Magnesy

Produkowanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą i eksporterem gotowych wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Ważnymi grupami odbiorców są firmy zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych od dawna prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. W 2011 roku zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na finansowanie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu dodatkowych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korozję. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

Badania nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy, jakie miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.do góry

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

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie gdy były projektowane następne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, powstają coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Nano-krystaliczne magnesy - magnesy będące przyszłością magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to dziś najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich tworzenia.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, na etapie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne właściwości magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Umożliwia to świetne magnesowanie magnesów neodymowych.do góry

W jakich branżach są stosowane mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zapięcia do torebek, portfeli, a także szeroko pojęta reklama.do góry