Mocne magnesy neodymowe

Mocne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy były projektowane coraz to nowe silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia produkowania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors techniką szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Niestety temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego można też w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dołożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Magnesy neodymowe to dzisiaj 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 o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne odkrycia w dziedzinie mocnych magnesów oraz technik ich tworzenia.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez użycie, podczas produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na początku badań badane materiały, które planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają prócz żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Ostatnim z procesów produkowania silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą i eksporterem tego typu wyrobów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Ważnymi odbiorcami są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych związków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat realizowane są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na rozwój projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są firmy wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy produkujące rozmaite maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do portfeli oraz torebek, a także reklama i marketing.