zabawki konstrukcyjne Xlink 1024

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

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy były projektowane coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej 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, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym można też w pewien sposób modyfikować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.do góry

Analiza badań nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami które mogłyby się nadawać do wytwarzania silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali należących do ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, które chciano użyć do wytwarzania silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazują szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z procesów produkcji magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.do góry

Magnesy o strukturze nano-krystalicznej - magnesy, które są przyszłością współczesnego magnetyzmu.

Magnesy neodymowe to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany do tej pory materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w zakresie magnesów o dużej sile oraz technik ich produkcji.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, na etapie wytwarzania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe parametry magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Gdzie są stosowane silne neodymowe magnesy?

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do torebek, portfeli, a także branża reklamowa.do góry

Produkcja magnesów neodymowych i zastosowanie ich w przemyśle.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem, a także eksporterem takich wyrobów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Głównymi grupami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwój zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się o dwie metody. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korozję. Za to systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do otrzymania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.do góry