Magnesy neodymowe

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są podmioty oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing oraz reklama.

Pierwsze badania i testy nad materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo badane stopy, które miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają poza żelazem również dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym etapem produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą, a także dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców zostały firmy zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do produkcji silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów oraz materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów opierało się o dwie metody. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu innych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie korygować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne poprawianie procesów metalurgicznych doprowadziło do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie gdy były projektowane kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu połączenie neodymu z żelazem oraz borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane nowe magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w zakresie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu oraz żelaza. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie neodymowych magnesów.