neodymowe magnesy

Silne magnesy neodymowe - jak powstały. Podczas gdy projektowano coraz to nowe magnesy o dużej mocy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Przemysłowy proces produkowania mocnych neodymowych magnesów polega na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, wykorzystywał technikę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych neodymowe magnesy były tworzone w firmie General Motors techniką dynamicznego obniżania temperatury roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów użycie boru, neodymu oraz żelaza dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a dodatkowo neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Ale temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodatek do puli składników domieszki boru. Poza tym można też w szerokim zakresie regulować charakterystykę magnetyczną, przez wprasowanie do stopów innych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w specjalne powłoki chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli silnych magnesach stosowanych do sprawdzania dna jezior, rzek i mórz. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze typy magnesów neodymowych, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak również magnesy posiadające znacznie wyższą temperaturę Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.

W pierwszej kolejności głównymi odbiorcami silnych magnesów są przedsiębiorstwa oferujące urządzenia pomiarowe, elektroniczne, elektryczne, podmioty zajmujące się motoryzacją czy też wytwarzające najróżniejsze maszyny dla przemysłu. Siłę magnetyczną bardzo również ceni branża meblowa, oferująca odzież, szczególnie związana z odzieżą medyczną, podmioty oferujące zatrzaski do galanterii, a także szeroko pojęta reklama.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w Azji. Największym wytwórcą oraz dostawcą gotowych produktów są Chiny, z uwagi na kontrolę większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy stosowane są przede wszystkim dwa związki: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy nano krystaliczne, charakteryzujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale również dużą remanencją magnetyczną. Zastosowanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo różnorodne. Najważniejszymi rodzajami odbiorców zostały podmioty z branży produkcyjnej, tworzące urządzenia elektroniczne oraz elektryczne, szczególnie firmy zajmujące się motoryzacją, wykorzystujące wysoko wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Do wytwarzania takich stosuje się magnesy neodymowe z mieszaniny ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów przy wysokiej temperaturze takimi jak na przykład dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Dzięki użyciu wymienionych wyżej substancji, znacząco zwiększono magnetyczną koercję i ogólną wydajność magnesów stosowanych w urządzeniach elektrycznych o dużej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych od dawna prowadzi się naukowe badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów. Przed kilku laty zostało przyznane 31,6 mln dolarów na wspieranie projektów w ramach programu Rare-Earth Substitute, czyli możliwości wynalezienia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, które znajdują się pod kontrolą Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych opierało się o dwie metody. W japońskich firmach stosowano metodę spiekania mieszanin proszków, a w USA popularność zdobyła metoda szybkiego chłodzenia. W zależności od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, na przykład aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można w szerokim zakresie regulować magnetyczne właściwości samego magnesu, jego poziom wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która powoduje zmiany korozyjne. Za to regularne dopracowywanie procesów metalurgicznych przyczyniło się do opracowania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie tak zwanej temperatury Curie. Wytwarzany w nowoczesny sposób neodymowy magnes, osiąga poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli dużo wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.

Pierwsze znane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do stworzenia bardzo mocnych magnesów rozpoczęły się ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie G. Hoffer oraz K. Strnat z Air Force Materials Laboratory w Dayton, rozpoczęli szeroki zakres badań nad magnetykami, składającymi się z metali wchodzących w skład grupy metali ziem rzadkich. Na samym początku pierwsze materiały, które zamierzano wykorzystać do wytwarzania silnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu oraz lekkich lantanowców, do jakich można zaliczyć: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Lantanowce, które zostały wymienione wykazują szczególne właściwości, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz problemem była niska temperatura Curie. Obecnie tworzone mocne neodymowe magnesy zawierają poza żelazem również domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, co im zapewnia dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane na początku lat 70-tych wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi pierwiastkami z rodziny lantanowców. Wymyślony został pierwszy, silny magnes typu SmCo₅. Samą produkcję oparto na ukierunkowaniu drobinek sproszkowanego stopu w polu magnetycznym podczas spiekania. Wypiekanie wyprasek wykonywano w wysokiej temperaturze około 1120°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze 850°C. Finalnym etapem tworzenia silnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu przy użyciu pola magnetycznego 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie nowatorskich magnesów wyniosła około 745°C.

Magnesy na bazie neodymu to na dzień dzisiejszy najsilniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. W 1990 roku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił zupełnie nowy magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji był realizowany w syntezie drobnego proszku samaru oraz żelaza, które poddane sprasowaniu w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły zakres temperatury Curie wynoszący 470°C oraz namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu neodymowych magnesów, ale nowo opracowany skład samaru znacząco przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w obszarze magnesów o dużej sile oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został materiał oraz strukturze nano-krystalicznej, składający się z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w przeciwieństwie do struktur monokrystalicznych oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o wyższym napięciu powierzchniowym oraz mniej uporządkowanej strukturze. Poprzez zastosowanie, podczas produkcji mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich wraz z domieszką żelaza, cechują się wysoką remanencją magnetyczną. Bardzo dobre magnetyczne właściwości wynikają również z jednego ważnego czynnika, czyli sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Możliwe będzie dzięki temu bardzo dobre magnesowanie neodymowych magnesów.