Mocne magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale nowo opracowany materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym i mniej uporządkowanej budowie. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkowania stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Pozwala to na świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dostawcą takich produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do produkcji takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki zastosowaniu powyższych substancji, znacząco zwiększono koercję magnetyczną, a także wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów i badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie metody. W Japonii używano metody spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy z neodymu wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego wytrzymałość oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to ciągłe ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. W czasie kiedy były projektowane kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące magnetyczne cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w firmie General Motors sposobem dynamicznego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w pewien sposób korygować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie warstwy miedzianej lub niklowej np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze znane testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy, które planowano zastosować do wytwarzania mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają nietypowe właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Spiekanie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatnim etapem produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do galanterii oraz branża reklamowa.