Mocne magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz nowo opracowany skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe odkrycia w dziedzinie mocnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Pozwala to na doskonałe magnesowanie neodymowych magnesów.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie gdy były projektowane kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, 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 były tworzone w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano dzięki dodaniu do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane poprzez dołożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do galanterii oraz rzecz jasna szeroko pojęta reklama.

Pierwsze testy oraz badania nad stopami metali nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy, które chciano użyć do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Te mało znane metale wykazywały szczególne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym z etapów tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą, a także dostawcą takich wyrobów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są podmioty produkcyjne, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie badań i projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korozję. Natomiast ciągłe doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.