Silne magnesy neodymowe

Pierwsze znane badania oraz testy nad materiałami nadającymi się do stworzenia magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy, które chciano użyć do stworzenia mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z procesów produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane następne silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors metodą szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów użycie boru, neodymu oraz żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodatek do puli składników boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie korygować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w warstwy ochronne zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym producentem, a także eksporterem takich wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów i materiałów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu jest oparte o dwie metody. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w USA popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się korygować magnetyczne parametry magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to ciągłe dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające rozmaite maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do torebek, portfeli, a także reklama oraz marketing.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, lecz nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze pomysły w zakresie silnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowany został materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe magnetyczne właściwości wynikają również z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Pozwala to na świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.