Silne magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do stworzenia silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, które zamierzano wykorzystać do produkcji silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza też lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatnim z procesów tworzenia magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Największym producentem oraz dostawcą tego typu produktów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Najważniejszymi odbiorcami są podmioty zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie powyższych substancji, znacząco poprawiono koercję magnetyczną i ogólną wydajność magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie korygować właściwości magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korozję. Natomiast regularne ulepszanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek, a także branża reklamowa.

Neodymowe magnesy to dziś najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe odkrycia w zakresie magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, na etapie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie gdy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w szerokim zakresie korygować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.