Neodymowe magnesy

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze materiały, które zamierzano wykorzystać do stworzenia mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim z etapów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy oparte o samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Poza tym można też w dowolny sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek oraz mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru oraz żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technologii ich produkowania.
Opracowano materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkowania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane głównie w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą oraz eksporterem tego typu wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Głównymi odbiorcami są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i całościową wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne 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 blisko 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można regulować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korozję. Natomiast regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zamykania do portfeli i torebek oraz szeroko pojęta reklama.