Neodymowe magnesy

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy, które są przyszłością magnetyzmu.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy stop znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.do góry

W jaki sposób powstały neodymowe magnesy?

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy, które miały posłużyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazywały szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magnetokrystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z etapów tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.do góry

Produkcja silnych magnesów i ich przemysłowe zastosowanie.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą, a także dostawcą takich produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesy na bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Głównymi rodzajami odbiorców stały się podmioty z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopów ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie powyższych związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także całościową wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy. W USA od wielu lat realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie neodymowych magnesów jest oparte o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie da się korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania nowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.do góry

W jakich branżach są wykorzystywane mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są firmy oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz marketing i reklama.do góry

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

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy były projektowane kolejne mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto interesujące magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Dodatkowo da się też w dowolny sposób modyfikować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry