Silne magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do produkcji bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, które miały posłużyć do produkcji silnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym procesem produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz eksporterem takich produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Ważnymi grupami odbiorców zostały firmy z branży produkcyjnej, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki użyciu wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie innych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można korygować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne doskonalenie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy projektowano następne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników boru. Poza tym da się też w dowolny sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zamykania do galanterii oraz branża reklamowa.

Magnesy neodymowe to obecnie najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak opracowany wtedy materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz technik ich wytwarzania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, w czasie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.