Neodymowe magnesy

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł odkrycia w obszarze magnesów o dużej sile oraz technologii ich produkcji.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne magnetyczne właściwości biorą się też z jednej istotnej rzeczy, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Pozwala to na doskonałe namagnesowanie neodymowych magnesów.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas kiedy naukowcy projektowali następne mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dodanie cienkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, powstają nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Głównym producentem, a także dystrybutorem tego typu wyrobów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosowane są przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi odbiorcami są przedsiębiorstwa produkcyjne, tworzące sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu wymienionych wyżej pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów i materiałów. W 2011 roku zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie metody. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się kontrolować magnetyczne parametry samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą korodowanie żelaza. Za to ciągłe poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do opracowania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Pierwsze testy oraz badania nad materiałami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze materiały, jakie chciano użyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były tworzone na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale mają szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, ale problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie poza żelazem też dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Stworzono pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z etapów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też produkujące rozmaite przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zamykania do portfeli i torebek, a także marketing i reklama.