Neodymowe magnesy

Pierwsze udokumentowane badania i testy nad stopami nadającymi się do wytwarzania silnych magnesów miały swój początek ponad 50 lat temu. W tym czasie G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , postanowili rozpocząć pracę nad nowymi materiałami, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo badane materiały, które zamierzano wykorzystać do produkcji silnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, w skład których wchodzą: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, jednak posiadały bardzo niską temperaturę Curie. Obecnie tworzone silne magnesy neodymowe w swoim składzie posiadają poza żelazem także lekkie lantanowce, zapewniając im wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a poza tym dokłada się do nich kobalt aby zwiększyć zbyt niską temperaturę Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy opracowano na początku lat 70-tych ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Wymyślony został nieznany dotychczas, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu kryształów rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z końcowym wyżarzaniem w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim z procesów produkcji silnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów podwyższyła się do 745°C.

Na dzień dzisiejszy neodymowe magnesy są produkowane przede wszystkim na kontynencie azjatyckim. Podstawowym wytwórcą oraz dostawcą gotowych wyrobów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów stosuje się przede wszystkim dwa rodzaje związków: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest naprawdę szerokie. Najważniejszymi rodzajami odbiorców stały się przedsiębiorstwa produkcyjne, projektujące urządzenia elektryczne, elektroniczne, zwłaszcza firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne hybrydowe i elektryczne silniki. Do produkcji takich silników stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny z pierwiastkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu tych substancji, znacząco poprawiono koercję magnetyczną, a także ogólną wydajność silnych magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat realizowane są naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wsparcie projektów oraz badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów z neodymu jest oparte na dwóch metodach. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. W zależności od potrzeb, neodymowe magnesy można wytwarzać poprzez zastosowanie dodatkowych pierwiastków, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom można regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Da się nawet sprawić, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować zmiany korozyjne. Natomiast regularne dopracowywanie metalurgii proszków przyczyniło się do otrzymania rozmaitych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, uzyskuje namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Magnesy neodymowe to dziś najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany do tej pory magnetyczny materiał o strukturze chemicznej Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak opracowany wtedy materiał przewyższał w znacznym stopniu pierwsze z produkowanych magnesów. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła coraz to nowe pomysły w dziedzinie magnesów o dużej mocy oraz technik ich tworzenia.
Opracowano stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, składający się z malutkich ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Nowo odkryte ziarna nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz nieuporządkowanej strukturze wewnętrznej. Dzięki wykorzystaniu, podczas produkowania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednej rzeczy, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Daje to bardzo dobre namagnesowanie magnesów neodymowych.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak zostały wymyślone. Podczas gdy projektowano kolejne mocne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem i borem. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 15% neodymu, 6% boru oraz ponad 70% żelaza. Proces tworzenia magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, podobnie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać gęste magnesy.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy były tworzone w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego ochładzania upłynnionej mieszaniny proszków. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem oraz borem okazało się o wiele bardziej wydajne? Zastosowanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie tego pierwiastka była znacznie niższa, z takich też powodów podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taki poziom otrzymano przez dodanie do składu magnesu neodymowego boru. Dodatkowo można też w szerokim zakresie zmieniać parametry magnetyczne, przez wprasowanie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w specjalne powłoki chroniące przed korozją oraz zabezpieczające przed działaniem szkodliwych warunków pogodowych. Wykonuje się to przez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli mocnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze magnesy neodymowe, a dzięki ciągłym badaniom w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6Tesli.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są podmioty sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, przedsiębiorstwa motoryzacyjne oraz wytwarzające najróżniejsze przemysłowe urządzenia. Siłę magnetyczną doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zatrzaski do galanterii, a także reklama oraz marketing.