Jak powstały silne magnesy neodymowe?

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy metali, które planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się 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 mają szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.do góry

Magnesy nano-krystaliczne - magnesy, które są przyszłością magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to obecnie najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł dalsze pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, w czasie spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Pozwala to na świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Produkowanie silnych magnesów i ich przemysłowe zastosowanie.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem i dostawcą tego typu produktów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesy oparte o neodym oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Głównymi odbiorcami stały się podmioty zajmujące się produkcją, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat realizowane są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na wsparcie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie metody. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne parametry samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to ciągłe poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

W jakich branżach znalazły zastosowanie mocne magnesy neodymowe?

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są podmioty oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do galanterii oraz rzecz jasna szeroko pojęta reklama.do góry

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

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy były projektowane coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors sposobem dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można też w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry