Silne magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w obszarze silnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy, jakie miały posłużyć do produkcji silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z procesów produkcji magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy dostarczające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Podstawowym producentem, a także dostawcą takich produktów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Ważnymi odbiorcami zostały podmioty produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów opiera się na dwóch technologiach. W Japonii używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się kontrolować właściwości magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korozję. Natomiast ciągłe ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do opracowania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas kiedy projektowano kolejne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym da się też w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.