Silne magnesy neodymowe

Mocne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas gdy naukowcy projektowali następne silne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego schładzania stopionego proszku izotropowego. Czemu połączenie neodymu z żelazem i borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a oprócz tego neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano dzięki dodaniu do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w szerokim zakresie zmieniać parametry magnetyczne, poprzez wprowadzenie do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane przez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, to znaczy silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane nowe rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są nieznane wcześniej stopy metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najmocniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć zupełnie nowy magnetyczny stop o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak nowo opracowany stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkowania.
Opracowany został materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, złożony z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, na etapie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Jest dzięki temu możliwe doskonałe namagnesowanie opisywanych magnesów.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są podmioty oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, podmioty zajmujące się motoryzacją czy wytwarzające różnego rodzaju maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblowa, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zatrzaski do portfeli i torebek oraz szeroko pojęta reklama.

Pierwsze badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, składającymi się z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane stopy, które zamierzano wykorzystać do produkcji mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, itr Y, samar Sm i lantan La. Te mało znane metale wykazywały charakterystyczne cechy, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone magnesy neodymowe o dużej sile zawierają prócz żelaza również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe opracowano w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Został stworzony pierwszy na świecie, silny magnes typu SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim etapem produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Obecnie na świecie neodymowe magnesy są produkowane głównie na kontynencie azjatyckim. Głównym wytwórcą oraz dystrybutorem tego typu wyrobów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosuje się głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców są podmioty produkcyjne, tworzące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wysoko wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu takich wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie tych związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzone są naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów oraz stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów w programie Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii stosowana jest technika spiekania proszków, a w USA popularność zyskała technika szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim połączeniom można w szerokim zakresie kontrolować magnetyczne właściwości magnesu, jego wytrzymałość, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to systematyczne dopracowywanie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania nowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.