Neodymowe magnesy

Neodymowe magnesy to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe pomysły w zakresie magnesów o dużej sile oraz metod ich tworzenia.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, w czasie wytwarzania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie gdy projektowano następne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Oprócz tego można też w pewien sposób regulować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez dołożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, które planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze 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 na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim etapem tworzenia silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe głównie na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą i dostawcą gotowych wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Głównymi grupami odbiorców stały się podmioty z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzi się badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu opierało się o dwie technologie. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się korygować właściwości magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast systematyczne ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.