Silne magnesy neodymowe

Pierwsze testy oraz badania nad materiałami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli pracę nad magnetykami, zrobionymi z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze stopy, które planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazują charakterystyczne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy udało się opracować w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu drobinek sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120^oC przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850^oC. Ostatnim z procesów tworzenia mocnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745^oC.

Magnesy neodymowe to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które podczas prasowania w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w zakresie mocnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej budowie. Poprzez zastosowanie, na etapie produkowania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne magnetyczne właściwości biorą się też z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Umożliwia to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej oraz produkujące najróżniejsze maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy produkujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna branża reklamowa.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie kiedy naukowcy projektowali kolejne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto bardzo ciekawe cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W USA silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom dało się uzyskać dzięki dodaniu do puli składników niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, poprzez wprowadzenie do magnesu innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Największym producentem oraz dystrybutorem gotowych produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy stosowane są głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Najważniejszymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, tworzące sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu powyższych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych oparte zostało o dwie technologie. W japońskich firmach używano metody spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości oraz możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne ulepszanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.