Magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to dziś najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, lecz wymyślony skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas spiekania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zamykania do portfeli oraz torebek oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe głównie na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą oraz dostawcą tego typu wyrobów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji takich używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W USA już od dawna prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu dodatkowych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami nadającymi się do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, jakie miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, ale problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy mają w składzie prócz żelaza również lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z etapów produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745°C.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. Podczas kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego schładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do puli składników boru. Poza tym można również w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dodanie warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze 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, przekraczające 1,6T.