magnesy

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak powstały?

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy były projektowane następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego można też w pewien sposób zmieniać parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, powstają nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Wytwarzanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą oraz dystrybutorem tego typu wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Ważnymi odbiorcami zostały przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów i stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opiera się o dwie metody. W Japonii stosowana jest technika spiekania proszków, a w USA popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.do góry

Badania nad stworzeniem silnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które zamierzano wykorzystać do stworzenia silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają prócz żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatecznym etapem produkcji magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745^oC.do góry

Gdzie znalazły zastosowanie mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też dostarczające rozmaite maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz rzecz jasna branża reklamowa.do góry

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

Magnesy na bazie neodymu to dziś najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technik ich tworzenia.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.do góry