MAGNESY

Wytwarzanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie ich w przemyśle.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą, a także eksporterem gotowych wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesy neodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Głównymi odbiorcami są firmy zajmujące się produkcją, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie powyższych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.do góry

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone?

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie kiedy projektowano kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w dowolny sposób regulować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy będące przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Gdzie są wykorzystywane magnesy o dużej mocy?

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też wytwarzające rozmaite przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zatrzaski do galanterii, a także szeroko pojęta reklama.do góry

Badania nad wynalezieniem silnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do stworzenia silnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad nowymi materiałami, składającymi się z metali należących do ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy, jakie zamierzano wykorzystać do stworzenia mocnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają prócz żelaza również lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z etapów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.do góry