silne magnesy neodymowe

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W okresie kiedy były projektowane kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte bardzo ciekawe właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces wytwarzania silnych magnesów neodymowych wykorzystuje dwie metody. W Japonii zakład Sumitomo, będący w grupie Hitachi, podobnie jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, używał metody spiekania materiałów w formie proszku, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w zakładach firmy GM techniką dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Dlaczego wykorzystanie żelaza, neodymu i boru dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż samar, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu nie była na odpowiednim poziomi, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodanie do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego da się też w szerokim zakresie zmieniać charakterystykę magnetyczną, dzięki wprasowaniu do stopów pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Neodymowe magnesy mogą zostać również wyposażone w powłoki zapobiegające korozji i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Wykonuje się to poprzez dodanie cieniutkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w uchwytach magnetycznych do poszukiwań, czyli silnych magnesach używanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, wymyślane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6Tesli.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze magnesy, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Jego proces wytworzenia wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które sprasowane w mocnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie w okolicach 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, lecz nowo opracowany skład samaru faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły pomysły w dziedzinie magnesów o dużej sile oraz metod ich produkcji.
Badacze opracowali nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o średnicy mniejszej niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w przeciwieństwie do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o wyższej mocy powierzchniowej oraz mniej uporządkowanej budowie. Poprzez użycie, na etapie spiekania mieszaniny pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Tak dobre właściwości magnetyczne wynikają również z jednego ważnego czynnika, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu oraz żelaza. Daje to doskonałe magnesowanie opisywanych magnesów.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne ceni też od dawna branża meblowa, odzieżowa, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zapięcia do torebek, portfeli, a także branża reklamowa.

Pierwsze badania oraz testy nad materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały swój początek w 1966 roku. Właśnie w tamtym okresie dwóch badaczy G. Hoffer i K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli badania nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo testowane stopy metali, które zamierzano wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, itr Y, samar Sm i lantan La. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, jednak ich temperatura Crie była bardzo niska. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy mają w składzie prócz żelaza też dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a dodatkowo dokłada się do nich kobalt w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek odbywało się w wysokiej temperaturze około 1120°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850°C. Ostatecznym z procesów tworzenia silnego magnesu było namagnesowanie materiału przy użyciu pola magnetycznego 2T. Przez taką technologię temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.

Obecnie na świecie wytwarza się neodymowe magnesy głównie na kontynencie azjatyckim. Podstawowym producentem i eksporterem tego typu wyrobów stały się Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. W przemysłowej produkcji magnesów zastosowanie znalazły głównie dwie grupy związków: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyoparte o neodym i magnesy o strukturze nano krystalicznej, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Głównymi odbiorcami są przedsiębiorstwa produkcyjne, oferujące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, zwłaszcza firmy motoryzacyjne, wykorzystujące bardzo wydajne hybrydowe oraz elektryczne silniki. Do wytwarzania silników tego typu wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie powyższych pierwiastków, znacząco zwiększono magnetyczną koercję, a także wydajność całkowitą magnesów używanych w aparaturze elektrycznej o większej mocy nominalnej. W USA od dawna prowadzi się specjalistyczne badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), zajmujący się opracowywaniem alternatywnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane prawie 32 miliony dolarów na rozwój projektów w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości opracowania związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych pokładów pierwiastków, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów na bazie neodymu opierało się na dwóch technologiach. W Japonii używana jest metoda spiekania proszków, a w USA popularność zdobyła technika opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych pierwiastków, na przykład galu, miedzi czy aluminium. Dzięki takim domieszkom można korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości oraz możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne poprawianie metalurgii proszkowej przyczyniło się do uzyskania rozmaitych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na zwiększenie temperatury Curie. Wykonany w nowoczesnym procesie produkcji magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.