Mocne magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to dziś najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy materiał magnetyczny wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, 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 wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez użycie, w czasie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów żelaza oraz neodymu. Pozwala to na doskonałe magnesowanie neodymowych magnesów.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą gotowych wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Podstawowymi odbiorcami stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki zastosowaniu powyższych związków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat realizowane są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie badań oraz projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zyskała metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od potrzeb oraz oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Natomiast regularne poprawianie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są firmy sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz dostarczające rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zamykania do portfeli i torebek oraz rzecz jasna szeroko pojęta reklama.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas gdy naukowcy projektowali kolejne mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas cechy neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces produkowania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM sposobem dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego użycie boru, neodymu oraz żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodanie do puli składników boru. Oprócz tego można też w pewien sposób zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do magnesu innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w warstwy ochronne zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez dołożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nieznane wcześniej stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze udokumentowane badania oraz testy nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane stopy, jakie miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają prócz żelaza również lekkie lantanowce, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym etapem produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.