC mostra due effetti endotermici. Il primo si presenta come un picco relativamente s small e con inizio a 1072 °C, un picco massimo a 1083 °C e un’entalpia di reazione pari a 12,25 J/g. Un secondo picco, più ampio, ha inizio a 1145 °C e raggiunge il suo massimo a 1162 °C, con un’entalpia di reazione pari a 180,6 J/g.
I risultati della STA indicano che l’effetto termico minore è molto probabilmente associato a una trasformazione precoce di un costituente minore o di una fase secondaria a basso Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione. Al contrario, il picco più ampio suggerisce una trasformazione importante ad alta temperatura, potenzialmente correlata alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione o alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione parziale di fasi all’interno del sistema NdFeB. Tale comportamento è coerente con la microstruttura multifase dei magneti tecnici NdFeB, che tipicamente contengono la faseNd₂Fe₁₄Ba magnetismo duro, fasi intergranulari ricche di Nd e ulteriori costituenti secondari a seconda della composizione della lega e della sua storia di lavorazione [2].
Poiché tali effetti non sono accompagnati da una perdita di massa rilevabile, i dati avvalorano l’interpretazione secondo cui si tratta di eventi termici legati alle fasi piuttosto che di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazioni di decomposizione. Allo stesso tempo, non è possibile effettuare un’attribuzione precisa delle fasi basandosi esclusivamente sui dati STA. Per un’identificazione definitiva delle trasformazioni sottostanti, si raccomandano tecniche complementari quali la diffrazione dei raggi X ad alta temperatura, l’analisi metallografica dopo un trattamento termico definito o la correlazione con i dati del diagramma di fase specifici della lega.
Il debole effetto EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico a 275 °C può essere attribuito alla transizione di Curie. Sebbene il segnale sia debole, tale effetto può comunque essere rilevato mediante DSC. Inoltre, è possibile collegare allo STA un accessorio per il campo magnetico esterno a scopo di verifica; la transizione da ferromagnetico a paramagnetico verrà rilevata sotto forma di un segnale di variazione apparente di massa (cfr. Figura 2).
Sintesi
Per la caratterizzazione termica delle polveri magnetiche NdFeB, la serie STA Jupiter® di NETZSCH offre evidenti vantaggi analitici: consente infatti di rilevare simultaneamente eventuali variazioni di massa ed effetti termici in un’unica misurazione, permettendo agli utenti di distinguere con elevata affidabilità tra processi di degrado e vere e proprie trasformazioni di fase. Ciò rende il sistema particolarmente prezioso per lo sviluppo dei materiali, il confronto tra lotti, il controllo qualità, l’analisi dei guasti e l’ottimizzazione delle condizioni di trattamento termico.
Inoltre, la transizione di Curie può essere rilevata sia nel segnale DSC che in quello TGA utilizzando magneti esterni. Tali magneti non sono inclusi nella dotazione standard, ma sono disponibili per l’acquisto come accessori opzionali.
La serie STA Jupiter® aiuta i clienti a generare dati termici affidabili e rilevanti per l’applicazione in modo più rapido e con maggiore certezza interpretativa, favorendo decisioni più oculate sui materiali e una progettazione dei processi più solida per applicazioni avanzate con polveri magnetiche NdFeB.