Silne magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli badania nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze materiały, które chciano użyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale mają szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie prócz żelaza także dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatnim procesem produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Magnesy neodymowe to obecnie najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, lecz wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł dalsze odkrycia w obszarze silnych magnesów oraz metod ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Możliwe będzie dzięki temu świetne magnesowanie magnesów neodymowych.

Aktualnie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą i eksporterem takich wyrobów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są podmioty produkcyjne, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie powyższych związków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W USA od dawna realizowane są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów i materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów oraz badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch technologiach. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika szybkiego chłodzenia. W zależności od potrzeb, magnesy neodymowe można również wytwarzać przy użyciu innych stopów, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie regulować magnetyczne parametry magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające rozmaite przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie kiedy projektowano następne mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto interesujące cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.