Magnesy neodymowe

Produkcja magnesów neodymowych i zastosowanie

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

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

Magnesy neodymowe to dziś najmocniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, na etapie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe doskonałe magnesowanie przedstawianych magnesów.do góry

Badania nad wynalezieniem 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

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

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

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy projektowano następne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM metodą szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dodanie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry