Neodymowe magnesy

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy projektowano następne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie korygować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą oraz dostawcą gotowych produktów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze badania i testy nad stopami nadającymi się do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy metali, jakie zamierzano wykorzystać do produkcji silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają prócz żelaza też lekkie lantanowce, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym procesem produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745^oC.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak nowo opracowany materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze pomysły w obszarze magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Daje to doskonałe magnesowanie neodymowych magnesów.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing i reklama.