Neodymowe magnesy

Badania nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami metali nadającymi się do produkcji bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, jakie planowano zastosować do stworzenia magnesów o dużej mocy, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale mają charakterystyczne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem też lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magnetokrystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z etapów produkcji silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.do góry

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

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w pewien sposób zmieniać właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dołożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

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

Neodymowe magnesy to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale wymyślony skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz metod ich produkcji.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Daje to świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.do góry

W jakich branżach są stosowane mocne magnesy neodymowe?

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do torebek, portfeli oraz branża reklamowa.do góry

Produkowanie magnesów neodymowych i zastosowanie.

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem, a także dostawcą gotowych produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi rodzajami odbiorców stały się firmy zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opierało się o dwie technologie. W Japonii stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to ciągłe dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.do góry