Neodymowe magnesy

Magnesy neodymowe to dziś najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany do tej pory materiał magnetyczny o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła kolejne odkrycia w dziedzinie silnych magnesów oraz metod ich produkcji.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z malutkich ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do monokryształów są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Poprzez użycie, na etapie wytwarzania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Pozwala to na świetne magnesowanie opisywanych magnesów.

Aktualnie neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim w Azji. Głównym producentem, a także dostawcą gotowych produktów zostały Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców są firmy z branży produkcyjnej, tworzące sprzęt elektryczny i elektroniczny, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki użyciu tych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. Kilka lat temu zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wspieranie badań oraz projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch technologiach. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, między innymi galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się w znacznym stopniu korygować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to systematyczne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do opracowania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może uzyskać namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli znacznie większe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy dostarczające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy doceniła również branża meblarska, odzieżowa, zwłaszcza związana z ubraniami medycznymi, podmioty dystrybuujące zapięcia do torebek, portfeli oraz rzecz jasna reklama oraz marketing.

Silne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W okresie kiedy były projektowane coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Japoński zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Poza tym można też w pewien sposób regulować parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez nałożenie warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są nowe stopy metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami metali jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad magnetykami, składającymi się z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie badane materiały, które chciano użyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale wykazywały szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe mają w składzie prócz żelaza także lekkie lantanowce, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane w 1970 roku wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie wyprasek było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Finalnym procesem tworzenia mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.