Magnesy

Produkowanie magnesów neodymowych i zastosowanie ich w przemyśle.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Głównym wytwórcą i eksporterem takich produktów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów stosuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie tych pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną i ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu innych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

Analiza badań nad wynalezieniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami metali nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali należących do ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, jakie chciano użyć do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe cechy, takie jak silne namagnesowywanie, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim procesem produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.do góry

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

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie gdy były projektowane następne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość uzyskano dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Magnesy nano-krystaliczne - magnesy, które określiły najbliższą przyszłość magnetyzmu.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technologii ich produkowania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, na etapie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się też z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Umożliwia to świetne magnesowanie przedstawianych magnesów.do góry

W jakich branżach są stosowane silne neodymowe magnesy?

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy dostarczające różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do galanterii, a także szeroko pojęta reklama.do góry