Mocne magnesy neodymowe - jak powstały?

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy projektowano następne silne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą dynamicznego schładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom uzyskano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można też w dowolny sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Jak powstają silne magnesy neodymowe?

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami które mogłyby się nadawać do produkcji silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie badane materiały, jakie miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazywały szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745^oC.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i ich przemysłowe zastosowanie.

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane głównie w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą, a także dystrybutorem tego typu produktów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesy oparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Ważnymi odbiorcami zostały podmioty z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie powyższych związków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów. W 2011 roku zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów neodymowych oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika szybkiego chłodzenia. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

W jakich branżach są stosowane silne neodymowe magnesy?

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do galanterii oraz szeroko pojęta reklama.do góry

Magnesy nano-krystaliczne - magnesy, które określiły najbliższą przyszłość magnetyzmu.

Magnesy neodymowe to dziś najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, w czasie spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Umożliwia to doskonałe namagnesowanie neodymowych magnesów.do góry