Mocne magnesy neodymowe

Pierwsze testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie badane stopy metali, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają szczególne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym procesem tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w obszarze mocnych magnesów oraz sposobów ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane głównie na kontynencie azjatyckim. Największym producentem, a także dystrybutorem gotowych produktów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Podstawowymi rodzajami odbiorców zostały podmioty produkcyjne, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu tych pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało o dwie metody. W Japonii stosowana jest technika spiekania proszków, a w USA popularność zyskała metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Natomiast systematyczne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy były projektowane coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia produkowania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM metodą szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.