Neodymowe magnesy

Neodymowe magnesy to obecnie najmocniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak wymyślony stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz sposobów ich produkowania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w Azji. Podstawowym producentem oraz dystrybutorem tego typu wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat 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. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy projektowano następne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania mocnych neodymowych magnesów polega 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, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors metodą dynamicznego schładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Dodatkowo można również w szerokim zakresie regulować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, powstają nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy metali, które chciano użyć do produkcji silnych magnesów, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe mają w składzie obok żelaza także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Finalnym etapem produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745^oC.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing i reklama.