Magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy stop znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technologii ich tworzenia.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkowania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre parametry magnetyczne biorą się też z jeszcze jednego aspektu, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Umożliwia to doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano następne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez nałożenie warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, wymyślane są coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą i eksporterem tego typu wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W USA już od wielu lat realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów z neodymu opierało się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu dodatkowych domieszek, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom da się regulować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to systematyczne ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz produkujące różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do galanterii, a także szeroko pojęta reklama.

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad stopami nadającymi się do produkcji silnych magnesów rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy metali, jakie planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim etapem tworzenia magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.