mocne magnesy neodymowe

Magnesy neodymowe to dzisiaj najpotężniejsze magnesy, jakie powstały do tej pory. Pod koniec XX wieku w dublińskim instytucie Trinity College naukowiec Michael Coey wymyślił nieznany dotychczas magnetyczny materiał wzorze chemicznym Sm₂Fe₁₇N₂. Proces jego produkcji wykorzystywał syntezę rozdrobionego żelaza i samaru, które poddane sprasowaniu w silnym polu magnetycznym razem z dodatkiem azotu, osiągnęły temperaturę Curie aż do 470°C oraz poziom namagnesowania 0,9T. Nie jest to wynik zbliżony do poziomu magnesu neodymowego, jednak wymyślony stop faktycznie sporo przewyższał pierwsze z magnesów wykorzystujących ten pierwiastek. Końcówka lat dziewięćdziesiątych przyniosła odkrycia w obszarze silnych magnesów oraz technik ich produkcji.
Opracowano nano-krystaliczny materiał magnetyczny, zbudowany z ziaren o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Odkryte w czasie badań ziarna nano-krystaliczne, w odróżnieniu od do struktur monokrystalicznych są od siebie oddzielone o wiele większymi granicami o dużo większej mocy powierzchniowej oraz nieuporządkowanej strukturze. Poprzez użycie, podczas wytwarzania mieszaniny pierwiastków z rodziny ziem rzadkich w połączeniu z domieszką żelaza, cechują się dużą wartością remanencji magnetycznej. Tak dobre właściwości magnetyczne biorą się dodatkowo z jednej istotnej rzeczy, to znaczy połączenia magnetycznych momentów neodymu i żelaza. Jest dzięki temu możliwe bardzo dobre namagnesowanie neodymowych magnesów.

Na dzień dzisiejszy produkuje się magnesy neodymowe głównie w Azji. Głównym producentem, a także dostawcą tego typu produktów stały się Chiny, z powodu kontrolowania większości światowych złóż pierwiastków ziem rzadkich. Do wytwarzania przemysłowego magnesów o dużej mocy wykorzystuje się głównie dwie grupy związków: Sm₂Fe₁₇N₂ oraz Nd₂Fe₁₄B. Są to magnesyneodymowe i magnesy posiadające strukturę nanokrystaliczną, cechujące się nie tylko dużym stopniem namagnesowania, ale również wysoką remanencją magnetyczną. Wykorzystanie mocnych neodymowych magnesów jest naprawdę szerokie. Ważnymi grupami odbiorców stały się firmy produkcyjne, projektujące urządzenia elektroniczne i elektryczne, w szczególności firmy motoryzacyjne, stosujące wydajne silniki elektryczne oraz hybrydowe. Do produkcji takich silników stosuje się magnesy neodymowe ze stopu ze związkami redukujący spadki związane z wydajnością magnesów w wysokich temperaturach takimi jak na przykład Terb (Tb) czy dysproz (Dy) . Poprzez zastosowanie wymienionych wyżej związków, znacząco poprawiono magnetyczną koercję oraz całościową wydajność silnych magnesów stosowanych w sprzęcie elektrycznym o większej mocy. W Stanach Zjednoczonych od dawna prowadzone są naukowe badania przez specjalnie do tego celu powołany Instytut Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT), który ma zadanie opracowywać nowoczesnych stopów oraz materiałów. Kilka lat temu ARPA-E przyznała 31,6 mln dolarów na finansowanie projektów w programie Rare-Earth Substitute, czyli możliwości stworzenia związków zastępujących metale ziem rzadkich jako zastępstwo dla pierwiastków występujących naturalnie, występujących na terenie Azji.

Wytwarzanie magnesów z neodymu oparte zostało na dwóch technologiach. W japońskich firmach używana jest metoda spiekania mieszanin proszków, a na terenie Stanów popularna jest metoda oparta na szybkim chłodzeniu. Zależnie od potrzeb, magnesy z neodymu można również wytwarzać przy użyciu dodatkowych stopów, między innymi aluminium, galu albo miedzi. Dzięki takim domieszkom można w szerokim zakresie korygować magnetyczne parametry magnesu, jego zakres wytrzymałości, a także odporność na wysokie temperatury . Można nawet spowodować, że magnes wykaże dużą odporność na działanie na szkodliwe warunki atmosferyczne, w tym wodę, powodującą zmiany korozyjne. Za to ciągłe doskonalenie procesów metalurgicznych doprowadziło do otrzymania różnego rodzaju materiałowych stopów, które wpłynęły znacząco na podniesienie temperatury Curie. Stworzony w nowoczesny sposób magnes neodymowy, może osiągnąć namagnesowanie przekraczające 1,6T, czyli dużo wyższe chociażby od pola emitowanego przez Ziemię.

