Neodymowe magnesy

Pierwsze znane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do stworzenia silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane materiały, jakie planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, opierały się o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały nietypowe zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają poza żelazem też lekkie lantanowce, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu ziaren stopu w formie proszku w polu magnetycznym podczas spiekania. Tworzenie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Finalnym z procesów produkowania magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Największym wytwórcą i dystrybutorem gotowych wyrobów są Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Głównymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, wytwarzające sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania silników tego typu używa się neodymowych magnesów ze stopów z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej związków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz całościową wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od wielu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów i materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na wspieranie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała metoda szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań oraz potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to regularne ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. W okresie kiedy naukowcy projektowali kolejne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Przemysłowy proces produkowania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM techniką szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego da się też w dowolny sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do magnesu dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom 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, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to dzisiaj najmocniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, jednak opracowany wtedy skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł dalsze pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz technologii ich wytwarzania.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z ziaren o wielkości mniejszej 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 i bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie spiekania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne biorą się też z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów żelaza z neodymem. Umożliwia to świetne namagnesowanie opisywanych magnesów.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna reklama oraz marketing.