Neodymowe magnesy

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas gdy projektowano następne silne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces produkowania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM sposobem szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Poza tym da się też w pewien sposób regulować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do portfeli i torebek, a także branża reklamowa.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na początku badań testowane materiały, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale mają charakterystyczne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatecznym procesem tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745°C.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą oraz eksporterem takich wyrobów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Głównymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Przez użycie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna prowadzi się badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opiera się o dwie metody. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu można wytwarzać przy użyciu innych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to regularne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, ale wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz metod ich wytwarzania.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się też z jednej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie neodymowych magnesów.