Mocne magnesy neodymowe

Magnesy neodymowe to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz technik ich wytwarzania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez zastosowanie, w czasie spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Świetne parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Jest dzięki temu możliwe doskonałe magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad magnetykami, wykonanymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Początkowo pierwsze materiały, jakie zamierzano wykorzystać do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale mają nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe zawierają poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym uzupełnia się ten skład o kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Tworzenie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Finalnym procesem tworzenia magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745^oC.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w Azji. Największym producentem i dostawcą tego typu produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów stosowane są głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Podstawowymi odbiorcami są podmioty zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej związków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych od dawna prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od wymagań, neodymowe magnesy można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie da się kontrolować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korozję. Natomiast systematyczne poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Silne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W okresie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy oparte o samar, w 1983 roku odkryto interesujące cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W USA neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano przez dodanie do puli składników boru. Poza tym da się też w dowolny sposób zmieniać właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są podmioty oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do portfeli i torebek oraz rzecz jasna reklama i marketing.