Magnesy neodymowe

Pierwsze znane badania i testy nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad magnetykami, składającymi się z metali zaliczanych do ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy metali, jakie planowano zastosować do produkcji silnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu ziaren sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym z procesów produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM sposobem bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Poza tym można też w dowolny sposób regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Opracowywane są również nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, ale wymyślony skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł dalsze pomysły w dziedzinie mocnych magnesów oraz technologii ich produkcji.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, w czasie produkcji stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z dodatkiem żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zatrzaski do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing oraz reklama.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Podstawowym producentem oraz dostawcą takich wyrobów zostały Chiny, z uwagi na posiadanie większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców stały się firmy zajmujące się produkcją, tworzące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą silnych magnesów używanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W Stanach Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów i badań w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu oparte zostało o dwie technologie. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a w USA popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań oraz potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się przy użyciu innych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można regulować parametry magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą zmiany korozyjne. Natomiast regularne poprawianie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania nowych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.