Produkowanie magnesów o dużej mocy i zastosowanie ich w przemyśle.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą gotowych produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesy oparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Głównymi grupami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie powyższych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. W Stanach Zjednoczonych od dawna prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów i stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na finansowanie badań i projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się korygować właściwości magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.do góry

Nano-krystaliczne magnesy - magnesy będące przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez użycie, podczas spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie neodymowych magnesów.do góry

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

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie gdy były projektowane coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors metodą dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dołożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Gdzie są wykorzystywane mocne magnesy neodymowe?

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli, a także marketing i reklama.do góry

Jak zostały wymyślone neodymowe magnesy?

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad materiałami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy metali, które planowano zastosować do wytwarzania silnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają prócz żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.do góry