Silne magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich produkowania.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, w czasie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Daje to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zapięcia do galanterii oraz reklama i marketing.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie kiedy projektowano coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dołożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w Azji. Głównym producentem i dostawcą tego typu wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi rodzajami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu tych substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie badań i projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu jest oparte na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od wymagań, magnesy neodymowe można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korozję. Natomiast ciągłe poprawianie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze badania oraz testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane materiały, które miały posłużyć do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim etapem tworzenia magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.