Magnesy neodymowe

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

Magnesy neodymowe to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, ale wymyślony skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, w czasie wytwarzania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Pozwala to na bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.do góry

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

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy były projektowane coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Dodatkowo można też w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Geneza badań nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy, jakie planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie prócz żelaza również lekkie lantanowce, zapewniając im dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatnim z procesów produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.do góry

Gdzie znalazły zastosowanie magnesy o dużej mocy?

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są firmy sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do portfeli i torebek oraz marketing i reklama.do góry

Produkcja magnesów o dużej mocy i ich przemysłowe zastosowanie.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w Azji. Największym producentem i dystrybutorem tego typu produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Ważnymi grupami odbiorców zostały firmy z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie tych substancji, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu jest oparte na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do otrzymania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.do góry