Silne magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to dziś najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, podczas spiekania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w Azji. Podstawowym wytwórcą i dystrybutorem takich wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Głównymi odbiorcami są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W USA od dawna realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zatrzaski do portfeli oraz torebek oraz reklama oraz marketing.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy były projektowane następne silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas cechy neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM sposobem szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w pewien sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, powstają coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad materiałami nadającymi się do stworzenia silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które planowano zastosować do wytwarzania silnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatecznym etapem produkcji silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.