Mocne magnesy neodymowe

Pierwsze znane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, które miały posłużyć do stworzenia mocnych magnesów, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały charakterystyczne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają poza żelazem też lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim etapem tworzenia mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Podstawowym producentem i dystrybutorem takich wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów stosuje się głównie dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi odbiorcami zostały podmioty z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie powyższych substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych już od dawna prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu jest oparte o dwie technologie. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w USA popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która może spowodować korozję. Natomiast systematyczne poprawianie procesów metalurgicznych doprowadziło do uzyskania różnych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Magnesy na bazie neodymu to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza oraz samaru, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technik ich produkcji.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, na etapie spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Daje to świetne magnesowanie magnesów neodymowych.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas gdy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia mocnych neodymowych magnesów wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM techniką bardzo szybkiego obniżania temperatury stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom uzyskano przez dodanie do puli składników niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez dołożenie warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są nieznane wcześniej łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące rozmaite przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli, a także marketing oraz reklama.