Neodymowe magnesy

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W czasie kiedy były projektowane następne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym da się też w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dodanie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz reklama i marketing.

Pierwsze badania oraz testy nad stopami metali które mogłyby się nadawać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, które planowano zastosować do produkcji silnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazują nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają poza żelazem również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatecznym etapem tworzenia mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez użycie, w czasie produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem, a także dystrybutorem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Głównymi rodzajami odbiorców stały się podmioty zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie tych związków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję, a także wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wspieranie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, neodymowe magnesy można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie da się korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to regularne ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania różnych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.