Neodymowe magnesy

Pierwsze badania i testy nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali należących do ziem rzadkich. Na początku badań testowane stopy, jakie miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazywały szczególne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem także lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatecznym etapem tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.

Magnesy neodymowe to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, lecz wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz metod ich produkowania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy były projektowane kolejne magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego można też w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem oraz dystrybutorem takich produktów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów stosuje się głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Ważnymi odbiorcami zostały podmioty z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na rozwój projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu opierało się o dwie technologie. W Japonii stosowana jest technika spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to ciągłe dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do portfeli i torebek oraz branża reklamowa.