Magnesy neodymowe

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania?

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie gdy były projektowane coraz to nowe magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

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

Magnesy neodymowe to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, na etapie produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.do góry

Gdzie wykorzystuje się silne neodymowe magnesy?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy dostarczające rozmaite przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do portfeli i torebek, a także szeroko pojęta reklama.do góry

Wytwarzanie magnesów neodymowych i ich przemysłowe zastosowanie.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem, a także dystrybutorem gotowych produktów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesy na bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Głównymi odbiorcami zostały firmy z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i wydajność całkowitą magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opierało się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom można kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Za to systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry

Jak powstają mocne magnesy neodymowe?

Pierwsze znane badania i testy nad stopami metali nadającymi się do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, jakie miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych 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 na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatecznym z etapów produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745^oC.do góry