Nano-krystaliczne magnesy - magnesy, które są przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich produkcji.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, podczas wytwarzania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie opisywanych magnesów.do góry

Nowoczesny magnes neodymowy - stop żelaza, boru i neodymu - historia powstania?

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy naukowcy projektowali następne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym da się też w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Gdzie znalazły zastosowanie mocne magnesy neodymowe?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli i torebek oraz reklama i marketing.do góry

Badania nad wynalezieniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami metali które mogłyby się nadawać do produkcji magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy, jakie planowano zastosować do stworzenia mocnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale wykazują nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatecznym z etapów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.do góry

Produkcja magnesów o dużej mocy i ich wykorzystanie.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w Azji. Głównym wytwórcą i dostawcą gotowych wyrobów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Podstawowymi rodzajami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie tych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W USA od dawna realizowane są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało o dwie technologie. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie innych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się regulować magnetyczne właściwości magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to regularne poprawianie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry