Mocne magnesy neodymowe

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli oraz torebek oraz szeroko pojęta reklama.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technologii ich tworzenia.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkcji pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane materiały, które zamierzano wykorzystać do produkcji silnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione mają charakterystyczne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym procesem produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można również w szerokim zakresie korygować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek oraz mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w Azji. Podstawowym producentem, a także dystrybutorem takich wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów stosuje się głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców zostały podmioty z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne elektryczne oraz hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie powyższych pierwiastków, znacznie powiększono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opiera się na dwóch metodach. W Japonii stosowano metodę spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom można regulować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korozję. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe choćby od pola magnetycznego Ziemi.