Magnesy neodymowe

Silne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy projektowano następne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors techniką dynamicznego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą i dystrybutorem tego typu wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi rodzajami odbiorców są podmioty produkcyjne, wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów oraz materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na finansowanie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych opiera się o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy, jakie planowano zastosować do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatnim etapem produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, jednak wymyślony skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, na etapie spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z dodatkiem żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zamykania do portfeli oraz torebek oraz rzecz jasna marketing oraz reklama.