W jakich branżach wykorzystuje się mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające rozmaite maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do galanterii, a także reklama i marketing.do góry

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

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy były projektowane coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość uzyskano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Jak powstają silne magnesy neodymowe?

Pierwsze znane testy oraz badania nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, składającymi się z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, jakie miały posłużyć do produkcji silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim etapem produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i ich przemysłowe zastosowanie.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dystrybutorem takich wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Głównymi odbiorcami stały się firmy zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu powyższych związków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna realizowane są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na finansowanie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch metodach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się regulować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korozję. Za to regularne ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry

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

Magnesy neodymowe to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w zakresie silnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe właściwości magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie magnesów neodymowych.do góry