Magnesy neodymowe

Pierwsze badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały miejsce ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań testowane stopy, które planowano zastosować do produkcji silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazywały szczególne zdolności, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają obok żelaza także lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy zostały opracowane około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas kiedy projektowano kolejne magnesy o dużej mocy wykorzystujące samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Technologia produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, znajdujący się w strukturach Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W USA neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors techniką szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu było znacznie tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Poza tym da się też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez nałożenie warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, powstają nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy wytwarzające rozmaite przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do galanterii oraz szeroko pojęta reklama.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Podstawowym producentem, a także dystrybutorem takich wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ i Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz także wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi odbiorcami zostały podmioty z branży produkcyjnej, projektujące sprzęt elektryczny oraz elektroniczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Przez użycie tych pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję i całościową wydajność magnesów stosowanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. W USA od dawna prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych stopów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opiera się na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu innych domieszek, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się w znacznym stopniu kontrolować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania rozmaitych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od ziemskiego pola magnetycznego.

Neodymowe magnesy to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany dotychczas materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C i namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, jednak nowo opracowany materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne odkrycia w zakresie magnesów o dużej sile oraz metod ich wytwarzania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej budowie. Poprzez użycie, podczas produkowania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe magnetyczne właściwości biorą się też z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.