zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce neodymowe magnesy wytwarzano w zakładach firmy GM metodą szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez dołożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do portfeli i torebek oraz reklama i marketing.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem, a także eksporterem tego typu wyrobów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu 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. Podstawowymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do wytwarzania silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie tych substancji, znacznie powiększono koercję magnetyczną i całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów oraz stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, składającymi się z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy, jakie planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazują nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najmocniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz metod ich tworzenia.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez zastosowanie, w czasie wytwarzania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie magnesów neodymowych.