Mocne magnesy neodymowe

Mocne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy projektowano następne mocne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład ponad 70% żelaza, 15% neodymu, 6% boru. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe były tworzone w zakładach firmy GM techniką bardzo szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taką wartość otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy neodymowe mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli magnesach używanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Głównym producentem i dostawcą gotowych produktów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły przede wszystkim dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Ważnymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, wytwarzające urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu tych substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz wydajność całkowitą magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od dawna prowadzone są specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. W 2011 roku zostało przyznane 31,6 mln dolarów na rozwój projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch technologiach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zyskała metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od wymagań, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi miedzi, aluminium czy galu. Przez takie domieszki można w szerokim zakresie korygować magnetyczne parametry magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to systematyczne poprawianie procesów metalurgicznych przyczyniło się do otrzymania nowych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji neodymowy magnes, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Pierwsze badania i testy nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Na samym początku testowane materiały, które chciano użyć do produkcji mocnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale mają szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają obok żelaza też lekkie lantanowce, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Finalnym etapem tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie nowatorskich magnesów została podniesiona do 745^oC.

Neodymowe magnesy to dziś najpotężniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470^oC i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł coraz to nowe odkrycia w obszarze silnych magnesów oraz technik ich wytwarzania.
Opracowany został materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Umożliwia to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

W pierwszej kolejności najważniejszymi odbiorcami silnych magnesów są firmy oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy też wytwarzające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama i marketing.