Magnesy neodymowe

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy, jakie planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Te mało znane metale mają charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Finalnym etapem tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie kiedy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces produkowania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie korygować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek oraz mórz. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też wytwarzające rozmaite przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama i marketing.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły odkrycia w zakresie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich produkcji.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą i dystrybutorem tego typu wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi odbiorcami stały się podmioty zajmujące się produkcją, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie powyższych pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. W 2011 roku zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwój projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można regulować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne dopracowywanie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.