Silny magnes neodymowy - stop żelaza, boru i neodymu

Magnesy neodymowe, zwane również magnesami ziem rzadkich, wykonane z połączenia neodymu, żelaza i boru, są najsilniejszymi magnesami na świecie. Skład magnesu neodymowego to w większości żelazo oraz około 15% neodymu i do 8% boru. Daje to bardzo podatny stop metali na silne pole magnetyczne. Zastosowań magnesów neodymowych, jest niezliczona ilość. Praktycznie każda z dziedzin przemysłu opiera się o wykorzystanie magnesów neodymowych. Ich niebywałą zaletą, jest wyjątkowa trwałość na przemijający czas. Magnes neodymowy został stworzony po raz pierwszy w 1983 roku, gdy odkryto bardzo interesujące właściwości magnetyczny związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Główną zaletą wykorzystania tego połączenia, było przede wszystkim wyjątkowo niska cena neodymu oraz jego wyższe właściwości magnetyczne w porównaniu z innym metalem - samarem. Jednak jego temperatura Curie jest o wiele niższa, dlatego do podniesienia temperatury Curie do 530^oC osiągnięto przez dodanie boru do stopu. do góry

Badania nad stworzeniem silnych 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

Magnesy nanokrystaliczne - magnesy, które określiły najbliższą przyszłość magnetyzmu.

Magnesy neodymowe to obecnie najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Istnieją również magnesy przyszłości, które powstały już w 1990 roku w Trinity College w Dublinie. Michael Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm2Fe17N2.

Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem - azotem, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony w żaden sposób do poziomu magnesu neodymowego, jednak nowo opracowany skład samaru, znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek.

Koniec XX wieku przyniósł kolejne odkrycia w dziedzinie silnych magnesów oraz technologii ich wytwarzania.

Opracowano nowy, nano krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze, a dzięki zastosowaniu, podczas produkcji magnesów nano krystalicznych, stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy - ferromagnetycznego sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre możliwości namagnesowania magnesów neodymowych.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

Produkcja magnesów na skalę światową.

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