Magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, ale opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł następne pomysły w zakresie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich produkowania.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej budowie. Dzięki zastosowaniu, podczas wytwarzania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Umożliwia to świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym producentem oraz dostawcą tego typu produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów stosowane są przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców zostały podmioty z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i wydajność całkowitą magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. W 2011 roku zostało przyznane 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy można wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie korygować magnetyczne parametry samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to ciągłe poprawianie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii oraz reklama i marketing.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami metali które mogłyby się nadawać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy metali, które chciano użyć do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazują nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z procesów produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.

Silne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy naukowcy projektowali następne mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób korygować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.