Badania nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad zbadaniem materiałów nadających się do stworzenia silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku, gdy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, w stanie Ohio (USA), postanowili rozpocząć pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali, należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo, pierwsze materiały, które miały posłużyć do stworzenia mocnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer – Ce, prazeodym – Pr, neodym – Nd, samar – Sm, lantan – La i itr – Y.

Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne zdolności i możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają prócz żelaza również lekkie lantanowce, zapewniając im dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a dodatkowo zawierają także kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie.

Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, silny magnes typu SmCo5. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania tychże wyprasek w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z jednoczesnym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatnim procesem tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wynosi około 745^oC.do góry

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

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie kiedy projektowano kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można również w pewien sposób korygować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Gdzie znalazły zastosowanie mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są firmy produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy firmy produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, odzieżowa, w szczególności odzieży medycznej, firmy produkujące zapięcia do torebek, portfeli, a także branża reklamowa.do góry

Nano-krystaliczne magnesy - magnesy, które są przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Daje to bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.do góry

Produkcja magnesów neodymowych i zastosowanie

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich, w tym największym producentem oraz eksporterem gotowych produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂, czyli magnesy neodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokimi właściwościami magnetycznymi i remanencją magnetyczną.

Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Głównymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, produkujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne, do produkcji których stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak: dysproz (Dy) czy Terb (Tb).

Dzięki zastosowaniu tych pierwiastków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy i możliwości nagrzewania do bardzo wysokich temperatur.

W USA od wielu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut - Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów. W 2011 r. ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na finansowanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.do góry