Wytwarzanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie ich w przemyśle.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem, a także eksporterem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy stosuje się głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesy na bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi grupami odbiorców są podmioty z branży produkcyjnej, wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie tych pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych oparte zostało o dwie metody. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu regulować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast regularne dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry

W jakich branżach znalazły zastosowanie silne neodymowe magnesy?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama i marketing.do góry

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania?

Mocne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas gdy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM metodą szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Jak powstały mocne magnesy neodymowe?

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad stopami metali nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy 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 magnetykami, składającymi się z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy, jakie planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale mają szczególne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym z etapów produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.do góry

Nano-krystaliczne magnesy - magnesy będące przyszłością magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł dalsze pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technologii ich produkcji.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez zastosowanie, w czasie produkowania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne magnetyczne właściwości wynikają również z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.do góry