Mocne magnesy neodymowe

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz technologii ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, podczas spiekania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne magnetyczne właściwości wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Głównym wytwórcą oraz dystrybutorem gotowych wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Ważnymi rodzajami odbiorców stały się podmioty z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie powyższych związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję, a także wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb oraz oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom można korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Za to regularne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do opracowania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zatrzaski do torebek, portfeli, a także branża reklamowa.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Proces produkowania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe produkowano w zakładach firmy GM metodą szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem oraz borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze znane badania i testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze materiały, jakie miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, jednak problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza także lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów 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. Finalnym z procesów tworzenia magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745°C.