Silne magnesy neodymowe

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy były projektowane kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Oprócz tego da się też w szerokim zakresie regulować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dołożenie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad materiałami nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, które planowano zastosować do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają prócz żelaza też lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym z etapów tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł dalsze pomysły w zakresie silnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez użycie, podczas produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Daje to bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli oraz torebek oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dostawcą gotowych wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów stosuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Podstawowymi grupami odbiorców stały się firmy produkcyjne, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i ogólną wydajność magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów i materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na finansowanie badań oraz projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się regulować właściwości magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.