Neodymowe magnesy

Magnesy na bazie neodymu to obecnie najpotężniejsze magnesy, jakie udało się do tej pory stworzyć. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił wcześniej nieznany magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w polu magnetycznym o dużej mocy wraz z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, lecz wymyślony materiał faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz technologii ich produkcji.
Opracowany został materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, zbudowany z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższym napięciu powierzchniowym oraz mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z domieszką żelaza, cechują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Bardzo dobre parametry magnetyczne wynikają również z jednej ważnej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu i żelaza. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w krajach azjatyckich. Największym producentem oraz dystrybutorem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na posiadanie większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów stosuje się przede wszystkim dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Zastosowanie mocnych neodymowych magnesów jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi grupami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, tworzące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, w szczególności firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące bardzo wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej substancji, znacząco poprawiono magnetyczną koercję, a także ogólną wydajność silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od wielu lat prowadzone są specjalistyczne badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów oraz stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów na bazie neodymu jest oparte o dwie technologie. W Japonii stosowana jest technika spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań oraz potrzeb, magnesy neodymowe można również wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie domieszki można kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która powoduje korodowanie żelaza. Natomiast ciągłe doskonalenie metalurgii proszków doprowadziło do otrzymania nowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, osiąga namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe chociażby od pola magnetycznego Ziemi.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz produkujące najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zamykania do torebek, portfeli oraz reklama oraz marketing.

Pierwsze udokumentowane badania laboratoryjne nad stopami jakie można by było wykorzystać do produkcji bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć badania nad magnetykami, składającymi się z metali zaliczanych do grupy metali ziem rzadkich. W początkowym okresie pierwsze stopy, które miały posłużyć do stworzenia silnych magnesów, były tworzone o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do jakich można zaliczyć: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, samar Sm, lantan La i itr Y. Lantanowce, które zostały wymienione mają charakterystyczne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile zawierają obok żelaza także dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o niewielką ilość kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy na świecie, potężny magnes SmCo₅. Produkcja opierała się na zjawisku kierunkowania ziaren sproszkowanego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim z procesów produkowania mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. W okresie gdy naukowcy projektowali kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych odkryto nieznane dotychczas cechy neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Japoński zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż samar, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, dlatego podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Dodatkowo można też w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, dzięki wprasowaniu do magnesu innych związków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz glin Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w specjalne powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek oraz mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, wymyślane są coraz to nowe stopy metali cechujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.