Magnesy neodymowe

Pierwsze udokumentowane testy oraz badania nad stopami nadającymi się do produkcji silnych magnesów miały miejsce w 1966 roku. Wtedy to właśnie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali zaliczanych do ziem rzadkich. Na samym początku testowane stopy, jakie chciano użyć do produkcji silnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Te mało znane metale wykazywały nietypowe zdolności, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają obok żelaza też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu wykorzystując sproszkowane ziarna samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu drobinek stopu w formie proszku w polu magnetycznym przy spiekaniu. Spiekanie gotowych magnesów odbywało się w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim procesem produkcji magnesu neodymowego było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu wyniosła około 745°C.

Neodymowe magnesy to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie do tej pory stworzono. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesu neodymowego, jednak wymyślony stop przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali materiał i strukturze nano-krystalicznej, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Dzięki zastosowaniu, na etapie spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, charakteryzują się wysokim poziomem remanencji magnetycznej. Świetne parametry magnetyczne biorą się też z jednej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.

Mocne magnesy neodymowe - jak zostały wymyślone. W czasie kiedy były projektowane następne magnesy o dużej mocy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte nieznane dotychczas właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy wytwarzano w firmie General Motors techniką bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem zapewniło dużo większą wydajność? Użycie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z tego też powodu postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano dzięki dodaniu do puli składników boru. Oprócz tego da się też w pewien sposób modyfikować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do stopów dodatkowych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, to znaczy silnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowe typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami mocnych magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją oraz produkujące różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do portfeli i torebek, a także szeroko pojęta reklama.

Aktualnie produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Głównym producentem oraz dostawcą gotowych produktów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością globalnych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania silnych magnesów zastosowanie znalazły głównie dwa rodzaje związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko najwyższym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie magnesów o dużej mocy jest bardzo szerokie. Głównymi grupami odbiorców zostały przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, wytwarzające sprzęt elektroniczny i elektryczny, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu z pierwiastkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu powyższych pierwiastków, znacznie powiększono magnetyczną koercję i całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy. W USA od kilkudziesięciu lat prowadzi się naukowe badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych stopów i materiałów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie neodymowych magnesów jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań i potrzeb, magnesy z neodymu wytwarza się poprzez zastosowanie dodatkowych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom da się regulować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet sprawić, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to regularne doskonalenie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania różnego rodzaju materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na podniesienie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony w nowoczesnym procesie produkcji magnes neodymowy, uzyskuje namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od ziemskiego pola magnetycznego.