Silne magnesy neodymowe

Silne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy projektowano następne silne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors techniką szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez nałożenie warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają coraz to nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe odkrycia w obszarze magnesów o dużej sile oraz sposobów ich wytwarzania.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, na etapie produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne właściwości magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Umożliwia to świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą i eksporterem gotowych produktów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi odbiorcami zostały podmioty zajmujące się produkcją, tworzące sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wysoko wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu tych związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję i ogólną wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to regularne doskonalenie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz rzecz jasna reklama oraz marketing.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami które mogłyby się nadawać do produkcji magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, które miały posłużyć do produkcji silnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Te mało znane metale wykazywały szczególne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem też lekkie lantanowce, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850°C. Finalnym procesem produkcji silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.