Magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, wykonanymi z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy metali, jakie chciano użyć do produkcji mocnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy mają w składzie obok żelaza również lekkie lantanowce, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym etapem produkowania magnesu neodymowego było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Neodymowe magnesy to obecnie najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował wcześniej nieznany magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę proszków samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz nowo opracowany materiał znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze pomysły w obszarze mocnych magnesów oraz technologii ich tworzenia.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze. Dzięki zastosowaniu, podczas produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się też z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Umożliwia to doskonałe magnesowanie neodymowych magnesów.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty sprzedające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy dostarczające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii oraz reklama oraz marketing.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą, a także dostawcą takich wyrobów są Chiny, z uwagi na posiadanie większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie magnesów o dużej mocy jest naprawdę wszechstronne. Podstawowymi rodzajami odbiorców stały się podmioty z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Do produkcji silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat realizowane są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów oraz materiałów. Kilka lat temu ARPA-E desygnowała prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów neodymowych opiera się na dwóch technologiach. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu regulować magnetyczne parametry samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to ciągłe ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie gdy były projektowane następne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w dowolny sposób modyfikować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.