Silne magnesy neodymowe

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie gdy projektowano następne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodanie do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w pewien sposób korygować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym producentem oraz eksporterem takich produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Podstawowymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych pierwiastków, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna realizowane są badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można korygować magnetyczne właściwości magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korozję. Natomiast ciągłe dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Neodymowe magnesy to obecnie najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, lecz wymyślony materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, na etapie produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Daje to bardzo dobre namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami które mogłyby się nadawać do wytwarzania silnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, wykonanymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy metali, które chciano użyć do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza również lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym etapem produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli i torebek oraz rzecz jasna reklama i marketing.