Magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez użycie, podczas produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie neodymowych magnesów.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zamykania do torebek, portfeli, a także reklama i marketing.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem i eksporterem gotowych produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Ważnymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie powyższych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną, a także całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte o dwie metody. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można kontrolować magnetyczne parametry samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korozję. Za to systematyczne dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, które planowano zastosować do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale wykazują szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym procesem produkcji silnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy były projektowane następne silne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors metodą szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w pewien sposób korygować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.