magnesy neodymowe

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

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne odkrycia w zakresie magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się też z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Pozwala to na bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Analiza badań nad wynalezieniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy metali, które planowano zastosować do stworzenia silnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazywały szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magnetokrystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z etapów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.do góry

Gdzie wykorzystuje się magnesy o dużej mocy?

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zapięcia do torebek, portfeli oraz marketing i reklama.do góry

Silne magnesy neodymowe - historia powstania?

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy naukowcy projektowali następne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego boru. Dodatkowo można też w dowolny sposób modyfikować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Produkcja magnesów neodymowych i ich przemysłowe zastosowanie.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem oraz dystrybutorem gotowych produktów są Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Ważnymi grupami odbiorców zostały firmy produkcyjne, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu tych pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna realizowane są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie metody. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od wymagań, neodymowe magnesy można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można korygować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry