MAGNESY NEODYMOWE

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone?

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie kiedy naukowcy projektowali następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w pewien sposób korygować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowe rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Analiza badań nad wynalezieniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku testowane materiały, które miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza także lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Finalnym z procesów produkowania mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.do góry

Gdzie są wykorzystywane mocne magnesy neodymowe?

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli, a także marketing i reklama.do góry

Magnesy nano-krystaliczne - magnesy będące przyszłością magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich produkowania.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz mniej uporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Daje to bardzo dobre magnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i ich przemysłowe zastosowanie.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Podstawowym wytwórcą, a także dystrybutorem tego typu wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców stały się firmy produkcyjne, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu powyższych substancji, znacznie powiększono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry