Silne magnesy neodymowe

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. Podczas kiedy naukowcy projektowali kolejne magnesy o dużej mocy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do puli składników domieszki boru. Poza tym da się też w pewien sposób korygować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to przez dołożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli mocnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad stopami metali nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane stopy, które planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazywały szczególne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250^oC niższej. Ostatecznym procesem tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła pomysły w obszarze silnych magnesów oraz technik ich tworzenia.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym 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. Dzięki zastosowaniu, na etapie produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne biorą się też z jednego ważnego czynnika, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Daje to świetne namagnesowanie neodymowych magnesów.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem, a także dystrybutorem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie tych związków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom da się regulować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do torebek, portfeli oraz reklama i marketing.