Magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to dziś najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w zakresie silnych magnesów oraz technik ich produkowania.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez zastosowanie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Pozwala to na bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo badane materiały, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem również lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatnim z procesów produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745^oC.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas gdy były projektowane coraz to nowe silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też produkujące rozmaite przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz branża reklamowa.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym producentem oraz dostawcą takich wyrobów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie tych pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat realizowane są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom da się regulować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to regularne ulepszanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do otrzymania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.