Neodymowe magnesy

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale opracowany wtedy skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, w czasie produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Pierwsze znane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do wytwarzania silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań pierwsze stopy, jakie miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z etapów tworzenia mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745^oC.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do galanterii oraz marketing i reklama.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors metodą szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taką wartość dało się uzyskać przez dodanie do puli składników boru. Oprócz tego można też w dowolny sposób modyfikować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą i dostawcą takich wyrobów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Ważnymi odbiorcami są przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie wymienionych wyżej substancji, znacząco zwiększono koercję magnetyczną i wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W USA od dawna realizowane są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwój projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.