Silne magnesy neodymowe

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na samym początku badane stopy, które planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazywały charakterystyczne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie poza żelazem także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek wykonywano w warunkach temperaturowych około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z etapów tworzenia magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie kiedy naukowcy projektowali następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku odkryto nieznane dotychczas właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w zakładach firmy GM techniką dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Dlaczego połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była zdecydowanie za niska, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość dało się uzyskać przez dodanie do puli składników boru. Dodatkowo można też w pewien sposób regulować charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do magnesu dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu mogą zostać również wyposażone w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Opracowywane są również bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru i żelaza, które sprasowane w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, jednak wymyślony skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, w czasie spiekania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Umożliwia to świetne magnesowanie magnesów neodymowych.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Podstawowym wytwórcą i dystrybutorem takich wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów stosowane są głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, charakteryzujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, lecz również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Zastosowanie magnesów o dużej mocy jest bardzo różnorodne. Ważnymi odbiorcami stały się podmioty zajmujące się produkcją, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, stosujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność magnesów wykorzystywanych w urządzeniach elektrycznych o większej mocy. W USA już od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych materiałów. Przed kilku laty ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwijanie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów neodymowych jest oparte na dwóch technologiach. W Japonii używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Przez takie domieszki można korygować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Za to systematyczne ulepszanie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania różnego rodzaju stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami silnych magnesów są firmy wytwarzające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zamykania do torebek, portfeli oraz rzecz jasna marketing i reklama.