Silne magnesy neodymowe

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie gdy były projektowane kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników domieszki boru. Poza tym można też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, składającymi się z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy, jakie planowano zastosować do produkcji silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Te mało znane metale wykazują charakterystyczne zdolności, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile zawierają poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z etapów produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej oraz wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zatrzaski do galanterii oraz branża reklamowa.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz eksporterem gotowych wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu powyższych związków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i ogólną wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów. Kilka lat temu zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwój badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu jest oparte o dwie technologie. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie da się kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Neodymowe magnesy to dziś najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie proszków samaru oraz żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz metod ich produkcji.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie opisywanych magnesów.