Neodymowe magnesy

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali następne mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy 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. Proces produkowania mocnych neodymowych magnesów opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM techniką szybkiego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż związków samaru, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodanie do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Oprócz tego można również w szerokim zakresie zmieniać parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Głównym wytwórcą i eksporterem gotowych wyrobów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego silnych magnesów wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi odbiorcami są firmy produkcyjne, tworzące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Do wytwarzania takich silników używa się neodymowych magnesów z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów przy wysokiej temperaturze takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz wydajność całkowitą silnych magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy. 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), który ma zadanie opracowywać alternatywnych stopów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało o dwie technologie. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb, magnesy neodymowe wytwarza się poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki da się regulować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast systematyczne dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wyprodukowany w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może uzyskać poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe choćby od pola emitowanego przez Ziemię.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też dostarczające najróżniejsze maszyny przemysłowe. Siłę magnetyczną ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zatrzaski do galanterii, a także branża reklamowa.

Magnesy neodymowe to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesów wykonanych z neodymu, lecz nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł następne odkrycia w zakresie silnych magnesów oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został nano-krystaliczny materiał magnetyczny, złożony z ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki zastosowaniu, w czasie produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się też z jednej ważnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe świetne magnesowanie neodymowych magnesów.

Pierwsze znane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami które mogłyby się nadawać do wytwarzania bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli badania nad materiałami magnetycznymi, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze materiały, jakie chciano użyć do wytwarzania mocnych magnesów, były tworzone 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 wykazują szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie obok żelaza także lekkie lantanowce, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe opracowano na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Tworzenie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z procesów produkcji mocnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.