Magnesy

W jakich branżach wykorzystuje się silne neodymowe magnesy?

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna branża reklamowa.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem, a także dostawcą tego typu wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Podstawowymi grupami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie tych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opierało się o dwie metody. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe ulepszanie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy będące przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, ale nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, podczas produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe właściwości magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.do góry

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

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy naukowcy projektowali następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób zmieniać właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nieznane wcześniej łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Jak powstają mocne magnesy neodymowe?

Pierwsze badania i testy nad materiałami które mogłyby się nadawać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane stopy metali, jakie miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza też lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magnetokrystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatecznym etapem tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.do góry