Magnesy

Nano-krystaliczne magnesy - magnesy będące przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.do góry

Produkowanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie ich w przemyśle.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Podstawowym producentem i eksporterem tego typu produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu powyższych związków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz całościową wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat realizowane są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry

W jakich branżach wykorzystuje się mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy dostarczające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zamykania do portfeli i torebek, a także reklama i marketing.do góry

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

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie kiedy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors techniką szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Oprócz tego można również w pewien sposób korygować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Badania nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy metali, które miały posłużyć do produkcji mocnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Finalnym procesem produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.do góry