neodymowe magnesy

Magnesy neodymowe to na dzień dzisiejszy najmocniejsze rodzaje magnesów, jakie zostały dotychczas opracowane. Blisko 30 lat temu w dublińskim instytucie Trinity College Michae Coey opracował zupełnie nowy magnetyczny stop mający wzór Sm₂Fe₁₇N₂. Proces wytwarzania tego materiału opierał się o syntezę rozdrobionego żelaza oraz samaru, które podczas prasowania w mocnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, uzyskały temperaturę Curie w wysokości 470°C i poziom namagnesowania 0,9T. Nie osiągnięto tu wprawdzie parametrów magnesu neodymowego, ale nowo opracowany skład samaru przewyższał w znacznym stopniu pierwsze magnesy oparte o ten pierwiastek. Koniec XX wieku przyniósł kolejne pomysły w obszarze magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich tworzenia.
Opracowany został stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z mikroskopijnych ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do monokryształów oddzielone są od siebie przestrzenią o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Dzięki wykorzystaniu, na etapie produkcji stopów pierwiastków z grupy ziem rzadkich razem z żelazem, charakteryzują się remanencją magnetyczną na wysokim poziomie. Bardzo dobre parametry magnetyczne biorą się dodatkowo z jeszcze jednego aspektu, czyli połączenia magnetycznych momentów neodymu z żelazem. Daje to bardzo dobre magnesowanie przedstawianych magnesów.

Pierwsze znane badania laboratoryjne nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji silnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. W tym czasie dwóch badaczy G. Hoffer oraz K. Strnat z laboratorium Air Force Materials , rozpoczęli szeroki zakres badań nad nowymi materiałami, składającymi się z metali należących do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Na początku badań badane materiały, jakie zamierzano wykorzystać do produkcji mocnych magnesów, były oparte o żelazo, kobalt i lekkie lantanowce, do których zaliczamy: prazeodym Pr, neodym Nd, cer Ce, itr Y, samar Sm oraz lantan La. Wymienione powyżej lantanowce mają szczególne cechy, takie jak możliwość silnego namagnesowania, lecz ich temperatura Crie była bardzo niska. Dzisiaj produkowane magnesy neodymowe o dużej sile w swoim składzie posiadają obok żelaza też lekkie lantanowce, co daje strukturze dużą anizotropię magneto-krystaliczną, a oprócz tego dokłada się do nich niewielką ilość kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Magnesy neodymowe zostały opracowane około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Stworzono pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Samą produkcję oparto na zjawisku kierunkowania kryształów stopu w formie proszku w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie gotowych magnesów było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze o 250°C niższej. Ostatecznym etapem produkowania magnesu neodymowego było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Przez taką technologię temperatura Curie magnesów SmCo5 podwyższyła się do 745°C.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy były projektowane następne silne magnesy oparte o samar, w 1983 roku zostały odkryte nieznane dotychczas magnetyczne cechy neodymu w połączeniu z żelazem oraz stalą. Amerykańska firma GM rok po odkryciu stworzyła nowy związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces produkowania magnesów neodymowych o dużej mocy opiera się na dwóch metodach. W Japonii zakład Sumitomo, znajdujący się w strukturach Hitachi, tak samo jak w przypadku silnych magnesów produkowanych z samaru, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, dzięki czemu uzyskiwano magnes o pełnej gęstości.

W USA magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM metodą dynamicznego ochładzania stopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza zapewniło dużo większą wydajność? Wykorzystanie neodymu okazało się o wiele tańsze, niż związków samaru, a oprócz tego neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Niestety temperatura Curie neodymu była znacznie niższa, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taką wartość otrzymano przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Oprócz tego można też w pewien sposób korygować parametry magnetyczne, dzięki wprasowaniu do stopów dodatkowych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Neodymowe magnesy często posiadają także w warstwy ochronne chroniące przed korozją i zabezpieczające przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Realizuje się to przez dołożenie cieniutkiej warstwy miedzi albo niklu np. w uchwytach wykorzystywanych w poszukiwaniach, czyli mocnych magnesach stosowanych do przeszukiwania dna akwenów wodnych. Cały czas są opracowywane bardziej zaawansowane magnesy neodymowe, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, wymyślane są coraz to nowe łączenia metali o podwyższonej koercji, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Przede wszystkim najważniejszymi odbiorcami mocnych magnesów są firmy sprzedające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej oraz dostarczające różnego rodzaju maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne doceniła również branża meblarska, oferująca odzież, szczególnie związana z ubraniami medycznymi, podmioty oferujące zatrzaski do galanterii oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Obecnie na świecie produkuje się magnesy neodymowe przede wszystkim w krajach azjatyckich. Głównym producentem oraz dostawcą tego typu wyrobów zostały Chiny, ze względu na kontrolę nad większością pokładów niezbędnych do tego pierwiastków. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły głównie dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyna bazie neodymu oraz magnesy o strukturze nano krystalicznej, charakteryzujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, lecz także dużą remanencją magnetyczną. Użycie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Podstawowymi rodzajami odbiorców zostały przedsiębiorstwa produkcyjne, wytwarzające sprzęt elektryczny i elektroniczny, w szczególności firmy motoryzacyjne, wykorzystujące wydajne elektryczne i hybrydowe silniki. Przy wytwarzaniu silników tego typu stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami zmniejszającymi spadki wydajności magnesów w wysokich temperaturach na przykład takimi jak dysproz (Dy) oraz Terb (Tb). Przez użycie tych substancji, poprawiono w znacznym stopniu magnetyczną koercję i wydajność całkowitą silnych magnesów wykorzystywanych w sprzęcie elektrycznym o wysokiej mocy nominalnej. W Stanach Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów i stopów. Przed kilku laty ARPA-E desygnowała blisko 32 miliony dolarów na rozwijanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków mogących zastąpić metale ziem rzadkich jako alternatywę dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Produkowanie neodymowych magnesów oparte zostało na dwóch metodach. W Japonii używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a w Stanach Zjednoczonych popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od wymagań, magnesy neodymowe można wytwarzać przy użyciu innych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom da się w znacznym stopniu kontrolować parametry magnetyczne magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes będzie odporny na niekorzystne atmosferyczne warunki, w tym wodę, która może spowodować korodowanie żelaza. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszkowej doprowadziło do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły w dużym stopniu na podwyższenie temperatury Curie. Wyprodukowany nowoczesną metodą produkcyjną neodymowy magnes, może osiągnąć namagnesowanie na poziomie 1,6T, czyli o wiele wyższe na przykład od pola emitowanego przez Ziemię.