Silne magnesy neodymowe

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie kiedy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces tworzenia silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez dołożenie warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą, a także eksporterem gotowych wyrobów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi odbiorcami zostały przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji takich stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie powyższych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzi się badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch technologiach. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania nowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz marketing i reklama.

Pierwsze znane badania i testy nad materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy metali, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazują nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatnim z etapów tworzenia magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.

Neodymowe magnesy to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie aż do 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich tworzenia.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez użycie, w czasie wytwarzania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Pozwala to na świetne magnesowanie magnesów neodymowych.