magnesy neodymowe

Neodymowe magnesy to dzisiaj najpotężniejsze magnesy, jakie do tej pory stworzono. Pod koniec XX wieku w Trinity College w Dublinie Michaelowi Coeyowi udało się stworzyć nieznany do tej pory materiał magnetyczny o bardzo interesującym wzorze Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę drobnego proszku samaru i żelaza, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym wraz z domieszką azotu, uzyskały zakres temperatury Curie wynoszący 470^oC i namagnesowanie na poziomie 0,9T. Nie są to wyniki zbliżone do poziomu magnesów wykonanych z neodymu, ale opracowany wtedy stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z produkowanych magnesów. Ostatnie lata minionego wieku przyniosły dalsze odkrycia w zakresie magnesów o dużej mocy oraz sposobów ich tworzenia.
Badacze opracowali stop posiadający nano-krystaliczną strukturę, zbudowany z malutkich ziaren o wielkości mniejszej niż 100 nm. Ziarna, które zostały odkryte nano-kryształów, w odróżnieniu od do struktury monokrystalicznej oddzielone są od siebie o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej i bardziej nierównomiernej strukturze wewnętrznej. Poprzez zastosowanie, w czasie spiekania pierwiastków z rodziny ziem rzadkich razem z dodatkiem żelaza, charakteryzują się wysoką remanencją magnetyczną. Tak dobre magnetyczne właściwości biorą się też z jednego ważnego czynnika, to znaczy sprzężenia momentów magnetycznych żelaza oraz neodymu. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie opisywanych magnesów.

Przede wszystkim głównymi odbiorcami magnesów są firmy sprzedające urządzenia elektryczne, elektroniczne, pomiarowe, firmy z branży motoryzacyjnej czy też produkujące rozmaite przemysłowe urządzenia. Zalety magnesów dużej mocy ceni też od dawna branża meblowa, oferująca odzież, zwłaszcza związana z odzieżą medyczną, podmioty dystrybuujące zapięcia do portfeli i torebek oraz rzecz jasna marketing i reklama.

Na dzień dzisiejszy magnesy neodymowe są wytwarzane przede wszystkim w Azji. Głównym producentem i eksporterem takich produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do przemysłowego produkowania magnesów o dużej mocy zastosowanie znalazły przede wszystkim dwa związki: Nd₂Fe₁₄B i Sm₂Fe₁₇N₂. Są to magnesyneodymowe oraz magnesy nano krystaliczne, cechujące się nie tylko wysokim namagnesowaniem, ale także dużą remanencją magnetyczną. Wykorzystanie silnych magnesów neodymowych jest bardzo szerokie. Ważnymi grupami odbiorców stały się przedsiębiorstwa z branży produkcyjnej, oferujące sprzęt elektroniczny i elektryczny, szczególnie firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne i hybrydowe. Przy wytwarzaniu takich silników wykorzystywane są neodymowe magnesy ze stopu ze związkami ograniczającymi spadek wydajności magnesów w podwyższonych temperaturach takimi, jak Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Dzięki użyciu wymienionych wyżej związków, znacząco zwiększono koercję magnetyczną oraz ogólną wydajność silnych magnesów używanych w urządzeniach elektrycznych o wysokiej mocy nominalnej. Na terenie Stanów Zjednoczonych już od kilkudziesięciu lat prowadzi się badania przez powołany specjalnie do takich celów Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), mający na celu opracowanie nowoczesnych materiałów. W 2011 roku ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na rozwijanie projektów i badań w zakresie programu Rare-Earth Substitute, to znaczy możliwości stworzenia substytutów metali ziem rzadkich jako alternatywę dla naturalnych złóż pierwiastków, kontrolowanych przez rząd Chin.

Wytwarzanie magnesów neodymowych jest oparte o dwie technologie. W Japonii stosowano metodę spiekania proszków, a w USA popularność zyskała metoda oparta na szybkim chłodzeniu. W zależności od oczekiwań, magnesy neodymowe można wytwarzać poprzez zastosowanie innych pierwiastków, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Przez takie połączenie można korygować parametry magnetyczne samego magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także możliwość pracy w wysokich temperaturach . Można nawet spowodować, że struktura magnesu będzie odporna na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, która powoduje korozję. Za to systematyczne doskonalenie metalurgii proszków doprowadziło do uzyskania różnych materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podwyższenie temperatury Curie. Stworzony nowoczesną metodą produkcyjną magnes z neodymu, uzyskuje poziom namagnesowania przekraczający 1,6T, czyli znacznie większe na przykład od ziemskiego pola magnetycznego.

