Mocne magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad materiałami które mogłyby się nadawać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze materiały, jakie miały posłużyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe zawierają obok żelaza też lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano około 50 lat temu wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony nieznany dotychczas, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu ziaren rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Ostatecznym etapem produkcji magnesu neodymowego było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas gdy projektowano następne mocne magnesy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Taki poziom uzyskano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w pewien sposób korygować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu dodatkowych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dodanie warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy dostarczające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zapięcia do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz technologii ich produkowania.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez użycie, podczas spiekania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w Azji. Głównym producentem, a także dystrybutorem tego typu produktów są Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę wszechstronne. Najważniejszymi rodzajami odbiorców są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, projektujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu wymienionych wyżej substancji, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także całościową wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów i materiałów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na rozwój projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb i oczekiwań, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Przez takie połączenie można regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korozję. Natomiast regularne dopracowywanie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany nowoczesną metodą produkcyjną magnes neodymowy, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.