Silne magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami jakie można by było wykorzystać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. Na początku badań badane materiały, jakie chciano użyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały szczególne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, jednak problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów produkcji silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie gdy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku odkryto interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano dzięki dodaniu do puli składników boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie modyfikować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w warstwy ochronne zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy produkujące najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zatrzaski do galanterii oraz marketing oraz reklama.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły następne odkrycia w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technik ich wytwarzania.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Dzięki wykorzystaniu, na etapie spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Pozwala to na doskonałe namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym wytwórcą i dystrybutorem tego typu produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi grupami odbiorców stały się firmy zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich silników używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej pierwiastków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną i całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. W 2011 roku zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wsparcie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opiera się o dwie technologie. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała technika oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki da się w znacznym stopniu korygować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, powodującą korozję. Natomiast ciągłe ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania nowych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.