NEODYMOWE MAGNESY

Wytwarzanie magnesów o dużej mocy i ich przemysłowe zastosowanie.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym producentem i eksporterem takich produktów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi odbiorcami zostały firmy zajmujące się produkcją, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte o dwie metody. W Japonii stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie da się regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe poprawianie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.do góry

Gdzie wykorzystuje się silne neodymowe magnesy?

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do galanterii, a także marketing i reklama.do góry

Mocny magnes neodymowy - stop żelaza, boru i neodymu - historia powstania?

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors sposobem szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy, które określiły najbliższą przyszłość magnetyzmu.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką 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 wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technik ich produkowania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, na etapie spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Umożliwia to świetne magnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Badania nad wynalezieniem silnych magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami które mogłyby się nadawać do stworzenia silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli badania nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na samym początku testowane materiały, jakie planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Finalnym procesem tworzenia magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.do góry