Gdzie wykorzystuje się magnesy o dużej mocy?

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek oraz marketing i reklama.do góry

Kiedy zostały wymyślone magnesy o dużej sile?

Pierwsze znane badania i testy nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy, które miały posłużyć do stworzenia mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione mają szczególne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a poza tym dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie ich w przemyśle.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem i eksporterem takich wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów stosowane są głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesy oparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu powyższych pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwój projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

Magnesy nano-krystaliczne - magnesy, które są przyszłością magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz technologii ich produkowania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, na etapie spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.do góry

Silny magnes neodymowy - stop żelaza, boru i neodymu - jak został wymyślony?

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy projektowano coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM sposobem szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w szerokim zakresie regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry