Wytwarzanie magnesów o dużej mocy i ich przemysłowe zastosowanie.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem oraz dostawcą takich produktów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu tych związków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz całościową wydajność silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opiera się o dwie metody. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można korygować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast regularne ulepszanie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.do góry

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy będące przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Neodymowe magnesy to obecnie najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich wytwarzania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Badania nad stworzeniem silnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane testy oraz badania nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, które miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają szczególne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magnetokrystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym etapem produkowania magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.do góry

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

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie gdy były projektowane następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Oprócz tego można też w dowolny sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowe magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Gdzie znalazły zastosowanie magnesy o dużej mocy?

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek, a także branża reklamowa.do góry