Magnesy neodymowe

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

Jak powstały silne magnesy neodymowe?

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

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

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

Silny magnes neodymowy - stop żelaza, boru i neodymu

Podczas gdy projektowano kolejne, silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach.

W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors metodą szybkiego schładzania materiału stopionego proszku izotropowego własnej produkcji. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym posiada wyższe właściwości magnetyczne oraz podatność na namagnesowanie, jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom temperatury dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób regulować i korygować właściwości magnetyczne dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych pierwiastków, w tym: gal – Ga, miedź – Cu, niob – Nb i aluminium – Al. Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych, w tym wody poprzez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe stopy i łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry