Neodymowe magnesy

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy, które są przyszłością magnetyzmu.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz metod ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej budowie. Poprzez użycie, na etapie produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Umożliwia to doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.do góry

Jak powstały silne magnesy neodymowe?

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami metali które mogłyby się nadawać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, które zamierzano wykorzystać do produkcji mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale mają charakterystyczne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, jednak problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają prócz żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Finalnym etapem produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.do góry

Gdzie są wykorzystywane mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są firmy produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do portfeli i torebek, a także branża reklamowa.do góry

Silny magnes neodymowy - stop żelaza, boru i neodymu - jak został wymyślony?

Silne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. 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 borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można też w dowolny sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Wytwarzanie silnych magnesów i zastosowanie ich w przemyśle.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Podstawowym producentem i dystrybutorem takich produktów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców są podmioty produkcyjne, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu tych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W USA już od wielu lat prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od wymagań, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korozję. Natomiast ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania nowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.do góry