Magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę proszków samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, na etapie produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zatrzaski do torebek, portfeli oraz branża reklamowa.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy projektowano następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w szerokim zakresie regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane poprzez dodanie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą oraz dystrybutorem tego typu produktów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi rodzajami odbiorców zostały firmy z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej związków, znacznie powiększono koercję magnetyczną oraz całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy. W USA już od dawna prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów oraz stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wsparcie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwsze badania i testy nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy metali, które miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym procesem produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.