Neodymowe magnesy

Magnesy neodymowe to dziś najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie udało się do tej pory stworzyć. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany do tej pory magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, jednak wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła następne odkrycia w obszarze silnych magnesów oraz metod ich tworzenia.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, złożony z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym i bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez użycie, na etapie wytwarzania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre magnetyczne właściwości biorą się dodatkowo z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza z neodymem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do portfeli i torebek, a także marketing i reklama.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy przede wszystkim w Azji. Największym wytwórcą i eksporterem tego typu wyrobów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale także wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi odbiorcami są przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją, oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu powyższych substancji, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i całościową wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od dawna prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała blisko 32 miliony dolarów na finansowanie zaawansowanych projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowana jest technika spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest technika szybkiego chłodzenia. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu kontrolować właściwości magnetyczne magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Za to regularne doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do opracowania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Mocne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku odkryto bardzo ciekawe cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce silne magnesy neodymowe były tworzone w firmie General Motors sposobem dynamicznego schładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom uzyskano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego boru. Dodatkowo da się też w dowolny sposób modyfikować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez dołożenie warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach używanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami metali nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, wykonanymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy, które miały posłużyć do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazują charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają poza żelazem również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250^oC niższej. Finalnym z etapów tworzenia magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745^oC.