Silne magnesy neodymowe

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zamykania do portfeli i torebek, a także szeroko pojęta reklama.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich wytwarzania.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, w czasie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Mocne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie kiedy projektowano kolejne silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM metodą dynamicznego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Pierwsze znane badania i testy nad materiałami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze materiały, jakie chciano użyć do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale mają charakterystyczne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają poza żelazem także lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym procesem produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym producentem i eksporterem tego typu wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Podstawowymi odbiorcami zostały przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie tych substancji, znacząco poprawiono koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W USA od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów i materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korozję. Natomiast systematyczne doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.