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 na skalę światową.

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

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

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz technologii ich produkowania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się też z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.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

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

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem dynamicznego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom otrzymano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w pewien sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry