{Magnesy neodymowe|Neodymowe magnesy|Magnesy}

Magnesy nano-krystaliczne - magnesy, które są przyszłością magnetyzmu.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe pomysły w obszarze silnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre magnesowanie magnesów neodymowych.do góry

Geneza badań nad stworzeniem mocnych magnesów neodymowych.

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, które chciano użyć do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazują nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim procesem produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.do góry

W jakich branżach wykorzystuje się magnesy o dużej mocy?

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zamykania do portfeli i torebek oraz marketing i reklama.do góry

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania?

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie gdy projektowano coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Poza tym da się też w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.do góry

Produkcja silnych magnesów i ich wykorzystanie.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w Azji. Największym producentem oraz dystrybutorem gotowych wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów stosuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi odbiorcami zostały firmy produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie powyższych związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte na dwóch metodach. W Japonii stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.do góry