Neodym ma istotne znaczenie dla zapewnienia dużej koercji (zdolnoÅ›ci utrzymywania namagnesowania) oraz odpornoÅ›ci na wysokie temperatury. Dotychczasowe eksperymenty ze zmniejszeniem zawartoÅ›ci neodymu i zastÄ…pienie go lantanem i cerem prowadziÅ‚y do pogorszenia parametrów silnika elektrycznego. W zwiÄ…zku z tym Toyota zastosowaÅ‚a nowe rozwiÄ…zania, które zapobiegajÄ… zmniejszeniu koercji i zapewniajÄ… odporność na wysokie temperatury przy redukcji iloÅ›ci neodymu. Tak powstaÅ‚ magnes o odpornoÅ›ci na ciepÅ‚o takiej samej, jak w przypadku konwencjonalnych magnesów neodymowych, przy zawartoÅ›ci neodymu mniejszej nawet o 50 procent.
Nowy magnes Toyoty nie wykorzystuje także terbu (Tb) ani dysprozu (Dy), które sÄ… również metalami ziem rzadkich, zaliczanymi do surowców trudno dostÄ™pnych, o dużym znaczeniu do gospodarki, a które sÄ… używane w innych magnesach odpornych na wysokÄ… temperaturÄ™. Część neodymu zastÄ…piono lantanem (La) i cerem (Ce), które sÄ… taÅ„szymi metalami ziem rzadkich, zmniejszajÄ…c w ten sposób zapotrzebowanie na neodym przy produkcji silników elektrycznych.
Oczekuje siÄ™, że nowy rodzaj magnesu przyczyni siÄ™ do szerszego wykorzystania silników elektrycznych w różnych zastosowaniach, takich jak motoryzacja i robotyka, a także pomoże zachować równowagÄ™ miÄ™dzy podażą i popytem na rynku cennych metali ziem rzadkich.
Dlaczego to jest ważne?
Magnesy trwałe stosowane w silnikach elektrycznych wykorzystywanych w pojazdach powinny odznaczać się dużą koercją (zdolnością zachowania namagnesowania) nawet w wysokich temperaturach. Dlatego około 30 procent ich składu stanowią metale ziem rzadkich.
Gdy silne magnesy neodymowe majÄ… pracować w wysokiej temperaturze, co ma miejsce w przypadku silników dla pojazdów, skÅ‚ad magnesów wzbogaca siÄ™ o terb i dysproz, co poprawia koercjÄ™ w wysokich temperaturach. Jednak te dwa pierwiastki sÄ… trudno dostÄ™pne i drogie, dlatego rozpoczÄ™to intensywne badania nad stworzeniem magnesów niewykorzystujÄ…cych tych metali, które wÅ‚aÅ›nie zakoÅ„czyÅ‚y siÄ™ sukcesem.
Åšwiatowa produkcja neodymu jest stosunkowo duża w stosunku do innych metali ziem rzadkich, jednak istniejÄ… obawy, że wzrost popytu na pojazdy elektryczne i hybrydowe może doprowadzić do niedoborów i wzrostu cen tego surowca. Co wiÄ™cej, aż 80 procent Å›wiatowej produkcji kontroluje jeden kraj – Chiny, dlatego trudno siÄ™ dziwić, że firmy technologiczne z innych krajów szukajÄ… sposobów na uniezależnienie siÄ™ od tego potężnego dostawcy. ZastÄ…pienie części neodymu lantanem i cerem, które sÄ… stosunkowo Å‚atwo dostÄ™pnymi i niedrogimi metalami ziem rzadkich, pozwoli rozwiÄ…zać ten problem.
Jak to jest zrobione?
Nowe wysokotemperaturowe magnesy o obniżonej zawartoÅ›ci neodymu zachowujÄ… koercjÄ™ w wysokich temperaturach dziÄ™ki poÅ‚Ä…czeniu trzech technologii – zmniejszeniu wielkoÅ›ci ziaren magnesu, dwuwarstwowej strukturze ziaren i odpowiednio dobranej iloÅ›ci lantanu i ceru.
Naukowcy Toyoty zmniejszyli wielkość ziaren magnesu do jednej dziesiÄ…tej wielkoÅ›ci znanej z konwencjonalnych magnesów neodymowych. JednoczeÅ›nie zwiÄ™kszyli obszar brzegowy ziaren.
Dwuwarstwowa struktura ziaren umożliwia lepsze wykorzystanie neodymu. Inżynierowie zwiÄ™kszyli jego koncentracjÄ™ na powierzchni ziaren magnesu, co pozwoliÅ‚o zwiÄ™kszyć koercjÄ™ i ograniczyć jego koncentracjÄ™ wewnÄ…trz ziaren. Efektem jest zmniejszenie caÅ‚kowitej iloÅ›ci neodymu użytego w nowym magnesie. Dla porównania, w konwencjonalnych magnesach neodymowych ziarna majÄ… strukturÄ™ jednorodnÄ… pod wzglÄ™dem iloÅ›ci neodymu i w wielu przypadkach jest go nawet wiÄ™cej, niż potrzeba dla zachowania koercji.
Domieszki lantanu i ceru nie zawsze poprawiaÅ‚y wÅ‚asnoÅ›ci magnesów neodymowych, czÄ™sto powodujÄ…c wrÄ™cz ich drastyczne pogorszenie. Po przebadaniu wielu różnych stopów, badaczom Toyoty udaÅ‚o siÄ™ dobrać odpowiednie proporcje, przy których dodanie lantanu i ceru zminimalizowaÅ‚o spadek koercji w wysokich temperaturach.
Co dalej?
Zdaniem Toyoty nowy magnes znajdzie wiele zastosowaÅ„ w maszynach elektrycznych o stosunkowo dużej mocy, takich jak silniki i generatory dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych, elektryczne ukÅ‚ady wspomagania kierownicy, roboty i rozmaite urzÄ…dzenia domowe. Nowe magnesy przyczyniÄ… siÄ™ również do zwiÄ™kszenia stabilnoÅ›ci podaży i popytu metali ziem rzadkich i zmniejszenia ryzyka wzrostu ich cen. W dalszych krokach Toyota bÄ™dzie kontynuować prace badawczo-rozwojowe z myÅ›lÄ… o praktycznym wykorzystaniu nowego odkrycia, dokonywać oceny możliwoÅ›ci zastosowania w pojazdach oraz rozwijać technologie, które pozwolÄ… rozpocząć taniÄ… i stabilnÄ… produkcjÄ™ masowÄ….
Toyota spodziewa siÄ™, że w pierwszej poÅ‚owie przyszÅ‚ej dekady nowe magnesy trafiÄ… do silników elektrycznych ukÅ‚adów wspomagania kierownicy oraz do innych zastosowaÅ„, zaÅ› w elektrycznych silnikach napÄ™dowych znajdÄ… zastosowanie w ciÄ…gu kolejnych 10 lat.