Mocne magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, które zamierzano wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają prócz żelaza też lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatnim z etapów produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale opracowany wtedy skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich produkcji.
Opracowany został materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i nieuporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, podczas produkcji stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Daje to bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.

Mocne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane coraz to nowe silne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM techniką szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego boru. Poza tym da się też w szerokim zakresie modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Największym producentem i dostawcą gotowych produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi odbiorcami zostały firmy produkcyjne, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do produkcji takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Przez użycie wymienionych wyżej pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na finansowanie badań oraz projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opierało się na dwóch metodach. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy z neodymu można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie da się korygować parametry magnetyczne magnesu, jego wytrzymałość oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne poprawianie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania różnego rodzaju stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.