Neodymowe magnesy

Badania nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, jakie chciano użyć do produkcji silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, jednak problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym z procesów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745^oC.do góry

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania?

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors metodą dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego boru. Poza tym da się też w dowolny sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

W jakich branżach wykorzystuje się mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej oraz wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz rzecz jasna branża reklamowa.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie ich w przemyśle.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Głównym producentem oraz eksporterem tego typu wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i wydajność całkowitą magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast regularne doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

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

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich tworzenia.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, w czasie wytwarzania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne magnetyczne właściwości wynikają również z jeszcze jednego aspektu, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to świetne magnesowanie opisywanych magnesów.do góry