Mocne magnesy neodymowe

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors techniką dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w pewien sposób regulować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dołożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące rozmaite maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli, a także marketing i reklama.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Głównym producentem oraz eksporterem takich produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji silnych magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały podmioty z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie tych pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. W USA od dawna prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a w USA popularna jest technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu innych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można regulować właściwości magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania różnych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze znane badania i testy nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane stopy, które miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza też lekkie lantanowce, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z etapów tworzenia mocnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł następne pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkcji.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, w czasie wytwarzania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.