W pierwszej kolejności podstawowymi odbiorcami magnesów są przedsiębiorstwa wytwarzające sprzęt pomiarowy, elektroniczny, elektryczny, firmy z branży motoryzacyjnej czy też wytwarzające rozmaite maszyny dla przemysłu. Możliwości magnetyczne bardzo również ceni branża meblarska, oferująca odzież, w szczególności związana z odzieżą medyczną, firmy produkujące zatrzaski do portfeli oraz torebek oraz marketing oraz reklama.

Pierwsze udokumentowane badania oraz testy nad nowoczesnymi materiałami jakie można by było wykorzystać do produkcji magnesów o dużej mocy miały miejsce ponad 50 lat temu. Właśnie w tamtym okresie naukowcy K. Strnat oraz G. Hoffer z Air Force Materials Laboratory w Dayton, zaczęli szeroki zakres badań nad materiałami magnetycznymi, wykonanymi z metali zaliczanych do grupy zwanej metalami ziem rzadkich. Początkowo pierwsze stopy, jakie miały posłużyć do wytwarzania silnych magnesów, opierały się o żelazo, kobalt oraz lekkie lantanowce, do których zaliczamy: cer Ce, prazeodym Pr, neodym Nd, samar Sm, lantan La i itr Y. Wymienione powyżej lantanowce wykazują charakterystyczne właściwości, takie jak silne namagnesowywanie, lecz problemem była niska temperatura Curie. Dzisiaj produkowane silne magnesy neodymowe zawierają poza żelazem także dodatek lekkich lantanowców, co daje strukturze wysoki poziom anizotropii magneto-krystalicznej, a oprócz tego dokłada się do nich kobalt żeby podnieść poziom temperatury Curie. Debiutanckie neodymowe magnesy zostały opracowane około 50 lat temu ze sproszkowanych ziaren samaru wraz z innymi lantanowcami. Został stworzony nieznany dotychczas, potężny magnes SmCo₅. Proces opierał się na zjawisku kierunkowania ziaren rozdrobnionego stopu w polu magnetycznym w czasie spiekania. Spiekanie wyprasek było realizowane w temperaturze powyżej 1100°C przy końcowym wyżarzaniu w temperaturze o 250°C niższej. Ostatnim etapem tworzenia mocnego magnesu było poddanie materiału namagnesowaniu w polu magnetycznym 2T. Po zastosowaniu tej technologii temperatura Curie magnesów SmCo5 została podniesiona do 745°C.

Nowoczesne magnesy oparte na neodymie - jak powstały. W okresie kiedy projektowano następne mocne magnesy oparte o samar, w 1983 roku odkryto interesujące magnetyczne cechy związku neodymu z dodatkiem boru oraz żelaza. Firma General Motors stworzyła w 1984 roku związek o wzorze Nd₂Fe₁₄B, w proporcji 6% boru, 15% neodymu oraz ponad 70% żelaza. Proces wytwarzania magnesów neodymowych o dużej mocy wykorzystuje dwie metody. Zakład Sumitomo z Japonii, wchodzący w skład firmy Hitachi, analogicznie jak przy magnesach smarowych, stosował metodę spiekania sproszkowanych materiałów, przez co otrzymywano magnes o pełnej gęstości.

W Ameryce magnesy neodymowe o dużej mocy produkowano w zakładach firmy GM metodą bardzo szybkiego ochładzania roztopionego proszku izotropowego. Z jakich powodów połączenie neodymu z żelazem i borem dało znacznie lepsze rezultaty? Wykorzystanie neodymu znacznie mniej kosztowało, niż w przypadku samaru, a poza tym neodym posiada lepsze właściwości magnetyczne. Ale jego temperatura Curie nie była na odpowiednim poziomi, dlatego postanowiono podnieść tę temperaturę do 530°C. Taki poziom dało się uzyskać przez dodatek do składu magnesu neodymowego niewielkiej ilości boru. Dodatkowo da się też w dowolny sposób regulować właściwości magnetyczne, przez wprasowanie do magnesu pomocniczych pierwiastków, typu gal Ga, miedź Cu, niob Nb i glin Al.

Magnesy wykonane z neodymu wyposażane są też w warstwy ochronne ochraniające przed rdzewieniem i zabezpieczające przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi. Wykonuje się to poprzez nałożenie cienkiej warstwy niklu lub miedzi na przykład w w wykorzystywanych do poszukiwań uchwytach, to znaczy magnesach stosowanych do sprawdzania dna akwenów wodnych. Inżynierowie cały czas opracowują nowocześniejsze rodzaje magnesów, a dzięki postępowi w technologii metalurgicznej proszków, powstają nieznane wcześniej stopy metali charakteryzujące się zwiększoną koercją, jak też magnesy dysponujące znacznie wyższą temperaturą Curie i możliwości namagnesowania stopów, większej niż 1,6T.