Mocne magnesy neodymowe

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami metali które mogłyby się nadawać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy metali, jakie planowano zastosować do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazują nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem także lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, lecz opracowany wtedy stop znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła pomysły w zakresie mocnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe magnetyczne właściwości wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą i dostawcą tego typu produktów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji silnych magnesów zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Ważnymi rodzajami odbiorców stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej substancji, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W USA od dawna realizowane są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań oraz projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do portfeli oraz torebek oraz branża reklamowa.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy projektowano coraz to nowe mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.