Silne magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz nowo opracowany materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz sposobów ich produkcji.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z żelazem, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Daje to bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Głównym producentem i eksporterem gotowych wyrobów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Ważnymi rodzajami odbiorców są firmy produkcyjne, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie badań i projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opierało się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można korygować właściwości magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można również w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, powstają nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też dostarczające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Pierwsze badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia silnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, które chciano użyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają prócz żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatecznym z procesów produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.