Magnesy neodymowe

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy produkujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zatrzaski do portfeli oraz torebek oraz rzecz jasna reklama i marketing.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak opracowany wtedy stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz sposobów ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, w czasie spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Daje to doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą, a także eksporterem tego typu produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną i ogólną wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane 31,6 mln dolarów na finansowanie projektów oraz badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów oparte zostało o dwie technologie. W Japonii używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu innych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe cechy neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors techniką dynamicznego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Oprócz tego można też w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy, które chciano użyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe mają w składzie poza żelazem także lekkie lantanowce, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek było realizowane w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów produkowania magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.