zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors sposobem dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak 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 boru. Oprócz tego można też w pewien sposób regulować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy, które zamierzano wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają prócz żelaza także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym etapem produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Głównym wytwórcą, a także eksporterem tego typu produktów są Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców zostały firmy z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki użyciu wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono magnetyczną koercję i całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów i materiałów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwój zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch metodach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. W zależności od wymagań, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu innych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korozję. Za to ciągłe poprawianie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do galanterii oraz rzecz jasna reklama i marketing.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich produkowania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, na etapie spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.