Magnesy neodymowe

Magnesy neodymowe to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła dalsze odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz metod ich tworzenia.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, na etapie spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Umożliwia to bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do wytwarzania bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze materiały, jakie zamierzano wykorzystać do stworzenia silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione mają charakterystyczne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym etapem tworzenia silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745^oC.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy wytwarzające rozmaite maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy projektowano następne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego boru. Poza tym można również w szerokim zakresie regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą takich wyrobów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji silnych magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców zostały podmioty produkcyjne, projektujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie powyższych związków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opierało się o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.