Silne magnesy neodymowe

Pierwsze znane badania oraz testy nad materiałami nadającymi się do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy, jakie miały posłużyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były tworzone o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają charakterystyczne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatecznym z etapów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna szeroko pojęta reklama.

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Największym producentem oraz dostawcą tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Ważnymi rodzajami odbiorców zostały przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od dawna realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów oraz stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się o dwie metody. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korozję. Za to systematyczne ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy neodymowe to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w obszarze silnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, podczas spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie kiedy projektowano kolejne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM sposobem szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.