Neodymowe magnesy

Pierwsze znane testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie G. Hoffer i K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, postanowili rozpocząć szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań testowane stopy metali, jakie planowano zastosować do produkcji mocnych magnesów, były tworzone o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, do których zaliczamy: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają poza żelazem także dodatek lekkich lantanowców, zapewniając im dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a poza tym uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu żeby podnieść poziom temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy udało się opracować na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony pierwszy, magnes o dużej mocy SmCo₅. Produkcja opierała się na ukierunkowaniu kryształów stopu w formie proszku przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Tworzenie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Ostatnim z procesów produkcji mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745°C.

Przede wszystkim podstawowymi odbiorcami magnesów są podmioty oferujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy dostarczające rozmaite maszyny przemysłowe. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy wytwarzające zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna marketing oraz reklama.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - historia powstania. W czasie kiedy projektowano kolejne mocne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte interesujące właściwości magnetyczne neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Technologia tworzenia silnych magnesów neodymowych polega na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM techniką bardzo szybkiego schładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu i boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu było znacznie tańsze, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym charakteryzuje się znacznie lepszymi parametrami magnetycznymi. Jednak jego temperatura Curie była znacznie niższa, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom otrzymano przez dodanie do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie modyfikować parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych związków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy wyposażane są też w specjalne powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane poprzez nałożenie cienkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w technologii metalurgicznej proszków, powstają nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem oraz eksporterem tego typu produktów stały się Chiny, ze względu na kontrolę nad większością złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. W przemysłowej produkcji magnesów stosowane są głównie dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Głównymi rodzajami odbiorców zostały przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy z mieszaniny ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach takimi, jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu tych związków, znacznie powiększono magnetyczną koercję oraz ogólną wydajność magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany do tego celu Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów oraz materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała prawie 32 miliony dolarów na wspieranie zaawansowanych projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania substytutów metali ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania proszków, a na terenie Stanów popularność zdobyła metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od oczekiwań oraz potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać poprzez zastosowanie innych stopów, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim połączeniom da się korygować właściwości magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Da się nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, na przykład wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do uzyskania różnych materiałowych stopów, które w znaczący sposób wpłynęły na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć wcześniej nieznany magnetyczny stop o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia był realizowany w syntezie proszków samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu neodymowych magnesów, ale wymyślony materiał znacząco przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w dziedzinie silnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, złożony z mikroskopijnych ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Poprzez zastosowanie, podczas produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, czyli sprzężenia momentów magnetycznych neodymu oraz żelaza. Pozwala to na świetne magnesowanie magnesów neodymowych.