Mocne magnesy neodymowe

Mocne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. Podczas gdy naukowcy projektowali coraz to nowe mocne magnesy wykorzystujące samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu w połączeniu z żelazem i stalą. Amerykańska firma GM stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 15% neodymu, 6% boru i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy polega na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, wykorzystywał technikę spiekania materiałów w formie proszku, przez co otrzymywano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe produkowano w firmie General Motors metodą bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż samar, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, dlatego zdecydowano się na podwyższenie tejże temperatury do 530^oC. Taki poziom otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób korygować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów dodatkowych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i aluminium Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w powłoki chroniące przed korozją oraz mające zabezpieczające działanie przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez nałożenie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Opracowywane są również nowe rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w technologii metalurgicznej proszków, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy o znacznie wyższej temperaturze Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do produkcji magnesów o dużej mocy rozpoczęły się w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad nowymi materiałami, składającymi się z metali wchodzących w skład tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane materiały, jakie zamierzano wykorzystać do stworzenia mocnych magnesów, opierały się na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm i lantan La. Wymienione powyżej lantanowce wykazują szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Dzisiaj produkowane mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem także domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Magnesy neodymowe udało się opracować około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek rozdrobnionego stopu przy udziale pola magnetycznego przy spiekaniu. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120^oC wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze 850^oC. Ostatecznym z etapów produkowania silnego magnesu było namagnesowanie materiału w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745^oC.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są podmioty wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające rozmaite maszyny przemysłowe. Zalety magnesów dużej mocy bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zapięcia do torebek, portfeli, a także branża reklamowa.

Aktualnie magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym wytwórcą oraz dostawcą tego typu produktów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji silnych magnesów stosuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest naprawdę szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, tworzące urządzenia elektryczne, elektroniczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie wymienionych wyżej substancji, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność silnych magnesów wykorzystywanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych materiałów i stopów. Kilka lat temu zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wsparcie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się na dwóch metodach. W Japonii używano metody spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od potrzeb, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych domieszek, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie da się regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korozję. Za to ciągłe ulepszanie metalurgii proszkowej doprowadziło do otrzymania różnych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wykonany w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny stop wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę proszków samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym wraz z nowym składnikiem – azotem, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, jednak opracowany wtedy materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł pomysły w obszarze silnych magnesów oraz sposobów ich wytwarzania.
Opracowano materiał i strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej i mniej uporządkowanej budowie. Poprzez użycie, na etapie produkcji pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Takie doskonałe właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie przedstawianych magnesów.