Nowoczesne magnesy neodymowe - historia powstania. Podczas kiedy projektowano następne mocne magnesy na bazie samaru, w 1983 roku zostały odkryte bardzo ciekawe magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru i żelaza. Firma General Motors rok po odkryciu stworzyła związek o strukturze chemicznej Nd₂Fe₁₄B, mające skład 6% boru, 15% neodymu i ponad 70% żelaza. Proces produkowania silnych magnesów neodymowych opiera się na dwóch metodach. Zakład Sumitomo z Japonii, będący w grupie Hitachi, analogicznie jak procesie tworzenia magnesów na bazie samaru, używał metody spiekania sproszkowanych materiałów, co pozwalało uzyskać magnesy mające dużą gęstość.

W Stanach Zjednoczonych silne magnesy neodymowe wytwarzano w firmie General Motors sposobem bardzo szybkiego schładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakiego powodu użycie boru, neodymu i żelaza okazało się o wiele bardziej wydajne? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym ma znacznie lepsze parametry magnetyczne. Jednak temperatura Curie tego pierwiastka nie była na odpowiednim poziomi, z takich też powodów postanowiono podnieść tę temperaturę do 530^oC. Tak wysoki poziom uzyskano przez dodanie do składu magnesu neodymowego domieszki boru. Dodatkowo można również w dowolny sposób korygować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych pierwiastków, takich jak gal Ga, miedź Cu, niob Nb oraz aluminium Al.

Magnesy neodymowe często posiadają także w powłoki ochraniające przed rdzewieniem oraz mające zabezpieczające działanie przed oddziaływaniem niekorzystnych warunków pogodowych. Jest to realizowane poprzez nałożenie cieniutkiej warstwy miedzianej lub niklowej np. w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, czyli magnesach stosowanych przy przeszukiwaniu dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowe magnesy neodymowe, a przez ciągły postęp w metalurgii, konstruowane są nowe stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie oraz możliwości namagnesowania stopów, przekraczające 1,6T.

Pierwsze testy oraz badania nad nowoczesnymi materiałami nadającymi się do stworzenia bardzo mocnych magnesów miały swój początek w 1966 roku. Wtedy to właśnie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli badania nad nowymi materiałami, zrobionymi z metali należących do tak zwanej grupy metali ziem rzadkich. Na początku badań badane stopy metali, które zamierzano wykorzystać do wytwarzania mocnych magnesów, były oparte na bazie żelaza, kobaltu i lekkich lantanowców, w skład których wchodzą: neodym Nd, cer Ce, prazeodym Pr, lantan La, itr Y oraz samar Sm. Wymienione powyżej lantanowce wykazywały nietypowe właściwości, takie jak magnesowanie do dużych wartości, ale problemem była niska temperatura Curie. Wytwarzane dzisiaj mocne neodymowe magnesy w swoim składzie posiadają poza żelazem też domieszkę odpowiednio dobranych lantanowców, zapewniając im anizotropię magneto-krystaliczną na wysokim poziomie, a oprócz tego uzupełnia się ten skład o kilka procent kobaltu w celu podwyższenia całkowitej temperatury Curie. Pierwsze silne magnesy opracowano w 1970 roku wykorzystując samar w formie sproszkowanych ziaren wraz z kilkoma dodatkowymi związkami z grupy lantanowców. Stworzono pierwszy, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na ukierunkowaniu kryształów sproszkowanego stopu w polu magnetycznym przy spiekaniu. Tworzenie wyprasek odbywało się w temperaturze powyżej 1100^oC wraz z ostatecznym wyżarzanie w temperaturze 850^oC. Finalnym procesem tworzenia mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w wysokim polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie prototypowego magnesu została podniesiona do 745^oC.