Silne magnesy neodymowe

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. Podczas gdy naukowcy projektowali następne silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem dynamicznego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodanie do puli składników boru. Poza tym da się też w szerokim zakresie modyfikować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to przez dodanie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas spiekania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu oraz żelaza. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe namagnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane materiały, jakie miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały szczególne zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają prócz żelaza również 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. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym procesem produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Głównym producentem i dostawcą takich produktów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Głównymi odbiorcami stały się podmioty zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej substancji, znacznie powiększono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opiera się na dwóch technologiach. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą korozję. Natomiast regularne dopracowywanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są firmy oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też dostarczające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zatrzaski do torebek, portfeli, a także marketing oraz reklama.