Silne magnesy neodymowe

Magnesy na bazie neodymu to dziś najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne odkrycia w obszarze mocnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez użycie, w czasie produkcji mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Pozwala to na bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.

Mocne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas kiedy były projektowane kolejne silne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy wytwarzano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego użycie boru, neodymu oraz żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Oprócz tego można również w dowolny sposób zmieniać parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez dodanie warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad materiałami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy, które miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem też lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Stworzono pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim procesem produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą, a także dystrybutorem gotowych produktów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi rodzajami odbiorców zostały podmioty produkcyjne, oferujące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji silników tego typu używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie powyższych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna realizowane są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe doskonalenie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty produkujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz produkujące rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli oraz branża reklamowa.