neodymowe magnesy

Pierwsze badania laboratoryjne nad stopami metali nadającymi się do wytwarzania magnesów o dużej mocy miały miejsce w 1966 roku. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli pracę nad materiałami magnetycznymi, zrobionymi z metali wchodzących w skład ziem rzadkich. W początkowym okresie testowane materiały, jakie miały posłużyć do stworzenia magnesów o dużej mocy, były oparte o kobalt, żelazo oraz kilka lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, samar Sm, lantan La oraz itr Y. Wymienione powyżej lantanowce mają charakterystyczne cechy, takie jak magnesowanie do dużych wartości, lecz problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj magnesy neodymowe o dużej sile mają w składzie poza żelazem również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a dodatkowo uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy na świecie, magnes o dużej mocy SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania drobinek sproszkowanego stopu przy udziale pola magnetycznego podczas spiekania. Wypiekanie gotowych magnesów odbywało się w warunkach temperaturowych około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim etapem tworzenia silnego magnesu było magnesowanie całości w polu magnetycznym 2T. Dzięki temu procesowi temperatura Curie magnesów SmCo5 wyniosła około 745°C.

Nowoczesne magnesy neodymowe - jak powstały. W czasie gdy projektowano kolejne silne magnesy oparte o samar, na początku lat osiemdziesiątych zostały odkryte interesujące właściwości magnetyczne związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Proces tworzenia mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, tak samo jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania odpowiednio przygotowanego proszku, dzięki czemu uzyskiwano gęste magnesy.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy produkowano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego obniżania temperatury upłynnionej mieszaniny proszków. Czemu wykorzystanie żelaza, neodymu oraz boru okazało się o wiele bardziej wydajne? Użycie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a dodatkowo neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Jednak temperatura Curie neodymu była zdecydowanie za niska, z tego też powodu podjęto decyzję o podniesieniu tej temperatury do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do składu magnesu neodymowego boru. Dodatkowo da się też w pewien sposób modyfikować charakterystykę magnetyczną, poprzez wprowadzenie do stopów innych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w specjalne powłoki zapobiegające korozji oraz zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Jest to realizowane przez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy mocnych magnesach używanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane rodzaje magnesów, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są coraz to nowe łączenia metali cechujące się zwiększoną koercją, jak również magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, przedsiębiorstwa motoryzacyjne czy produkujące różnego rodzaju przemysłowe urządzenia. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, odzieżowa, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, firmy wytwarzające zapięcia do portfeli i torebek, a także reklama i marketing.

Magnesy neodymowe to dzisiaj najpotężniejsze rodzaje magnesów, jakie powstały do tej pory. Blisko 30 lat temu w Trinity College w Dublinie Michae Coey opracował nieznany dotychczas magnetyczny materiał mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru oraz żelaza, które sprasowane w silnym polu magnetycznym razem z nowym składnikiem – azotem, osiągnęły temperaturę Curie w wysokości 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów neodymowych magnesów, ale opracowany wtedy skład samaru znacząco przewyższał pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły kolejne pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz technik ich tworzenia.
Opracowano materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, składający się z ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, w czasie produkowania pierwiastków z grupy ziem rzadkich w połączeniu z żelazem, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Świetne magnetyczne właściwości biorą się też z jednej istotnej rzeczy, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu świetne namagnesowanie magnesów neodymowych.

Obecnie na świecie magnesy neodymowe są wytwarzane głównie w krajach azjatyckich. Podstawowym wytwórcą i dostawcą takich wyrobów zostały Chiny, z powodu kontrolowania większości złóż pierwiastków ziem rzadkich na świecie. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B oraz Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, lecz również wysoką remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi grupami odbiorców są podmioty zajmujące się produkcją, oferujące sprzęt elektryczny i elektroniczny, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, stosujące bardzo wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Do wytwarzania takich używa się neodymowych magnesów ze stopów ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi jak na przykład dysproz (Dy) czy Terb (Tb). Dzięki zastosowaniu powyższych związków, poprawiono w znacznym stopniu koercję magnetyczną i wydajność całkowitą magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy. W USA już od dawna prowadzi się badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie alternatywnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane blisko 32 miliony dolarów na wspieranie projektów oraz badań w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla naturalnych złóż pierwiastków, występujących na terenie Azji.

Produkowanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii używano metody spiekania proszków, a w USA popularna jest metoda opierająca się o szybkie chłodzenie. Zależnie od oczekiwań, neodymowe magnesy można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład miedzi, aluminium czy galu. Dzięki takim połączeniom można korygować właściwości magnetyczne samego magnesu, jego wytrzymałość, a także możliwość pracowania w wysokim zakresie temperatur . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na atmosferyczne warunki, na przykład wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania nowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes z neodymu, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola magnetycznego Ziemi.