Mocne magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to dziś najsilniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z domieszką azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, lecz wymyślony stop znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły coraz to nowe odkrycia w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkowania stopów pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Takie doskonałe parametry magnetyczne wynikają również z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Pozwala to na bardzo dobre magnesowanie opisywanych magnesów.

Silne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas gdy były projektowane coraz to nowe mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte interesujące cechy neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu oraz żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób korygować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją i mające zabezpieczające działanie przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Realizuje się to poprzez dodanie cienkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nieznane wcześniej łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze badania laboratoryjne nad materiałami nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad magnetykami, zrobionymi z metali należących do grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy, które chciano użyć do wytwarzania magnesów o dużej mocy, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do jakich można zaliczyć: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Te mało znane metale wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy mają w składzie prócz żelaza również dodatek lekkich lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Wymyślony został pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania kryształów stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów wykonywano w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim etapem produkcji mocnego magnesu było magnesowanie całości w wysokim polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie prototypowego magnesu podwyższyła się do 745°C.

Na dzień dzisiejszy wytwarza się neodymowe magnesy głównie w krajach azjatyckich. Największym producentem, a także dystrybutorem tego typu wyrobów są Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów wykorzystuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym oraz magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale także dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Podstawowymi grupami odbiorców są przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące sprzęt elektroniczny oraz elektryczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki hybrydowe oraz elektryczne. Do produkcji silników tego typu używa się neodymowych magnesów z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) oraz dysproz (Dy). Dzięki użyciu tych pierwiastków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i całościową wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy. W Stanach Zjednoczonych od wielu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów oraz materiałów. Przed kilku laty zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów oraz badań w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Produkowanie magnesów z neodymu opiera się na dwóch metodach. W japońskich firmach używano metody spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań i potrzeb, neodymowe magnesy wytwarza się przy użyciu innych pierwiastków, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Przez takie połączenie można kontrolować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszkowej przyczyniło się do opracowania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe choćby od pola magnetycznego Ziemi.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, firmy z branży motoryzacyjnej czy dostarczające rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zapięcia do torebek, portfeli oraz reklama i marketing.